水泥窑协同处置废弃物技术研究及工程实例

1水泥窑协同处置废弃物原则及特点国家科技支撑项目2008BAJ05B03工业及城市废弃物在水泥窑中的4520114CHINACEMENT水泥窑协同处置废弃物技术研究及工程实例胡芝娟，李海龙，赵亮，沈序辉，郑金召（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400）20世纪70年代初以来，欧洲、日本、美国、废弃物作为替代燃料和原料（AFR）在水泥窑中成功地进行了协同处理。水泥窑协同处置废弃物，主要利用水泥高温煅烧窑使用替代性燃料和原料能减少废弃物对环境的影炉焚烧处理废弃物。在焚烧过程中，有机物彻底分解无响，能安全地处置危险废弃物，能减少温室气体排放，减害化，产生的热量被水泥生产回收，实现能量利用的最少废弃物处理成本，降低水泥工业生产成本。大化，灰渣作为水泥组分直接进入水泥熟料产品中，实在巴塞尔公约的条文中，水泥生产过程中危险废现资源化的同时做到废弃物的彻底减量化。弃物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方11水泥生产工艺简介法。这说明了水泥生产过程中对危险废弃物进行协同处典型的新型干法水泥生产工艺见图1。理的适用性，以及协同处理的先决条件。水泥生产需要大量原材料。在对原料进行开采、研水泥工业消耗了大量的自然资源和能源，同时也为磨和均化之后，碳酸钙分解形成的氧化钙与二氧化硅、全世界城市和基础设施的发展和现代化做出了贡献。水氧化铝和氧化铁在回转窑内通过高温固相反应生成熟泥工业及其行业协会通过优化自然资源的使用和减少料。熟料与石膏和其他成分在一起碾磨得到水泥。整体的能源消耗，在不断改善环境质量。利用水泥回转窑处理废弃物，不仅具有焚烧法的减不过使用替代性燃料和原料应当遵守一些基本容、减量化特征，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部规则和原则。当前公众最为关注和讨论最多的生态问分，不需要对焚烧灰进行填埋处置，烟气焚烧彻底，污染题是温室气体、全球变暖、非再生性化石燃料的有效物形成总量显著降低，是一种清洁有效的污泥处置技术。利用、毒性残留物和水土资源的污染。而商界人士则12水泥窑协同处置废弃物定义更关注成本竞争力、全球竞争和利润。如何在环境保水泥窑协同处置废弃物是指在水泥生产过程中使护和经济利益之间取得平衡，乃是当今社会所面临的用废弃物，并从中回收物质和能量的过程。挑战。废弃物可在不同的喂料点进入水泥生产过程。最常以下详述天津水泥工业设计研究院有限公司（简称见的是窑头主燃烧器、窑尾烟室、上升烟道、预分解炉、天津院）研发出的一整套针对城镇污水处理厂污泥、生分解炉的三次风风管进口。活垃圾、污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术，以及废弃物焚烧残渣甚至可按照与传统原料一样的喂在实践中的检验和推广。料方式被喂入窑系统中，例如通过正常的原料喂料系统。但含有可在低温时挥发成分（例如烃）或二噁英等剧处置技术及装备研究。毒有机物的废弃物必须喂入窑系统的高温区。摘要阐述天津水泥工业设计研究院有限公司经过十余年潜心研究，结合水泥窑炉操作条件，针对中国固废处置客观环境，研发出一整套针对城镇污水处理厂污泥、生活垃圾、污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术，以及在实践中得到检验、推广的情况和工程案例。关键词水泥窑；协同处置；废弃物水泥窑协同处置固体废弃物2（1）应遵循水泥窑利用废弃物的分级原则。如果在生46中国水泥20114RECYCLEOFWASTES废弃物利用（2）无残渣飞灰产生。（3）回转窑内碱性环境抑止酸性气体和除水银、铊以外的绝大部分重金属排放。（4）可选择不同温度点处置废弃物，避开二噁英等有毒有害气体产生。（5）废弃物可替代部分一次原料和燃料。（6）回转窑热容量大、工作状态稳定，废弃物处理量大。（7）水泥回转窑是负压状态运转，烟气和粉尘很少外溢。（8）处理费用较低。（9）尾气处理投资省。13水泥窑协同处置废弃物的基本原则态和经济上有更好的回收利用方法，则不要将废弃物使用固体废弃物是人们在生产、生活中产生的污染环境在水泥窑中。