水泥窑协同处置工业固体废物的研究进展*

马名妍，张泽新，李其彦，孙 艳，魏 薇，李英华

(吉林化工学院，吉林 吉林 132022)

工业固体废物是指工业生产活动所产生的固体废物。根据对环境和人类生命的破坏程度，工业固体废物分为一般工业固体废物和危险废物[1]。工业固体废物具有长久性、持久性以及易于转化为污染物的特点，会通过某种途径对水、空气、土壤以及生态环境造成破坏，从而对人类造成危害。而伴随着工业的不断发展和城市化建设的不断推进，工业固体废物的产生量和种类日益增多，因此需要对工业固体废物进行合理的处理和处置。近年来，相关的科学技术在不断发展，减少工业固体废物产生量的同时，综合利用率也在持续增加。2019年，我国196个大、中城市一般工业固体废物产生量达13.8亿吨，综合利用量占总量的55.9%；危险废物产生量达4498.9万吨，综合利用量占总量的47.2%，但是距离国家“十四五”大宗固体废物的综合利用率达到60%的目标还有一定的距离。所以，我国亟需加大投入，加强管理，持续推进工业固体废物的无害化，资源化和减量化。

1 工业固体废物的处理处置现状

20世纪70年代以来，西方许多发达国家的环保产业逐步兴起。在工业固体废物处理处置方面，经过近40年的理论研究和大量的实践得到很大的发展，对我国当前工业固体废物处理处置产业的发展、环境管理质量的提高起到了很好的借鉴作用[2]。

1.1 工业固体废物的主要处理技术

根据工业固体废物产生量及物质流分析结果，我国对工业固体废物进行分类别处理[3]：

(1)物理处理技术：主要包括拣选、浮选、重选、磁选、摩擦以及弹跳分选等分离技术，对固体废物进行物理方法的处理。

(2)化学处理技术：主要用来处理无机废弃物，如酸、碱、氰化物、乳化油以及重金属废液等，通过使用化学中和、氧化还原等化学手段对工业固体废物进行处理。

(3)固化稳定化技术：主要用于处理不适合焚化或无机处置的废物。为了实现减少固体废物的毒性和运输的目标，一般将固体废物包封或固定在惰性固体基质中，以降低包含来自固体废物的所有污染物的危害。

1.2 工业固体废物的主要处置技术

固体废物处置技术解决的是固体废物的最终性质问题，也是控制固体废物污染的最终环节，比较典型的工业固体废物处置技术有如下几种[4]：

(1)焚烧处置技术：是通过焚烧废弃物中的有机物，用以缩减废弃物的体积，主要用于处理高热值和高毒性的危险废物。焚烧后废物的体积可减少到原来的5%～20%，实现了废物的无害化处理，但是耗能高效益差。

(2)高温堆肥技术：是采用半坑式堆积法和地面堆积法堆置，这两种方法都需要利用好氧微生物。高温堆肥技术针对一般可降解有机固体废物，可以实现资源化利用，但是效率低周期长。

(3)固体废物热分解技术：是指在无氧或缺氧条件下，使用可燃性工业固体废物在高温下进行分解，最终成为可燃气体的过程。该过程实现减量化的同时也可以实现资源再利用，但是投入产出比还不够理想。

2 水泥窑协同处置技术特点及优势

水泥窑协同处置技术是一种非常有效的固体废物处理处置技术，可以应用于各种固体废物，如生活垃圾、市政污泥、矿渣、工业油泥等，尤其适用于规模较大的工业固体废物。通过水泥窑协同处置，具有高热能的固体废物可以代替燃料，含有矿化物质的固体废物可替代部分水泥原材料，实现固体废物“三化”的同时，达到减少不可再生资源使用的目的。

2.1 新型水泥窑协同处置技术的特点

新型水泥窑协同处理技术不仅具有专业焚化炉的基本特征，还具有如下技术特点[5-7]：

(1)温度高。水泥窑炉中温度约为1650～1800 ℃，传统的专业焚化炉无法达到该温度。固体废物中有害的成分可以在高温下完全焚化，甚至稳定的有机物也可以完全分解。

(2)停留时间长。物料从窑尾到窑头的总停留时间超过 30 min，大于1300 ℃的时间超过6 s，因此固体废物滞留在窑中的时间更长。由于停留时间长且与空气接触，从而使固体废物能够分解得更加彻底充分。

(3)空间大。一般回转窑体通常直径为3～5 m，长度为 45～100 m，较大的焚烧空间保证了水泥窑中相对稳定、均匀和连续的焚化条件，具有更大的固体废物处理能力。

