水泥窑协同处置固体废物清洁生产水平分析

魏志刚+潘永宝+吴魁+马超

摘要：以勉县水泥窑协同处置固体废物项目为例，对其生产工艺与装备要求、资源能源利用指标、产品指标、污染物产生指标（末端处理前）和废物回收利用指标等五大定量指标进行了分析，以评价项目其清洁生产水平。

关键词：水泥窑；协同处置；清洁生产；危险废物；污泥

1 引言

随着我国经济的快速发展和城镇化进程的不斷深入推进，固体废物的处置问题日益成为一件影响经济可持续发展的大事，如何高效、合理地处置日益增多的固体废弃物，也是摆在管理者面前一个亟待解决的难题。西安某科技公司主要业务范围为利用水泥窑协同处置城市生活垃圾、污泥和工业废弃物，建筑材料的循环利用，环保技术的咨询和服务。该公司拟充分利用尧柏水泥布局全国的各水泥生产基地，依托汉中勉县尧柏水泥公司先进的水泥窑生产线和得天独厚的地理优势，建设年协同处理有机危废50 t/d、无机危废100 t/d项目，以大大提升水泥行业绿色发展、可持续发展的能力，并进一步推动中国水泥工业绿色、环保转型的进程。

2 生产工艺与装备要求

2.1 利用水泥窑协同处置城市生活污泥处理工艺先进性

世界污泥处理已经历了一个多世纪的发展，在发达国家已形成了较完善的处理模式，但污泥处理不单是一个处置问题，怎样合理、有效地实现处置，怎样在可持续发展的战略要求下实现资源的再生与利用，是合理设计污泥厂的核心[1]。我国城市污泥处理起步较晚，污泥无害化处理能力较低。近几年，随着各级政府对环境保护的重视，污泥无害化处理呈加速发展趋势。目前我国城市污泥处理技术主要以卫生填埋为主，有条件的城市正逐渐发展堆肥处理和焚烧处理[2]。

利用水泥窑烧成系统处理城市污泥正好可以帮助水泥厂解决节能和降耗等问题，降低了对传统的不可再生燃料和自然资源的开采，减少了对环境和资源的破坏，减少了生活和工业污泥对自然环境的污染，避免了填埋和焚烧等处理方式对环境的二次污染等。水泥窑是现存最好的固体废弃物焚烧窑炉，不需要新建污泥焚烧炉和发电处理工艺中的尾气净化处理装置和废渣处理装置，处理过程不依赖于污泥热值的高低。因此利用水泥烧成系统处理城市生活污泥是一种“双赢”的处理方式，有利于实现资源的再利用和经济的可持续发展[3]。城市生活污泥各种处理方法比较见表1。

国外利用水泥回转窑处理各类废弃物已有几十年历史的成熟经验，美国、欧洲、日本等发达国家已有几十家水泥厂将城市生活污泥作为替代原料和燃料，其替代量可达20%～40%[4]。韩国、巴西、墨西哥以及我国台湾省等中等发达国家和地区，利用水泥回转窑处理城市废弃物替代传统化石燃料的比例也相当高。德国和日本在处理生活污泥的技术上一直处于领先地位。据美国和德国国家环境保护局对水泥回转窑的监测表明，水泥回转窑使用污泥替代原燃料不仅对环境没有危害，而且被列为现有的最佳示范技术。利用水泥回转窑处理生活污泥，只需在现有水泥生产线基础上进行适当改造，再增加污泥预处理设备，与新建专用焚烧厂相比，项目投资小，可节约大量的资金投入[5]。

2.2 利用水泥窑协同处置危险废物先进性

（1）水泥回转窑内的物料温度在1450℃左右，而气体温度则高达1800 ℃，在高温下危废中的有毒有害成分可彻底分解，对于处置POPs类有机物的条件较好。另外，烧成系统中气体流速较大，气流湍流度达，有利于危废的分散，保证危废与高温烟气的充分接触，使危废处于高温流态化燃烧过程，有利于危废的完全燃烧分解，避免产生有毒气体。

