水泥窑协同处置城乡生活垃圾工艺技术

2018-10-12高敏

水泥技术 2018年5期

高敏

1 前言

随着我国城乡一体化的快速发展，生活垃圾的产生量逐年增多，对环境造成的危害也越来越严重，目前利用水泥窑协同处置生活垃圾已成为我国生活垃圾处置的重要发展方向。我国水泥行业发展迅速，技术先进，采用水泥窑协同处置城市生活垃圾已有多年的实践经验，具备广泛处置城乡生活垃圾的物质和技术条件。将城乡生活垃圾处置与水泥工业的可持续发展相结合，是低成本、大规模处置城乡生活垃圾的重要措施，也较为适合我国国情。

2 城乡生活垃圾一体化收运体系

目前城镇生活垃圾收运体系已基本成熟，形成了集“垃圾收集—收集站中转—转运站运输—终端处置（卫生填埋、水泥窑协同处置）”于一体的生活垃圾收运处置模式，实现了城镇生活垃圾的“日产日清”。但农村垃圾收运工作处于起步阶段，农村地区面积较大、人口多，且村庄分布相对分散，生活垃圾收集、转运路线曲折，这严重制约了垃圾的有效收集、处置；农村生活垃圾未实行源头分类，且受地理位置、交通状况、经济发展水平等因素影响，生活垃圾处置水平差异较大。总而言之，乡村地区生活垃圾的收运基本处于无体系管理状态，末端处理以简易填埋为主，且存在随意丢弃现象，因此有必要建立城乡生活垃圾一体化收运体系，并利用水泥窑协同处置的方法完成城乡生活垃圾的资源化利用与无害化处置。

针对乡村的特点，可建立乡村生活垃圾四级收运体系，具体收运模式如图1所示。

从图1可以看出，乡村生活垃圾收运系统运行方式为：村庄垃圾收集点➝村庄生活垃圾收集站➝乡镇生活垃圾转运站➝终端处置系统（城乡生活垃圾预处理中心、水泥窑协同处置）。乡村生活垃圾收集完成后运输至城乡生活垃圾预处理中心，预处理完成后通过水泥窑系统完成资源化利用与无害化处置。

图1 某市农村生活垃圾收运方式流程图

3 水泥窑协同处置城乡生活垃圾预处理技术

水泥窑协同处置固废的范围较为广阔，包括城乡生活垃圾，但同时需要对城乡生活垃圾进行适当的预处理，以满足水泥窑协同处置的运行要求。

3.1 城乡生活垃圾的基本特点

城乡生活垃圾由城镇生活垃圾和乡村生活垃圾两部分构成，其成分复杂，主要包括废纸、废塑料、废橡胶、竹木、砖瓦、玻璃及石块等。同时，乡村生活垃圾的成分与城镇生活垃圾的主要成分差异较大，而且在采暖季与非采暖季的差异也较大，主要差异见表1、表2。

从表1、表2可以看出，城镇与乡村生活垃圾的组分差异较大，乡村生活垃圾中厨余垃圾含量较高，在采暖季灰渣含量较高。因此，生活垃圾预处理系统必须适应城乡生活垃圾成分的复杂性和多样性。

3.2 城乡生活垃圾梯级分选预处理系统

城乡生活垃圾梯级分选预处理系统针对城乡生活垃圾的特性开发，通过多级破碎、梯级分选等工艺过程将城乡生活垃圾分为三部分，包括：有机可燃物、腐殖物渣土、无机重质物（灰渣、砖瓦、玻璃及石块等），主要工艺如图2所示。

表1 某市城镇生活垃圾组分

表2 某市乡村地区生活垃圾组分分析，%

图2 城乡生活垃圾预处理工艺

从图2可以看出，该工艺系统特点主要体现在以下方面：

（1）城乡生活垃圾经过预处理后将生活垃圾分选为三部分：初级RDF、腐殖物渣土、无机重质物，无机重质物经破碎处理后与腐殖物渣土一起送入水泥窑SPF焚烧系统，实现生活垃圾“零填埋”。

