中國水泥工業(yè)廢棄物利用與可持續(xù)發(fā)展
中國水泥工業(yè)廢棄物利用與可持續(xù)發(fā)展
俞為民
一、資源、能源、環(huán)境是資源水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素
水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)原材料工業(yè)，在生產(chǎn)過程中會(huì)消耗大量的資源和能源，同時(shí)產(chǎn)生大量的CO2。2008年我國水泥總量約14億噸，消耗石灰石約16億噸，標(biāo)準(zhǔn)煤約1.6億噸，占全國能源消耗總量的6.0%，年排放CO2總量9.3億噸，約占全國排放總量13%。
在水泥生產(chǎn)過程中，可大量利用冶金、化工、煤炭、電力、汽車以及建筑等行業(yè)產(chǎn)生的多種工業(yè)廢棄物，資源化利用和無害化處置城市生活垃圾、下水道污泥等生活廢棄物，這在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)鏈中占有很重要的地位。因此，國家發(fā)改委在已頒布《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》指出：“國家鼓勵(lì)和支持企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)……鼓勵(lì)和支持利用在大城市或中心城市附近大型水泥廠的新型干法水泥窯處置工業(yè)廢棄物、污泥和生活垃圾，把水泥工廠同時(shí)作為處理固體廢物綜合利用的企業(yè)。”
優(yōu)質(zhì)資源日益減少、能源價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，環(huán)境壓力越來越大等是目前制約中國水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，而利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物，是水泥工業(yè)未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。
二、利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物是未來發(fā)展方向
1、水泥窯處置廢棄物具有以下優(yōu)勢特點(diǎn)：
（1）處理溫度高。水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度在1,350～1,650℃（最高的氣流溫度可達(dá)1,800℃或更高），對(duì)有害物的熱解更加完全，即使是很穩(wěn)定的有機(jī)物也能完全焚燒裂解。
（2）焚燒空間大，水泥窯不僅可以接受處理大量的廢料，而且可以維持均勻的、穩(wěn)定的燃燒氣氛，滿足了燃燒空間紊亂度，確保達(dá)到完全燃燒。
（3）焚燒停留時(shí)間長。由于水泥回轉(zhuǎn)窯筒體長，物料在窯中高溫下停留時(shí)間長，氣體在窯內(nèi)停留時(shí)間也在8秒以上，是其他窯爐所無法比擬的。
（4）水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)呈堿性氣氛。一方面能對(duì)燃燒后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)（如HCl、SO2和CO等）起中和作用，使它們變成鹽類固定下來，可減少或避免一般焚燒爐燃燒后產(chǎn)生“二惡英”的現(xiàn)象，另一方面也使有害廢料中可能存在的金屬元素（包括重金屬），固定在氧化物固體中，使焚燒后的殘?jiān)蔀闊o害鹽類，固定在水泥熟料中而不存在焚燒灰的處理問題。
（5）水泥回轉(zhuǎn)窯是負(fù)壓狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，煙氣和粉塵很少外溢。
（6）從處理費(fèi)用來看，焚燒設(shè)備與部分尾氣處理設(shè)備與水泥生產(chǎn)設(shè)備共用，比專業(yè)焚燒爐節(jié)省投資。
2、水泥廠處置廢棄物的必須遵循以下基本原則：
首先，必須擁有合法的許可證，接受當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)部門的指導(dǎo)監(jiān)督。
其次，水泥廠的主要任務(wù)是生產(chǎn)水泥，因此在使用廢棄物時(shí)，必須保證水泥性能、生產(chǎn)過程和環(huán)境等方面不受大的影響。
第三，水泥工廠在處理有毒有害廢物時(shí)，應(yīng)認(rèn)真做好在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、投料操作、焚燒等過程中的安全防范工作，完善各項(xiàng)應(yīng)急措施，避免發(fā)生對(duì)人員的傷害事故并且必須確保不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生額外的污染。
