利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾技术研究

刘学炉，王朝雄

（南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏南京210036）

利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾技术研究

刘学炉，王朝雄

（南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏南京210036）

介绍了新型干法水泥窑协同处置城市生活垃圾工艺，分析了水泥窑协同处置城市生活垃圾对水泥生产的影响，得出水泥窑协同处置生活垃圾对水泥线影响风险可控的结论，环境和社会效益明显，具有良好的应用前景。

水泥窑；城市生活垃圾；协同处置

利用水泥窑协同处置生活垃圾，可以彻底实现垃圾处理减量化、无害化和资源化，为水泥工业发展循环经济、打造水泥绿色环保产业开辟了一种新的途径。笔者以贵州某县3 000 t/d新型干法水泥窑协同处置250 t/d生活垃圾为例，介绍其工艺技术路线，分析水泥窑协同处置城市生活垃圾对水泥生产的影响。

1　工艺介绍

工艺流程如图1所示。

图1　水泥窑协同处置生活垃圾工艺流程

该生活垃圾处理系统是利用垃圾焚烧炉与水泥生产工艺技术相结合，将垃圾焚烧后的高温热烟气引入新型干法水泥窑系统的分解炉作为替代燃料，并利用分解炉内900℃左右的高温和碱性条件，吸收和处理垃圾产生的二恶英等有害气体，使垃圾处理达到减量化、资源化、无害化的要求。

生活垃圾由运输车运送至垃圾暂存库，经预处理后存放在垃圾储存库内，整个大的垃圾库采用密闭负压结构，垃圾储坑有效容积储量按7 d考虑，负压通过垃圾库引风机产生，排出的臭风引入空预器加热至220℃作为助燃风。

新鲜垃圾倒入储坑后生物干化5～7 d，可以降低水分，提高热值，干化后的垃圾经过行车抓斗输送到炉排炉中干燥、燃烧、燃尽，余下的残渣经分选，对金属单体回收，灰渣送入水泥原料磨作为水泥原料，实现资源的循环利用。重金属有害元素被固溶在熟料里，燃烧后的烟气引入分解炉继续高温焚化处理，分解炉内燃烧烟气温度大于850℃，停留时间在7 s以上，烟气中的有毒有害物质的分子结构被彻底破坏。

垃圾在储存过程中生成的渗沥液为高浓度有机污水，经过滤处理后，喷射至分解炉内高温蒸发氧化处理，完全分解有机成分，实现无害化。

2　垃圾焚烧设计

焚烧炉选用成熟可靠的炉排炉焚烧技术，设计进厂垃圾处理量250 t/d，配1台225 t/d处理规模焚烧炉，设计入炉垃圾低位热值5 852 kJ/kg，垃圾存放时间5～7 d；焚烧炉正常工作时间7 200 h/a；炉内烟气停留时间＞2 s；燃烧温度850～950℃。生活垃圾的工业分析和元素分析如表1所示。

表1　生活垃圾工业分析和元素分析结果

3　对水泥窑影响分析

3.1水泥熟料品质影响

王俊［1］研究表明：生活垃圾在每吨熟料处理量小于0.1 t时，对烧成系统影响很小。按照3 000 t/d水泥生产工艺计算，可容纳的垃圾量为300t/d，本方案设计处理进厂垃圾250t/d，入炉垃圾量225t/d，垃圾焚烧后的炉渣在化学组成上属于SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3体系，焚烧炉渣同高炉渣等应用作水泥原材料的固体废物性质接近，将垃圾焚烧炉渣作为水泥替代原料可行。表2为水泥生料及熟料在水泥窑没有协同处置生活垃圾和水泥窑协同处置生活垃圾时的化学成分和熟料率值，从中可以看出水泥窑协同处置生活垃圾前后熟料率值几乎没有变化，对熟料产品质量没有影响。从烟气组成来看，将垃圾焚烧后的热烟气引入分解炉，废气种类与水泥熟料煅烧烟气基本相同，而且垃圾焚烧所产生的废气含量只占熟料煅烧烟气量20%，因此，水泥窑协同处置生活垃圾对水泥熟料性能无影响。

表2　水泥生料、熟料化学成分及熟料率值变化

3.2煤耗影响

在设计工况下，垃圾低位热值5 852 kJ/kg，垃圾在炉排炉内焚烧后高温烟气进入分解炉会替代一部分煤。按照1%旁路放风增加热耗10 kJ/t熟料，放风量3%，根据分解炉物质平衡和热平衡计算，节约标煤143 kg/h，熟料标煤耗降低1.14 kg/t，年节约标煤1 029 t。由于本项目焚烧炉与分解炉距离200 m，考虑空气预热和沿程温降约200℃，入分解炉烟气温度为738℃，分解炉烟气温度降低了22℃。

3.3水泥窑温度场及流场变化

高温烟气进入分解炉后，会导致炉内烟气流量增加，烟气流速增大，系统阻力加大。垃圾、燃煤热值分别按5 852、21 987 kJ/kg计算，则225 t/d垃圾焚烧后，新增烟气量为28 778 m3/h，3 000 t/d水泥熟料线窑尾废气量176 756 m3/h，废气增加量为28 778/176 756=16.3%，可见新增废气对窑尾预热分成系统的流场和速度场影响较大，旋风筒出口风速将严重超出设计值，需要进行改造，根据水泥厂现有生产线预热器规格和产量，预热器各级旋风筒直径较大，出口风管直径小，出口风管改造后，压损和出口温度都将有效地改善，改造前后数据见表3。