利用水泥窑协同处置废弃物必须建立在社会的物质，即平常所说的“垃圾”。主要包括固体颗粒、垃处置成本最优化原则之上，并保证对环境无害的资源回收圾、炉渣、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变利用。废弃物的协同处置应保证水泥工业利用的经济性。质食品、人畜粪便等。（2）必须避免额外的排放物和对人体健康和环境的21技术体系关键负面影响。水泥窑协同处置污泥应确保污染物的排放不（1）依据废弃物的特性选择合理的处置方式，并通高于采用传统燃料的污染物排放与废弃物单独处置污过不同的高温区加入的物料的特性要求确定合理的预染物排放总和。处理工艺。（3）必须保证水泥产品的质量保持不变。协同处置（2）通过对废弃物热值及组分的合理调配，提高废废弃物水泥窑产品应通过浸析试验，证明产品对环境不弃物入窑处置的热能利用水平，在客观上实现废弃物处会造成任何负面影响，水泥产品的质量应满足寿命终止置及节能替代利用的有效复合利用，提高水泥窑协同处后再回收利用的要求。置的经济效益。（4）必须保证从事协同处置的公司具有合格的资（3）针对废弃物焚烧处置过程产生的大气污染物、质。利用水泥窑协同处置废弃物作为跨行业的协同处置重金属等的排放特点，确定水泥窑协同处置废弃物的合方式，应保证从产生到处置完成良好的记录追溯，在全理工艺，并通过生产技术的优化处置实现水泥窑协同处处置过程确保污染物的达标排放和相关人员健康和安置废弃物的清洁排放。全，确保所有要求符合现有的国家法律、法规和制度。能（4）水泥窑协同处置废弃物应保证水泥产品及下游够有效地对废弃物协同处置过程中的投料量和工艺参相关产品在产品性能上不发生改变。这就要求对部分影数进行控制，并确保与地方、国家和国际的废弃物管理响水泥矿物水化过程及产品性能指标的部分有害元素方案协调一致。（如ZNO、CUO、P2O5、F等）进行严格的控制。（5）必须考虑到具体的国情及地区经济文化不平衡以替代燃料为例，水泥行业可利用废弃物替代燃料性差异。只有废弃物不能以更经济、更环保的方式加以种类很多，绝大多数的可燃工业废弃物及几乎所有的商避免或再生时，方可对其进行协同处置。生态循环利用业、市政、农林业、畜牧业废弃物以及部分家庭垃圾均可废弃物是最理想的解决方案，协同处置应当被认为是一以通过水泥窑系统进行焚烧的热能回收利用。表1为常种可选的处理方式。见的水泥窑用替代燃料。14水泥窑协同处置废弃物的主要特点应用于窑头主燃烧器的废弃物必须是高热值、低水（1）处理温度高，焚烧空间大，停留时间长，可彻底分、小颗粒的废弃物替代燃料，并且通常需要和煤粉搭分解废弃物中有害有机物。配，添加量严格受到火焰温度要求的制约。在分解炉内乳化液、矿物油3水泥窑协同处置污水处理厂污泥针对生活垃圾热值低、灰分大、干化困难的特点，采4720114CHINACEMENT0610左右，CL元素则控制在003004以下。23工程实例以下介绍北京金隅集团城市工业废弃物综合处置示范线。2005年10月，由天津院设计的北京金隅集团北京水泥厂年处理10万T废弃物示范线工程全线投产。该生产线3000T/D熟料，具有年处置废弃物L0万T的能力，实现应用这些替代燃料一般不会对分解炉的气流的停留时了废弃物减量化、无害化、资源化处置。该水泥厂被国家发间有额外的要求，采用正常的操作方式能满足废弃物的改委评为第一批国家循环经济试点单位，同时该厂被英国处置利用。适当减小固体废弃物颗粒直径，可以确保废国际水泥评论杂志誉为“生态友好型企业”（见表2）。弃物在分解炉内保持更好的燃烬度。22天津院技术特色在利用水泥窑协同处置固体废弃物方面，天津院重点立足于危险废弃物及部分附加值较高的工业废弃物方面。针对我国废弃物管理的现状，从天津院收集到的废弃物数据来看，目前国内很少有专门对废弃物进行分散、稳定、均质化的预处理公司，与国外采用均质和调热处理过的废弃物不同，国内水泥厂能采用的废弃物热值、成分波动很大。国内可供处理利用的废弃物往往含有较高的水分和有害物质成分，仅仅是利用水泥厂进行销毁而已；工业废弃物的规模化利用将只能采用处置为主，能源回收为辅的原则。