（2）水泥回转窑筒体长，危废在回转窑高温状态下停留时间长。根据统计数据，物料从窑尾到窑头总的停留时间在35 min左右，气体在大于950 ℃以上的停留时间在12 s以上，高于1300 ℃以上的停留时间大于3 s，更有利于危废的燃烧和分解。水泥回转窑是一个热容大、十分稳定的燃烧系统，不易受危废投入量和性质的变化影响生产操作。

（3）生产水泥过程CaO以悬浮态均匀分布在系统中，加上颗粒细、浓度高极具吸附性，这就决定了烧成系统内的碱性固相氛围，可将SO2和Cl-等酸性化学成分

化合成盐类固定下来，有效地抑制了酸性物质的排放，减少或避免了焚烧处理后产生二噁英类的现象。以年处置工业危险废物约8万t的北京水泥厂为例，经中国科学环境监测中心对窑尾废气中二噁英浓度监测，二噁英的排放浓度监测值仅为0.0005 ngTEQ/Nm3，远低于相关标准0.1 ngTEQ/Nm3的限值。

（4）利用水泥回转窑处理危废是各种处理方式中唯一没有废渣排放的处置方式，可彻底实现废物的减量化。

（5）利用水泥回转窑处理危废，可以将危废中的重金属离子固化在熟料矿物中，避免了重金属再度渗透、扩散污染水质和土壤。

（6）部分热值较高的危废可作为水泥生产替代燃料使用，从而减少了水泥工业对燃煤的需求量。

（7）现有的水泥工业烧成系统和废气处理系统，具有较高的吸附、沉降和收尘处理特性，可满足相关环保排放标准要求。

（8）与新建专用焚烧厂相比，利用水泥回转窑处理危废，只需要增加废物预处理设备，可节约大量的资金投入。可见，利用水泥窑协同处置危险废物，是一项具有众多优势的环境保护处置技术，是废物无害化、一站式最终处置的最佳选择。

2.3 设备优势明显

该项目危废烧成处置利用汉中勉县水泥厂新型干法水泥窑，从水泥生产的角度看，新型干法水泥窑与其他窑型相比具有巨大的优势，具有热耗低、生产效率高、单机生产能力大、生产规模大、窑内热负荷小、窑衬寿命长、窑运转率高等优点，代表了当代水泥工业生产水泥的最新技术，是水泥产业结构调整的方向。从废物协同处置的角度看，相比立窑，回转窑具有明显优势。对于回转窑来说，无论什么窑型，熟料煅烧都需要经过干燥、粘土矿物脱水、碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结及熟料冷却结晶等几个阶段，各阶段的气固相温度也基本相同。回转窑内固有的气固相温度和停留时间都足以实现废物的无害化处置。而立窑无论是窑内气固相温度分布、气固相停留时间、气氛以及火焰特点都与回转窑有较大差异，废物中的有机物和重金属极易随烟气排入大气，适合协同处置废物种类一般仅限于以替代原料为目的的常规工业固体废物和铬渣。新型干法回转窑相比其他回转窑具有废物投料点多，分解炉内分解反应对温度要求低，废物适应性强；气固混合充分，碱性物料充分吸收废气中的有害成分，“洗气”效率高，废气处理性能好；NOX生成量少，环境污染小等优点。因此，综合考虑水泥生产和废物协同处置，新型干法回转窑是适合废物协同处置的最佳窑型。

3 资源能源利用指标

勉县水泥窑协同处置固体废物项目新增用电负荷约180 kW，其中高温风机电耗增加量5.2 kW·h/t固废，窑尾排风机电耗增加量4.9 kW·h/t固废，新增设备电耗28.8 kW·h/t固废。折合综合增加电耗為38.9 kW·h/t，年增加电耗1.93×106 kW·h。年总能耗折合标准煤为1692.94 t/a，固废处理的吨耗能为1693.32×1000÷49500=3.21 kgce/t固废。水泥窑协同处置固体废物后，粘土的用量减少了30688.1 t/a，可节约一定量的土地资源。