3、水泥窯協(xié)同處置廢棄物的主要技術(shù)手段：
廢棄物當(dāng)燃料時(shí)，主要可在以下三個(gè)地方進(jìn)行處理：首先在窯頭，由于窯頭溫度熱值一般在1700-1800℃，因此廢棄物可處置得很徹底，燃燒肯定也非常完全。但窯頭的處置依然存在局限性，由于窯頭1700℃度要求的是平衡問題，當(dāng)廢棄物熱量不大或燃料水分比較高時(shí)，這時(shí)加進(jìn)的廢棄物是需要降溫的，一旦降溫，水泥窯就處理不了，因此，實(shí)際上它是不能處置的。因此，窯頭可處置一些熱值比較高的，分散性能較好的液體或固體小顆粒，比如微量劇毒或少量垃圾等。
其次，在窯尾的處置，指的是在窯尾口而不是分解爐口上，由于窯尾沒有分散性，廢棄物加進(jìn)去就隨窯走了，因此，只適合處置少量大塊的比較難以處理的廢棄物。比如經(jīng)切割后的輪胎或不用切割的小汽車輪胎等，此外還有沾濕物料，比如污泥。
最后一個(gè)是在分解爐處置這一塊，由于分解爐的處置只需要900℃就夠，而煤粉溫度可達(dá)1600℃，平衡熱量后還有大量的富于熱量，低熱值的物料加進(jìn)去后，煤粉還能維持到900℃以上，這部分的處置比在窯內(nèi)好，由于窯內(nèi)燃燒必須在2秒內(nèi)完成，而在分解爐內(nèi)即使7-8秒內(nèi)燒不完也沒關(guān)系，且爐內(nèi)燃燒空間比較大，因此，可處置一些低熱值，比較分散的小顆粒物等。
水泥工業(yè)在自身的發(fā)展中，正不斷探索和加大利用其他行業(yè)的各種工業(yè)廢棄物。其中在處置利用工業(yè)廢渣方面，主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：
（1）替代原料：電石渣、赤泥、堿渣等作為水泥生產(chǎn)的鈣質(zhì)原料，硅石廢料、石英砂巖尾礦、鑄造砂等作為硅質(zhì)替代原料；粉煤灰、煤矸石、河水淤泥、水廠及污水處理廠的污泥等可作鋁質(zhì)校正原料，鋼渣、硫鐵礦尾礦、赤鐵礦尾礦則是良好的鐵質(zhì)替代原料。
（2）替代混合材：礦渣、粉煤灰、鋼渣大量作為水泥混合材。此類無機(jī)廢物的利用技術(shù)目前發(fā)展已經(jīng)很成熟，基本實(shí)現(xiàn)了市場化運(yùn)行，產(chǎn)廢工業(yè)部門與水泥生產(chǎn)企業(yè)通過廢物向水泥生產(chǎn)原料轉(zhuǎn)化的物料流向，形成初步的產(chǎn)業(yè)協(xié)作，并在此基礎(chǔ)上形成部分產(chǎn)業(yè)伴生或者協(xié)作的聯(lián)盟。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國水泥工業(yè)利用工業(yè)廢棄物作為混合材利用已經(jīng)達(dá)到約250kg廢渣/t水泥，利用工業(yè)廢棄物的原料替代達(dá)到70~80kg廢渣/t水泥。噸水泥的廢棄物替代量約320kg。
（3）替代燃料：在發(fā)達(dá)國家替代燃料的利用率接近50％。部分水泥廠甚至可以100％使用替代燃料。和原料替代及混合材利用的大規(guī)模普及相比，我國水泥工業(yè)在廢物替代燃料利用方面發(fā)展相對(duì)較滯后。
在利用其他工業(yè)產(chǎn)生的可燃廢棄物作為水泥工業(yè)替代燃料利用上，目前國內(nèi)較為典型的案例：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)的廣州市越堡水泥有限公司利用水泥窯廢熱干化600t/d市政污泥并利用干化市政污泥替代燃料。珠江水泥廠利用皮革工業(yè)廢物作為替代燃料上海萬安集團(tuán)利用廢機(jī)油、廢溶劑、生活垃圾分選物作為替代燃料。
三、有關(guān)天津水泥院在水泥窯處置廢棄物技術(shù)方面的介紹
天津水泥院在從事水泥窯協(xié)同處置廢棄物的技術(shù)研究與裝備開發(fā)已有十多年的歷史，目前已有成熟的技術(shù)投入工程應(yīng)用。其中北京水泥廠有限責(zé)任公司處置10萬噸城市有毒有害危險(xiǎn)廢物示范工程年處理廢物是天津水泥院2004年承接的開發(fā)設(shè)計(jì)工程。該示范工程依托北京水泥廠有限責(zé)任公司日產(chǎn)3000tpd水泥熟料生產(chǎn)線，依據(jù)工業(yè)廢物的不同特點(diǎn)分別作為替代原料、替代燃料、處置等不同模式實(shí)現(xiàn)處理。
下圖為北京水泥廠有限責(zé)任公司處置10萬噸城市有毒有害危險(xiǎn)廢物示范工程年處理廢物種類的表格介紹：
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該工程建設(shè)有廢棄物的預(yù)處理中心和焚燒系統(tǒng)，其中預(yù)處理中心的主要任務(wù)有：
1）破碎粒度過大的廢棄物達(dá)到廢棄物處置粒度的要求；
2）對(duì)不同的物料完成混合調(diào)質(zhì)均化達(dá)到穩(wěn)定成分的要求；
3）通過物料搭配調(diào)整水分含量和良好的可塑性等三方面的要求。