基于以上观点，危险废弃物预处理该生产线利用水泥窑协同处置工业废弃物的示范主要包括破碎（将固体废弃物破碎至水泥窑接受的要生产线在投产次年即基本达到设计规模，已经实现多年求）；混合调质（对不同来源的废弃物完成混合调质均化，的连续稳定运行。达到稳定成分的要求）。多种废弃物预处理流程见图2。用其他焚烧处置工艺往往具有较高的运行成本。利用水污水处理厂污泥是污水处理后的产物，是一种由有泥窑协同处置生活垃圾可以显著降低固定投资和运行机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的成本，具有较高的社会效益，废弃物中的硫、氯、碱含量非均质体。污泥的主要特性是含水率高（可高达99以对水泥厂生产有较大的影响，水泥行业的控制标准为，上），有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重折合至入窑生料其硫碱元素的当量比S/R应控制在较小，呈胶状液态。它是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵运输，但它很难通过沉降进行固液分离。污泥有机物含量高、易腐烂，有强烈的臭味，并且含有寄生虫卵、病原微生物和铜、锌、铬、汞等重金属，以及盐类、多氯联苯、二噁英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，如不加以妥善处理，任意排放，将会造成二次污染。31现有水泥窑系统协同处置污泥的主要技术路线目前天津院协同处置污泥技术路线主要有（1）利用水泥窑协同处置干化/半表2示范线处置对象及消纳能力序号系统处置能力/（万T/A）处置对象1浆渣制备系统3污泥、工业垃圾、废漆渣、废液等2废液处理系统1废酸碱液、有机溶剂、3替代燃料制备系统1废纸、废塑料、编织物、废树脂4污泥搅拌系统1工业污泥、下水道污泥、干化污泥5飞灰处理系统03生活垃圾焚烧飞灰6焚烧残渣处理系统37生活垃圾焚烧残渣合计10表1常见的水泥窑用替代燃料固体替代燃料废纸、造纸废弃物、石油焦碳、石墨灰、木炭、塑料废弃物、橡胶废弃物、旧轮胎、储物箱、灰化土、废木材、秸杆、农业废弃物、家庭废弃物、次品燃料、纤维、含油土壤、下水道污泥。液体替代燃料焦油、酸性淤泥、废油、石化废弃物、油漆厂废弃物（油漆类）、化学废弃物、溶剂废弃物、稀释废弃物、蜡状悬浊液、沥青浆、油泥。气体替代燃料垃圾填埋气体、热解气体。48中国水泥20114RECYCLEOFWASTES废弃物利用干化的污泥，在窑尾加入；（2）湿污泥，经过泵送直接入油，采用间壁干燥工艺干化污泥，干污泥入窑替代燃料窑尾烟室；（3）外运来的污泥焚烧灰渣，可通过水泥原料利用（见图5）。配料系统处置。32水泥窑系统处置污泥的预处理要求（1）控制污泥中硫、氯、碱有害元素含量。折合至入窑原料，其硫碱元素的当量比应控制在0610，氯元素控制在003004以下。（2）依据工程确定的重金属、大气污染物排放要求，控制污泥的合理处置规模。33利用水泥窑直接焚烧处置污泥通常水分在6085的市政污泥可以利用水泥窑直接焚烧处置。其主要流程见图3。35利用水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥351干化污泥的燃烧特性干化后的污泥基本为细的颗粒状，其特点是发热量低、着火点低、燃烧过程形成的飞灰多、燃烧时间短。以上特点决定利用水泥窑处置干化/半干化污泥不适合作为原料配料大规模利用，应当尽可能在分解炉、34利用水泥窑废热干化污泥窑尾烟室等高温部位投入，以保证焚毁效果。341水泥生产的废热利用352水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥的主要流程利用窑尾废热烟气干化污泥，必须优先保证原料干污泥入窑的工艺流程主要如下来自干污泥储藏磨、原煤磨生产用风为前提。在利用水泥生产线废热干仓的污泥经皮带秤计量后，经双道锁风阀门进入分解炉，化污泥的生产实践中，可通过合理调整水泥窑系统预热分解炉内部增设污泥撒料盒，在撒料盒下方设置压缩空器的级数或设置部分旁路烟气实现污泥干化与水泥生气进行吹堵和干污泥的抛洒分散。如干污泥仓布置离窑产原料烘干的统一。