（2）风选所得到的有机可燃物经过进一步多级破碎处理，将有机可燃物制成初级RDF，在制备过程中未加入任何添加剂（石灰粉、煤粉等），未经过烘干、成型等传统工艺，简化了处置方法。

（3）有机可燃物经过多级破碎形成粒径≯25mm的初级RDF，为后续的终端处置奠定了良好的基础。

目前城乡生活垃圾梯级分选预处理系统已实现工程化应用，获得了良好的效果，城乡生活垃圾经过预处理后的筛下物、无机重质物及初级RDF的形态如图3所示。

图3 生活垃圾预处理成品形态

4 水泥窑资源化利用与无害化处置城乡生活垃圾技术与装备

新型干法水泥窑烧成系统是完成城乡生活垃圾资源化及无害化处置的重要终端，在水泥窑烧成系统中，各组分矿物通过熟料固相反应，生成了新的矿物——水泥熟料，同时完成了生活垃圾的焚烧和热回收，实现了水泥窑协同处置城乡生活垃圾的资源化与无害化。本文所述的水泥窑资源化利用与无害化处置城乡生活垃圾工艺技术包括三部分，即RDF水泥窑喷射系统、SPF炉水泥窑焚烧系统和水泥窑协同处置生活垃圾二次污染控制技术。

4.1 RDF水泥窑焚烧系统工艺技术及装备

RDF水泥窑焚烧系统所处置的物料为城乡生活垃圾预处理后所得到的初级RDF（≤25mm），通过多通道燃烧器（带RDF通道）将RDF在窑头喷入回转窑内，在回转窑内高温烟气（1 700～1 800℃）的作用下，废弃物迅速焚化，灰分熔入水泥熟料中，实现废弃物的资源化利用和无害化处置。主要生产工艺流程如图4所示，主要装备包括RDF计量与输送系统、带RDF通道的多通道燃烧器，分别如图5、图6所示。

图4 RDF水泥窑焚烧系统工艺流程

图5 RDF计量与输送装置

图6 水泥窑窑头燃烧器

从图4可以看出，RDF水泥窑焚烧系统包括RDF的储存、输送、计量及喷射入窑，在储存中采取了多种废弃物集中存储的方式，并保持厂房微负压状态，所抽取的异味气体进入异味气体集中处置系统，采用TiO2催化除臭-活性炭吸附的组合处置方式，处置达标后排放。RDF计量与输送装置针对RDF水分较高易粘堵的特点开发，主要包括计量缓冲仓、仓底卸料器、定量供给机及输送锁风阀（见图5）。RDF输送至计量缓冲仓后，通过仓底卸料器的强制卸料将RDF喂入定量供给机内，定量供给机采用失重计量与强制卸料的方式，经过计量后的RDF通过管道输送至窑头燃烧器（见图6）喷射入窑，在定量供给机与输送管道之间设有输送锁风阀，以防止输送气体阻碍RDF卸料。

4.2 SPF炉水泥窑焚烧系统技术与装备

SPF炉水泥窑焚烧系统针对城乡生活垃圾预处理系统中的腐殖物渣土特性开发。腐殖物渣土成分复杂，包括灰土、小石块、砖瓦、玻璃等无机物，也包括部分消化的有机腐殖物与碎片化的塑料与纸片，而且有机碎片与无机灰土处于粘附状态，既不能喷射入窑，也不能作为替代原料直接入磨，因而腐殖物渣土需要较长的焚烧时间。在水泥窑协同处置的过程中SPF炉水泥窑焚烧系统可以满足腐殖物渣土的焚烧处理，同时具有广泛的适应性。具体的工艺流程及装置见图7、图8。