4 产品指标分析

利用水泥窑协同处置固体废物必须以不影响水泥产品的品质为前提，因此要分析协同处置固体废物中的硫、氯、碱含量，评估对水泥质量的影响，通过对水泥厂的原燃料品质及配料方案进行调整，确定合理的加入比例。其处置过程要求对有害的硫、氯、碱含量，严格按照水泥行业的控制标准，折合至入窑生料其硫碱元素的当量比S/R应控制在0.6～1.0左右，Cl元素则控制在0.02%以下，（K2O+NaO）应小于1.0%。

根据溧阳天山水泥有限公司的实际生产统计数据，协同处置城市生活污泥后，水泥熟料的1 d、3 d及28 d抗压强度均保持原有水平，熟料中f-CaO的含量也在正常范围内波动，实现了熟料质量的控制目标要求。对于焚烧后危险废弃物对水泥品质的影响，目前在北京、上海，广州等地已经进行了多次工业试验，为工业化大规模处置利用危险废弃物及其他废弃物奠定了基础。北京水泥厂处置废弃物，将危险废弃物投入水泥窑焚烧，并对投入后水泥的品质进行了对比，见表2和表3。

从表2和表3可以看出，水泥窑投入危险废弃物后对水泥品质影响不大。另外，通过工程实践表明，利用危险废弃物和危险废弃物焚烧灰制造出的水泥，与普通硅酸盐水泥相比，在颗粒度、相对密度等方面基本相似，而在稳固性、膨胀密度、固化时间方面表现较好。

5 污染物产生指标

水泥窑焚烧固体废物烟气通过高温碱性环境、SNCR脱硝系统、布袋除尘器、增湿塔以及余热发电锅炉等措施后，经104 m烟囱高空排放。水泥窑窑尾排气筒大气污染物中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和氨能够满足《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）的表1中规定的大气污染物排放限值；氯化氢（HCl），氟化氢（HF），汞及其化合物（以Hg计），铊、镉、铅、砷及其化合物（以Tl+Cd+Pb+As计），铍、铬、锡、锑、铜、钴、锰、镍、钒及其化合物（以Be+Cr+Sn+Sb+Cu+Co+Mn+Ni+V计）、二噁英类等满足《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》（GB30485-2013）表1规定的大气污染物最高允许排放浓度。

水泥窑的热稳定性很强，在焚烧少量的危险废物时不会改变炉内的燃烧工况，焚烧废物不会改变原工程烟尘、NOX、CO等因子排放的达标现状。水泥窑内呈碱性环境，焚烧产生的SO2、HCl、HF等酸性气体会被大量的吸收，从而大大降低焚烧尾气中的酸性气浓度。利用SNCR脱硝系统进一步去处烟气中的NOX，可将NOX浓度控制在400 mg/Nm3以下。废物中的重金属绝大部分被固化在水泥熟料中。

项目生产废水主要为车间、车辆冲洗废水，与有机危废一并泵入水泥窑焚烧处置。有机危废车间均密闭设置，废气经集气罩负压收集后通过管道鼓入水泥窑焚烧处置，逸散量很小。运营期产生的噪声通过采取建筑隔声、消声、减振等措施后，厂界噪声可达标排放。

6 废物回收利用指标

利用水泥窑协同处置固体废物，所用原料均为废物，实现了废物的“无害化、减量化、资源化”。

7 结论

勉县水泥窑协同处置固体废物项目利用水泥窑协同处理固体废物，属废物回收利用项目，处理工艺先进，设备优势明显，产品指标满足相关要求，各类污染均可达标排放，清洁生产水平属于国内先进水平。

参考文献：

[1]蒋明麟.大力推进水泥回转窑处置和利用废弃物技术的应用发展[J].中国水泥，2006（11）：24～28.

[2]胡芝娟，沈序辉.利用水泥窑处置城市工业废弃物技术研究与应用资源节约与环保[J].中国水泥，2008，24（6）：36～38.

[3]田 巍，张 觊.利用水泥窑处置工业废弃物及城市生活污泥的技术研究和应用[J].中国水泥，2006（11）.

[4]何 捷，崔敬轩，萧 瑛，等.水泥窑协同处置固体废物项目进展[J]. 中国水泥，2016（10）：79～81.

[5]刘 姣，李斯婷，修 莎，等.水泥窑协同处置污泥研究进展[J].环境与生活，2014（14）：224.