尾较远，也可采用气动输送，利用罗茨风机作为动力，经水泥工业余热发电技术应用较广泛，采用余热发电管道输送进入分解炉，干污泥燃烧采用单通道喷管即可。可提取部分或全部蒸汽作为污泥干化的热源使用。353水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥对水泥窑系统342利用水泥窑烟气直接干化污泥工艺的主要影响根据干燥设备的不同，分为直接干化工艺和间接干利用水泥窑处置生活污泥，对水泥窑系统的影响主化工艺。对于采用烟气直接干化污泥工艺必须严格控制要体现在（1）水泥窑系统总通风量也适当增加，对应高烟气氧气含量，此时只能采用来自水泥窑窑尾废热烟气温风机风量应考虑增加；（2）烧成系统总换热效率有轻作为污泥干化的热源实用。工艺流程见图4。微的变化，窑尾废气温度有所升高；（3）余热发电的操作对现有主流水泥生产线，在不考虑余热发电前提下，参数及发电量。采用烟气直接干化含水率80的湿污泥，其能力约为每36污泥焚烧灰渣替代水泥生产原料利用1000T熟料生产能力可配置80120T污泥干化能力。在污泥焚烧灰渣作为替代原料利用之前，应仔细评估硫、氯、碱等可能引起系统运行稳定性有害元素总输入量对系统的影响。这些成分的具体验收标准，应根据协同处置污泥性质和窑炉具体条件，单独进行确定。37工程实例371广州越堡水泥有限公司6000T/D生产线处置污泥工程广州越堡水泥有限公司位于广州市花都区，建有一343利用水泥窑烟气间接干化污泥工艺条6000T/D熟料生产线。2007年11月该公司委托天津采用生产过程烟气为热源依靠换热锅炉加热导热院设计利用现有回转窑处理含80水分污泥的工程。污泥干化采用的废热来自现有的熟料生产线预热4920114CHINACEMENT天津院经过充分的分析计算并结合现有的场地及厂方干燥后的颗粒和气体经过旋风分离器和袋式收尘的资金情况，与厂方协商确立了日处理600T含水80器后，颗粒从工艺气体中分离出来，经冷却螺旋冷却后污泥的工程规模，具体内容如下建一座日处理生活污污泥颗粒送入水泥窑中焚烧。干燥分离的蒸汽经过离心泥600T（含水率80）的干化处置中心，干化后含水机抽取循环后，经过热交换器重新被加热返至干燥器的30的半干污泥通过新建的接口设备在水泥熟料烧始端。本工程解决当时北京25的污泥处置问题，净化成系统中焚烧处理。2009年3月完成污泥生产线的点了环境，节约了能源并且对污泥进行再利用，取得了良火调试工作，2009年8月起开始连续处置广州市城区好的社会效益和环境效益。的市政污泥。4重要污染物的监测器出口窑尾废热烟气，废热烟气经管道输送至干化车利用水泥窑协同处置废弃物应遵循标准为水泥工间，通过风机升压后鼓入干燥机干燥室进口。需要干化业大气污染物排放标准GB49152004和生活垃圾焚的湿污泥由专用的输送装置送至污泥储料小仓，然后送烧污染控制标准GB184852001。对要求较高的地区，到干燥机。在干燥室内，气固两相进行对流型干燥，完成可参考采用危险废物焚烧污染控制标准GB18484热交换后的污泥和烟气一起进入袋式收尘器。收尘后的2001或借鉴欧盟废物焚烧2000/76/EC指令。干泥污泥颗粒通过锁风卸料阀后由胶带输送机提升机利用水泥窑协同处置废弃物必须对重要的污染物送入成品污泥储仓。干燥后尾气经处理后排放。进行定期监测，污染物及工艺参数检测见表3。该项目的主机装备为国产装备，总投资比采用进口装备节省50。该日处理80水分污泥600T项目，年处理污泥186万T，若污泥的干基热值按16785KJ/KG计，每年使水泥厂节省18万T标煤。2009年3月投入运行，经过一年多的运行，表明系统适应能力强，运行非常稳定，处置5利用水泥窑协同处置废弃物的职业健康与能力超过预期指标，经济技术指标优良。安全越堡项目的意义在于，通过所采用的技术路线，充在利用水泥窑协同处置污泥的职业健康与安全方分利用水泥窑的余热和处置能力，使工业污泥/生活污面必须坚持以下基本原则泥的处理达到低成本运行，并可达到稳定化、减量化、无（1）在工艺设计、生产管理必须形成完善的现场危害化和资源化的目的，为解决长期困扰的工业污泥/生险规避机制。通过建立良好的基础设施（气体、异味、粉活污泥处理问题，寻求一种有效利用的途径，为全国污尘、渗入地下水或地表水