图7 SPF炉水泥窑焚烧系统工艺流程

从图7可以看出，SPF炉水泥窑焚烧系统包括废弃物储存、废弃物输送与喂料、SPF焚烧炉（由SPF预燃炉和水泥窑分解炉组成）及灰渣冷却器。其主要工艺过程包括：

（1）废弃物储存、输送及喂料。腐殖土灰渣（固体废弃物）经计量后通过管状皮带机输送至水泥窑窑尾废弃物焚烧系统，通过双层锁风系统后，废弃物被喂入SPF预燃炉内。

（2）在SPF预燃炉内，采用高温三次风（≥850℃）作为助燃空气，并设置了辅助燃烧器，将炉内的温度控制在850～1 100℃；通过调整SPF预燃炉推杆的运行周期，灵活地调节废弃物在炉内的焚烧时间。根据实际焚烧要求，可以在2～30min的范围内调整焚烧时间，以适应腐殖物渣土的焚烧要求，同时满足其他废弃物的焚烧要求。腐殖物渣土在SPF预燃炉内焚烧完全后，烟气进入分解炉内进一步焚烧，而灰渣则进入冷却器。

图8 SPF推动式预燃炉

（3）在灰渣冷却器内，通过逆流换热，灰渣被冷却，冷却空气被加热后进入分解炉，完成冷却后的灰渣则被直接喂入生料磨系统，参与生料配料，完成资源化利用。

目前RDF水泥窑焚烧系统工艺技术及SPF炉水泥窑焚烧系统工艺技术及装备在某水泥生产线上（5 000t/d）已实现工程化应用，获得了良好的效果。RDF水泥窑焚烧系统处置能力可达5t/h，SPF炉水泥窑焚烧系统处置能力可达15t/h，水泥生产线运行稳定，熟料质量合格，产量稳定，与未处置生活垃圾时保持一致。

4.3 水泥窑协同处置生活垃圾二次污染控制技术

二恶英是生活垃圾焚烧处置过程中的典型污染物，其“顽固”的特性和剧毒的特点使二恶英的排放成为生活垃圾焚烧处置污染物排放的关键指标，同时受到公众的广泛关注。因此有效阻断二恶英的二次污染是生活垃圾焚烧处置污染物控制的重点。本文所介绍的阻断二恶英二次污染的工艺方法主要包括：对有机物进行充分的高温长时间的焚烧，使合成二恶英的有机前驱体被焚毁；固化重金属离子，降低烟气中重金属离子的含量；在二恶英后合成温度区间快速降温；使用水泥窑窑尾高效袋收尘器。具体体现在如下工艺过程中：

（1）在窑头RDF水泥窑焚烧系统中，RDF直接喷入回转窑内。在窑头高温区，烟气温度高达1 700～1 800℃，焚烧后的烟气在≥1 200℃的环境中停留时间已达6s以上，实现了对有机物的高效焚毁。焚烧后的灰渣落入水泥熟料中，参与水泥熟料固相反应，重金属离子熔入水泥熟料的晶格中，完成了对重金属离子的固化，大幅降低了烟气中重金属离子的含量，降低了二恶英后合成的催化能力。

（2）在窑尾SPF炉水泥窑焚烧系统中，废弃物在SPF预燃炉内完成焚烧，焚烧后的烟气及细颗粒物进入分解炉。在分解炉内，活性CaO的浓度高达0.5kg/m3（标），脱氯效果明显，烟气温度＞850℃，烟气停留时间约为6s。可见，SPF系统在烟气气氛、烟气温度及高温停留时间方面，均远远高于其他生活垃圾焚烧装置（包括垃圾焚烧发电）烟气净化系统。

（3）焚烧后的烟气进入窑尾预热器系统后，在二恶英的后合成温度区间，水泥生料粉与烟气快速换热，烟气温度迅速下降，实现了烟气的急冷。

（4）新型干法水泥生产线窑尾收尘器已普遍使用高效袋收尘器，满足烟气处置的要求。

通过检测实际生产线，证实了窑头RDF水泥窑焚烧系统和窑尾SPF炉水泥窑焚烧系统对二次污染均具有良好的阻断效果，实际检测结果如表3所示。