水泥窑协同处理生活垃圾方案对比分析
城市生活垃圾处理是城市环境卫生治理的一大难点，而利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾技术在处置成本、污染控制上有明显的优势，是目前实现垃圾减量化、无害化、资源化、能源化的有效手段之一。本文介绍了水泥窑协同处置生活垃圾技术的几种方式和发展历程，并重点对几种协同处置方式进行了对比分析。
一、背景
改革开放以来，随着我国经济的快速发展，人民生活水平迅速提高，城镇化进程不断加快，城市生活垃圾产量一直在增加。近年来，我国的城市生活垃圾排放量以每年10%以上的速度增长[1]，此外，国内存量垃圾堆放量已超过80亿吨，既占用土地又污染环境。另外，由于我国垃圾分类收集重视不够，垃圾基本是混合收集，垃圾含水量高、热值低、有机成分高，垃圾成分随地区、季节等变化较大。
目前，我国城市生活垃圾无害化处理方式包括：卫生填埋、高温堆肥和焚烧，图1为2014年我国垃圾处理方式比例，显示我国仍然以填埋为主[2]。但焚烧凭借其减量效果最明显、无害化最彻底、且焚烧热量可以有效利用的特点，近年来比例上升很快，可以预见，焚烧正逐步成为处理城市垃圾的最主要方式。
与传统的垃圾焚烧相比，焚烧发电所需建设与运营的费用较高，且产生的灰渣需要二次处理。城市生活垃圾单独焚烧后产生的灰渣包括底灰和飞灰，其主要化学成分与水泥原料相似，且具有一定的胶凝活性[3]。利用水泥窑炉焚烧城市生活垃圾，其灰渣直接混入灼烧基生料中，参与熟料煅烧的固相反应，可以既可避免有害物质的排出，又可减少对矿山资源的耗费，真正实现垃圾处理的“三化”目标;利用水泥窑烧成系统代替垃圾焚烧处理工艺的尾气净化系统，简化了处理流程，降低了相应的投资;缓解占地，节省建设投资;化解水泥行业过剩产能，促进绿色转型发展。
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图1 2014年我国垃圾处理方式比例
二、水泥窑协同处置生活垃圾的几种方案介绍及对比2.1国内外水泥窑协同处置生活垃圾的现状
国际上水泥窑协同处置废物技术开始于20世纪70年代，首次试验于1974年加拿大Lawrence水泥厂，随后美国的Peerless、德国Ruderdorf等十多家水泥厂先后进行了试验。截止到目前，在欧洲、北美、日本等发达国家已经有30多年的研究应用历史，在替代燃料研究和生态水泥生产方面积累了许多经验。据统计，2007年荷兰的燃料替代率已达85%以上，2013年日本、比利时、瑞士、奥地利等燃料替代率达50%以上，美国为30%左右。
我国水泥窑协同处置生活垃圾技术推广至今，仅有南京凯盛、海螺、中材、金隅、华新、华润、中信、中建材等几家领先的水泥企业集团和水泥装备集团开展了水泥窑协同处置生活垃圾工作，仅有贵州等少数省份组织推动了水泥窑协同处置生活垃圾工作。目前，全国已建成投产水泥窑协同处置生活垃圾生产线30多条，占水泥生产线的比重不足2%。
2.2水泥窑协同处置生活垃圾的主要方案
水泥窑协同处置生活垃圾的核心是在水泥的生产过程中，充分利用城市生活垃圾中的可燃成分和灰渣材料，结合水泥窑的生产特点，应用适当的技术解决方案，使垃圾减量化、无害化、资源化、能源化。主要的处理方案可以大致进行如下分类：
2.2.1垃圾以固态形式入窑
2.2.1.1将垃圾直接掺入其他物料制成衍生生料或低热值燃料再进行水泥窑处理
该项技术是将生活垃圾制成低热值燃料或者衍生生料，再利用水泥窑处置。生活垃圾进场后，布撒石灰消毒防腐，分选出部分或全部的建筑垃圾后，进行脱水、破碎，然后调整石灰饱和系数，加入改性助烧剂和粘结剂，最终成型。调整石灰饱和系数是通过加生石灰、熟石灰、石粉、电石渣及其它含钙材料中的一种或多种，以使灰渣中能生成适当的硅酸盐矿物、铝酸盐矿物、铁酸盐矿物等，避免水泥熟料质量造成较大波动。
如果目标为低位值燃料，则可加入沥青、焦油、废油、糊精、有机合成胶等胶粘剂，加入硝酸盐、环烷酸盐等为主要组分的助燃剂。如果目标为衍生生料，可加入各种工业废渣、尾矿、含碳原料，如湖南建材院的技术。这种技术路线需要当地能够利用各种可以参与生活垃圾配料的废弃物。
2.2.1.2采用微生物发酵干化制备垃圾RDF以供水泥窑替代燃料
RDF技术是建立专门的生活垃圾预处理厂，对混合生活垃圾进行破碎和发酵干化等系列处理之后，选出可燃部分，对其进行二次的破碎、加入添加剂、成型和筛分，制成RDF。RDF具有含水量低、热值高的特点,可用作水泥工业的替代燃料。主要流程见图2。该技术强化了对混合生活垃圾的预处理，制成的RDF产品在水泥工业的使用可降低企业资源能源的消耗成本，该过程不必对原有水泥窑系统进行太大改造,利于技术推广。