固體、半固體廢棄物處理流程
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廢棄物焚燒
示范線焚燒系統(tǒng)依據(jù)廢棄物特性及處置的要求，確定不同廢棄物進(jìn)入水泥窯系統(tǒng)的不同部位和不同方式，充分利用窯的熱負(fù)荷強(qiáng)度進(jìn)行廢棄物的最高效、安全處理，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）可使帶熱值的廢棄物或特危廢棄物從水泥窯窯頭噴射入窯內(nèi)高溫區(qū)域，焚燒處置。
2）考慮到某些難燃的或者大塊的物料的處理，廢棄物也可以自動(dòng)化地從窯尾煙室投入。3）該示范線另一特色是把水泥生產(chǎn)分解爐和廢棄物處置爐合二為一，進(jìn)行廢棄物處置。
2、天津水泥院利用水泥窯處置污泥的技術(shù)
１）污泥的處置
環(huán)境問題是污泥處置在目前主要面臨的難題，因?yàn)槲勰嗟乃指、氣味重、重金屬高，且目前污泥大部分的處理方式為堆肥、填埋。但由于污泥中重金屬富集，長期采用此種方式將使土壤嚴(yán)重貧化，同時(shí)大量土地被占用而浪費(fèi)。
污泥焚燒處置不僅是一種有效降低污泥體積的方法，焚燒的技術(shù)優(yōu)勢在于其處理的徹底性——減量率可達(dá)到95%左右，有機(jī)物被完全氧化，重金屬(除汞外)幾乎全被截留在灰渣中。因此，焚燒處置污泥是解決日益增長的污泥量的有效方法。但污泥的水分、熱值、灰分特性與水泥生產(chǎn)及余熱利用的協(xié)調(diào)問及污泥中氯、硫、重金屬等有害組分，對(duì)水泥生產(chǎn)的影響及控制是利用水泥窯處置需解決的關(guān)鍵問題。
2008年天津水泥院開發(fā)設(shè)計(jì)了國內(nèi)最大規(guī)模利用水泥窯處置濕污泥工程——廣州市越堡水泥有限公司利用水泥窯處置工業(yè)污泥工程：該項(xiàng)目新建一座日處理含水分80％污泥600噸的干化處置中心，干化后含水小于30%的半干污泥通過新建的接口設(shè)備在6000t/d水泥熟料生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)中焚燒處理。年處理污泥18.9萬噸，約相當(dāng)于廣州市2006年污泥總產(chǎn)量的50%。該示范工程已于2009年3月投入運(yùn)行。
污泥處置流程
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污泥干化采用的熱源來自現(xiàn)有的熟料生產(chǎn)線預(yù)熱器出口廢熱煙氣，通過風(fēng)機(jī)鼓入干燥機(jī)干燥室進(jìn)口。需要干化的濕污泥由專用的輸送裝置送至污泥儲(chǔ)料小倉，然后送到干燥機(jī)干燥塔氣固兩相進(jìn)行對(duì)流型干燥。完成熱交換后的污泥和煙氣一起進(jìn)入袋收塵器，收塵后的干泥污泥顆粒送入成品污泥儲(chǔ)倉；尾氣經(jīng)處理后排放；流程簡單，處置徹底。
２）每年節(jié)省1.5萬噸標(biāo)煤
該項(xiàng)目若處置干基熱值3000×4.1816kcal/kg的污泥,可使水泥生產(chǎn)每年節(jié)省1.5萬噸標(biāo)煤。
利用水泥工業(yè)新型干法窯技術(shù)處理城市廢棄物，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的具體表現(xiàn)，具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)和廢棄物處理產(chǎn)業(yè)“雙贏”的有效途徑。
盡管利用水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢棄物在中國屬于起步階段，但北京水泥廠有限責(zé)任公司、廣州越堡水泥有限公司、上海萬安集團(tuán)等水泥企業(yè)在這方面已取得了比較成功，目前已經(jīng)形成了區(qū)域內(nèi)的標(biāo)桿，對(duì)水泥行業(yè)開展可燃性廢物的協(xié)同處置利用提供了很好的借鑒。
水泥工業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展，必須走資源、能源節(jié)約型、環(huán)境友好型的發(fā)展道路。與此同時(shí)，按照政府推動(dòng)、企業(yè)主導(dǎo)、公眾參與的思路，積極而穩(wěn)妥地大力推進(jìn)利用水泥回轉(zhuǎn)窯處置和利用廢棄物技術(shù)的應(yīng)用推廣。不僅推動(dòng)水泥產(chǎn)業(yè)自身的發(fā)展，同時(shí)，也將為我國節(jié)約資源、能源和環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
（俞為民：單位:天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司）
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