表3　改造前后数据对比

3.4余热发电影响

水泥窑协同处置生活垃圾前后窑尾余热锅炉发电量变化如表4所示。

表4　水泥窑协同处置生活垃圾前后窑尾余热锅炉发电量变化

垃圾焚烧高温烟气在水泥窑内热量除水泥窑窑体散热外，一部分被预热器内生料吸收，另外一部分则被烟气以显热形式带出C1，热平衡计算得到，焚烧炉运行时，C1出口烟气温度升高16℃，窑尾余热锅炉烟气量会增加28 778 m3/h，窑尾余热锅炉发电量增加804 kW。

虽然窑尾余热锅炉发电量有所提高，但系统烟气量增加后，窑尾IDFan电耗会增加386 kW，尾排风机电耗会增加235 kW，其他还包括新增给水泵功耗和新增协同处理引风机功耗，水泥窑协同处置生活垃圾后整个水泥线余热发电增加约181 kW。

3.5重金属问题

国外研究表明，在不超过重金属进料量限值的条件下，重金属的进料量变化不会影响其在窑灰、熟料和尾气中的分配率，且与添加的废物类型无关［2］，生活垃圾中含有较多的重金属离子，这些重金属离子在水泥熟料形成的过程中大部分被包溶在熟料矿物之中，有利于形成晶格缺陷，对提高熟料强度有利。同时，重金属离子能降低熟料的烧成温度，节约燃料。所以，生活垃圾中重金属离子对熟料的烧成和产品质量没有不利影响。

3.6氯离子对水泥系统的影响

通常生料中氯含量应小于0.015%，过高的氯含量会导致新型干法水泥线系统中700℃的地方生成低温共熔物，在窑尾、风管和排风机等气体通过的地方，附着结皮和造成堵塞。水泥产品中氯含量超出一定限度，在做成混凝土之后，在水化时会溶出大量的氯离子，硬化体在养护和使用过程中也会释放出含氯水化物可能会对其中的钢筋产生一定腐蚀，影响钢筋寿命。因此，对氯离子的控制就尤为关键。由于在水泥窑协同处置中，生活垃圾处理量较小，氯含量只占很少一部分，一般可满足要求，具体情况应根据垃圾的元素组成进行分析。本项目设计了旁路放氯装置，放风量为煅烧窑烟气量3%，以此减小氯对水泥窑运行和产品质量的影响。

3.7二恶英排放问题

分解炉温度维持在880℃左右，气体停留时间大于6 s，固体物料的停留时间长达20 s以上，能够保证有机物的完全燃烧和分解，加上水泥系统CaO物料较多，系碱性环境，为抑制二恶英产生创造了良好条件。国外实践表明采用现代新型干法水泥窑协同处置城市废物，二恶英的排放浓度可完全控制在0.1 ng/m3以下，德国某机构针对常规燃料、替代燃料和替代原料的160条水泥窑进行检测［3］，结果表明大多数情况二恶英排放在0.002～0.05 ngTEQ/m3，均值约为0.02 ngTEQ/m3，优于欧盟2 000排放标准。

3.8水泥窑协同处置产品对环境的影响

原生生活垃圾含有一定量的重金属，这些重金属会随着烟气和炉渣一起进入水泥窑，在水泥产品后续使用过程中这些重金属可能会迁移到周围环境中，给环境安全性带来影响。张俊丽等［4］通过开展水泥窑协同处置废物产品的浸析试验，发现水泥窑煅烧固化处置对As、Pb、Zn的化学稳定效果优于水泥固化/稳定化，李波等［5］试验分析了水泥窑处置生活垃圾后续产品对环境的影响，研究表明在酸性降雨的环境下，水泥产品中重金属的迁移性很小，不会对环境安全性造成危害。

4　结论

1）本项目利用新型干法水泥窑协同处置城市生活垃圾，工艺流程简短，投资省，无需预处理，符合现阶段我国垃圾处理基本国情，可以实现垃圾处理减量化、资源化和无害化。

2）利用3 000 t/d水泥熟料线协同处置250 t/d生活垃圾，焚烧炉渣作为水泥窑替代原料对水泥熟料产品质量没有影响。

3）设计工况条件下，水泥窑协同处置生活垃圾可以替代一部分煤，水泥窑窑尾锅炉增加发电量大部分被窑尾高温风机和尾排风机抵消，整个水泥线余热发电量略有提高。

4）利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾对水泥线影响风险可控，产品不会对环境安全性造成危害，具有明显的环境效益和社会效益。

［1］王俊.新型干法水泥窑焚烧生活垃圾的技术研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2006.

［2］Juan A，Galvez A，Mateos F，et al.Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels［J］.J Hazard Mater，2008，116（1）：1-8.

［3］蔡玉良，杨学权，辛美静，等．利用新型干法水泥窑系统处置城市垃圾［J］．中国水泥，2006（3）：30-34.

［4］张俊丽，刘建国，李橙，等．水泥窑协同处置与水泥固化/稳定化对重金属的固定效果比较［J］．环境科学，2008，29（4）：1138-1142.

［5］李波，蔡玉良，杨学权，等.水泥窑处置城市生活垃圾后续产品中重金属的浸出迁移性研究［J］．中国水泥，2010（3）：45-48.

Technology Research on Co-processing Municipal Solid Waste in the NSP Cement Kiln

Liu Xuelu，Wang Chaoxiong
（Nanjing Kesen Kenen Environment&Energy Co.Ltd.，NanjingJiangsu210036）

We introduced the technology of municipal solid waste co-processing in the NSP cement kiln，and analyzed its impacts on cement production.The results showed that the impacts on cement production risk were controllable.Environmental and social benefitswere obvious，and it also had a good application prospect.

cement kiln；municipal solid waste；co-processing

X799.3；X705

A

1005-8206（2016）05-0029-03

2015-11-23

刘学炉（1983—），工学硕士、工程师，主要从事固废资源综合利用及项目技术研发。

E-mail：15195993248@163.com。