总之，新型水泥窑协同处置技术可以保证工业固体废物处置的效率大幅度提高。

2.2 与传统工业固体废物处置技术的比较

与传统工业固体废物处置技术相比，水泥窑协同处置的优势显而易见[8-10]。

(1)技术优势：水泥窑协同处置技术是直接利用水泥窑生产水泥工艺的高温，且温度远高于传统焚烧装置的温度。另外，该技术能够在不影响水泥生产的同时完成大规模固体废物的综合处置和利用。

(2)成本优势：水泥窑协同处置主要包括原始场地和生产线的改造，添加预处理设备、投料和其他设备，以及以资源利用为基础的联合处理场所。投资少，建设周期短。只需要在原有的水泥厂作部分设施和流程的改动，不需要新开发一部分用地。水泥窑协同处置同类废物的成本比焚化和垃圾掩埋的价格便宜得多，具有明显的价格优势，因此更加受废物产生单位的欢迎。

(3)环保优势：水泥窑协同处置的高温使得绝大部分有机物完全分解，并减少二噁英的产生机会，其含量远远低于国家相关标准；焚烧后固体残余物得到完全处理，不产生额外的固体废物；处置后的大多数重金属固化在水泥熟料中，使得窑尾废气中的重金属排放量很少。该技术还可以实现部分替代原料，或者替代部分燃料，从而减少不可再生资源的消耗和能耗。

水泥窑协同处置虽然优势明显，也存在一些约束条件，在产业化之前需要进行充分论证。首先，水泥生产受产业政策、市场供求，北方地区还会受到冬季市场影响，尤其是危险废物的处理主要取决于水泥窑协同处理的区域。其次，与一部分发达国家相比，我国在技术规格和法律法规方面还需要进一步改进。如，固体废物中Cl、S和重金属的含量过多会对水泥窑生产稳定性和产品质量带来一定影响；缺乏高效率分拣技术和污染物分类和开发集合技术；固体废物燃烧的效率有待提高，从而影响了对水泥窑有毒物质排放等等，需要进一步加强水泥窑协同处置技术的系统研发。另外，从水泥加工企业本身的角度来看，现有许多企业尚未建立起规模体系，存在研发能力差、实践经验少、专业技术人员缺的条件不足[11]。

2.3 水泥窑协同处置工业固体废物的发展

随着水泥窑协同处置技术的发展，使之在工业固体废物利用领域涌现了越来越多的应用。在发达国家，水泥窑协同处置俨然已经成为固体废物和危险废物处置的主要措施之一。德国最早利用水泥窑协同处置和垃圾发电产生能源来处理焚烧垃圾，另外水泥工业的燃料替代率也呈现增长趋势。同时固体处置产业链也很完善，从企业固体废物中分离出来热量高的废弃物，用以燃烧、破碎、再输送到水泥厂，以减少焚烧时燃料的使用率。日本的水泥工业在20世纪80年代就已经从其他产业纳入大量的废弃物和副产品，逐渐采用的废弃物有铸造业的铸型废砂、重油废渣、废弃油、废塑料、废木材等[12]。目前，水泥窑协同处置技术已经成为发达国家普遍采用的处置技术，大概有三分之二的水泥厂可以进行固体废物的协同处置。

在国内，北京水泥厂有限公司1988年建立了首个工业危险废物环境保护示范基地，成为我国第一家使用水泥回转窑处理油墨、树脂、油漆等有机危险废物的公司[13]。湖北华新水泥股份有限公司2010年建成了利用水泥窑协同处置三峡库区漂浮物项目,日接受处理能力1000 m3，年处理能力达30万m3，为三峡库区提供了安全又环保的终端处理[14]。在一些先进的领域，水泥窑协同处置技术已迅速发展，促进固体废物处置技术设备的开发和污染控制技术应用。在此基础上，环境保护部于2016年发布了《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》，在全国范围内推广水泥窑协同处置危险废物的应用[15]。目前已有多家水泥生产企业获得危险废物经营许可证，扩展了协同处置固体废物的种类和能力。如，江西亚东水泥有限公司2018年开始利用水泥窑协同处置造纸废弃物，2019年申请新增协同处置危险废物5万t/a[16]；吉林金隅环保科技有限公司2016年提出了利用现有4500 t/d水泥熟料生产线回转窑协同处置工业固体废物，2019年7月申请增加危险废物种类到17大类，年处置规模为6万t[17]；江苏溧水天山水泥企业2021年建成了年处置10万t的水泥窑协同处置危险废物项目[18]。这些项目的投产真正实现了一般工业固体废物和危险废物的规模化处置，正在成为解决我国工业固体废物的主力军。

3 结 语

水泥窑的协同处置为工业固体废物的无害处理和资源综合利用打开了一种新的方式，实现了工业固体废物的“三化”处置，符合我国发展循环经济的要求，因此有必要积极开展这项技术的研发和应用。为推广这项技术，在实际应用过程中，政府还需要提供政策支持，同时也需要考虑到相关技术规范和标准的改进，促进水泥窑协同处置技术的推广和应用。