图2 典型的RDF水泥协同处置生活垃圾工艺流程图
2.2.2垃圾焚烧后以气态形式入窑
2.2.1.1炉排炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺(南京凯盛)
图3炉排炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺流程图
垃圾由运输车运送至垃圾坑内储存，垃圾坑采用全密闭负压结构，负压通过垃圾库引风机产生，排出的臭风引入空预器，利用垃圾焚烧的高温烟气加热至220℃作为助燃风。
新鲜垃圾倒入储坑后生物干化后，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里干燥、燃烧、燃尽，焚烧炉燃烧后出口烟气温度为850~950℃，高温烟气通入窑尾分解炉内，与分解炉内的高温烟气混合，然后，从下至上经过旋风筒与自上而下的生料换热。分解炉内燃烧烟气温度大于850℃，停留时间在7秒以上，烟气里的有毒有害物质的分子结构被彻底破坏，从而达到国家排放标准排放。炉排炉排出的炉渣经除铁后，送入水泥原料磨作为水泥原料，实现资源的循环利用，重金属有害元素经回转窑高温煅烧后固溶在熟料里。
垃圾在储存过程中生成的渗滤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。
2.2.1.2垃圾焚烧气化炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺(海螺)
CKK技术是在水泥窑系统外建立平行的垃圾焚烧气化炉，然后将焚烧后的烟气和炉渣导回窑系统中处置。主要流程见图4。整个生活垃圾处置过程在封闭式负压环境中进行，无粉尘和臭气的泄露的问题，垃圾焚烧产生的烟气经过窑系统的高温分解和高效除尘系统浄化后可达标排放，炉渣可作为替代生料被固定于水泥熟料中，或作为混合材而最终被固定在水泥混凝土中。
图4 垃圾焚烧气化炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺流程图
2.2.1.3回转式焚烧炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺(合肥院)
垃圾由垃圾专用车运输进厂后先经地衡进行称重，再运输至卸料平台，经卸料门卸至垃圾贮坑储存，并由抓斗将垃圾按进厂时间在池内分开堆放，再由垃圾吊车和抓斗将垃圾运送到垃圾料斗，经垃圾推料器，把垃圾均匀喂入回转式垃圾焚烧炉;从窑头抽取的887℃热风作为焚烧炉燃烧气体，垃圾燃烧后的热烟气进窑尾系统，垃圾在焚烧炉内的焚烧温度控制在1200℃左右，在此温度段垃圾焚烧气停留2秒，在850℃以上温度停留5秒以上;气体进入预热分解系统后，与生料进行热交换，同时分解部分有害物质，做到垃圾处理的资源化、无害化、减量化。流程图见图5所示。
图5回转式焚烧炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺流程图
2.2.1.4热盘炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺(丹麦史密斯)
热盘炉的工艺流程和结构如图6所示，其底部设有可调节转速的圆形炉盘(1～4r/h)，可燃废弃物(垃圾)通过计量后进入炉内。窑三次风、部分高温生料和可燃垃圾一同进入热盘炉内，在慢速旋转的圆盘上开始充分地氧化燃烧，从物料进口到炉渣和生料混合物卸出，在圆盘上大约要运转270°。卸出的残渣向下落入窑尾，细小的飞灰和生料则随1050℃左右的高温气体进入分解炉。按可燃垃圾的性质，调节圆盘的转速，使其能在炉内有足够的时间，达到充分燃烧的目的。当烧成系统出现意外故障时，设在热盘炉上方的冷生料仓可以直接放入生料进炉，阻断垃圾燃烧，使热盘炉上的火很快熄灭，避免水泥窑系统不正常时环保超标排放。
图6热盘炉与水泥窑协同处置生活垃圾工艺流程图
2.2.3垃圾气化工艺比较
三、结语
水泥窑协同处置生活垃圾可充分利用垃圾自身的热量和燃烧后的灰渣，与水泥生产工艺有机结合，大大减少了传统垃圾焚烧发电项目的环保运营成本，最大程度的实现垃圾处理的减量化、无害化、资源化、能源化，使垃圾“变废为宝”。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，未来必将成为垃圾处理的优选方式之一。
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