水泥窯協同處置城市生活垃圾的最佳實踐（上）

水泥窯協同處置城市生活垃圾的最佳實踐（上）

Best Practice of Disposal of Urban Domestic Waste by Cement Industrry(Ⅰ)

王新頻，吳小緩，梁樹峰，趙嬌，王冬

水泥窯協同處置城市生活垃圾，既可以減少煤的使用和CO2的排放量，又有助于解決城市生活垃圾日益增長給安全和環境帶來的不良影響問題。

水泥窯的高溫、足夠長的停留時間和水泥生產的其他特性，使城市生活垃圾的協同處置成為一種可行的策略，這種做法已在一些發達國家中（如美國、日本以及歐盟的一些國家）普遍使用，許多發展中國家，如中國和南非也在積極采用。

1 城市生活垃圾現狀

城市生活垃圾是人們使用后扔掉的日常用品，如產品包裝、家具、衣服、瓶子、食物殘渣、報紙、電器、涂料和電池等。城市生活垃圾的組成取決于其來源、季節以及當地居民的生活方式和行為。生活垃圾含水量較高，熱值低，粒徑范圍廣，灰分含量高。由于這些原因，直接使用城市生活垃圾作燃料是不現實的。垃圾可以在機械處理廠（MT廠）或機械生物處理廠（MBT廠）加工成垃圾衍生燃料（RDF）。RDF的優點是熱值高，化學成分較穩定，易儲存、處理和運輸，易燃燒等。

表1為2012年世界各國的城市生活垃圾總量及人均每天產生的垃圾量[1]。最近幾年，城市生活垃圾總量和人均垃圾產生量在一些發達國家已趨于穩定或正在減少（如美國），但在一些發展中國家卻在增加（如中國）。此外，發達國家的垃圾回收率和利用率往往高于發展中國家。圖1為2012年世界各國城市生活垃圾處理方法[1]，圖2為2012年我國城市生活垃圾處理方法[2]，表2為城市生活垃圾作為替代燃料的典型特征[3]。一些發展中國家城市生活垃圾的熱值往往低于表2所示的范圍。據資料顯示，全世界垃圾年均增長速度為8.42%，而中國垃圾增長率達到10%以上。全世界每年產生4.9億噸垃圾，而僅中國每年就產生近1.5億噸城市垃圾。目前中國城市生活垃圾累積堆存量已達70億噸[4]。

表1 2012年世界各國城市生活垃圾總量和人均產生量

圖1 2012年世界各國城市生活垃圾處理方法

圖2 2012年我國城市生活垃圾處理方法

表2 作為替代燃料的城市生活垃圾的典型特征*

從圖1和圖2可以看出，我國的城市生活垃圾處理與世界發達國家相比還存在較大差距。比如，2012年，日本城市生活垃圾焚燒利用達到72.8%，堆肥8.7%，循環利用6.5%，衛生填埋僅12%；葡萄牙城市生活垃圾基本以焚燒為主，達到90%，堆肥10%，沒有填埋處理；瑞士城市生活垃圾焚燒利用達到76%，堆肥13%，循環利用6.5%，衛生填埋僅11%。而我國2012年依然以衛生填埋為主，達到68.28%，簡單填埋達到6.59%，可見我國城市生活垃圾的有效處理依然任重而道遠，還有很大的利用潛力。

2 水泥窯協同處置介紹

2.1 水泥生產中二氧化碳的排放

每生產1t的水泥約釋放0.73～0.99tCO2，二氧化碳排放量取決于水泥中熟料的比例和其他因素。水泥工業和其他大部分工業之間的主要區別在于，燃料消耗不是水泥工業二氧化碳排放的主要來源，水泥生產中釋放的二氧化碳50%以上（或約540kg-CO2/t熟料）是由碳酸鈣煅燒分解產生的。水泥生產過程中排放的二氧化碳的其余部分是燃料燃燒產生的，以提供加熱到1 450℃煅燒所需的熱能。水泥綜合電耗100～110kWh/t，這部分電耗等效二氧化碳排放量5%。另外，大約5%的二氧化碳排放量與礦山開采和運輸相關。

2.2 水泥工業城市生活垃圾的協同處置的原則

《巴塞爾公約》（2011年）將“協同處置”定義為“在能源和/或資源回收利用的制造工藝和生產過程中替代常規燃料和/或原材料的廢物的使用”。

圖3 歐洲水泥行業2003年和2004年協同處置廢物量統計

廢物協同處置在世界發達國家和地區，如日本、美國和加拿大等已經實行了二十多年。圖3為歐洲水泥工業2003年和2004年的廢物協同處置量[3]。在2006年，美國水泥工業采用廢舊輪胎和溶劑以外的替代燃料（如城市生活垃圾和污水污泥）約占總能量輸入的2.5%。到2009年，美國有63家水泥廠（約占70%）使用替代燃料[6]。然而并非所有的廢物都適合于水泥工業的協同處置。水泥工業協同處置必須考慮廢物和最終產品（水泥）的化學成分及其對環境的影響。不適用于水泥工業的廢物有核廢料、醫療垃圾、電池和未經處理的混合城市生活垃圾。GTZ/Holcim（2006）概述了水泥工業協同處置廢物必須遵循的一般原則，見表3[6]。

表3 水泥行業協同處置廢物必須遵循的一般原則

圖4 廢物的管理層次

2.3 水泥窯協同處置城市生活垃圾的優點

世界各地的水泥生產商使用城市生活垃圾、污泥和其他替代燃料來替代化石燃料。荷蘭和瑞士的廢物處置率分別為83%和48%，處于世界領先水平[8]。美國環境保護局2008年的研究表明，許多美國水泥廠表示使用替代燃料對他們保持持續的競爭力非常重要。利用水泥窯協同處置城市生活垃圾的優點如下：

（1）節省燃料成本，特別是在燃料價格上漲的時期。

（2）節約不可再生的化石燃料和保護環境。

（3）減少溫室氣體排放。

如前所述，水泥工業產生的二氧化碳排放量約為全球人為排放量的5%，其中能源相關的排放量約占半數，約40%來自燃料燃燒，10%來自用電和運輸。圖5為世界各地的水泥工業二氧化碳排放量歷史數據和預估值[9]。從圖5可以看出，全球水泥工業的二氧化碳絕對排放量將顯著增加。

從表2可以看出，城市生活垃圾與燃煤相比碳排放因子較低。據報導，RDF協同處置與燃煤相比，CO2排放減少約1.6kgCO2/kg燃煤。2006年歐洲水泥工業廢物協同處置節省燃煤18%，減少約800萬噸二氧化碳排放量，節省約500萬噸煤炭[10]。

圖5 全球水泥行業的二氧化碳排放量歷史數據及預估值

（4）避免垃圾焚燒和填埋的負面影響

在發達國家，常見的垃圾處置方式是焚燒，焚燒灰再在水泥窯協同處置，飛灰作填埋處理，盡量避免垃圾直接填埋。美國有86個城市生活垃圾焚燒設施，能夠處理＞2 800萬噸/年的廢物，熱回收能力2 720MW。城市生活垃圾焚燒后的灰渣因為重金屬含量超標，被作為危險廢物處置。

（5）協同處置后的焚燒灰摻入水泥熟料中，節省了水泥生產的原材料。

（6）避免焚燒或填埋時增加投資。

3 協同處置的相關法律

有效的監管是確保水泥工業協同處置廢物不對健康或環境產生負面影響的重要手段。在回轉窯的高溫下廢物有機物質幾乎完全轉化為CO2和水，有機化合物的排放（如二■英和呋喃）濃度很低，煙氣排放和水排放必須嚴格執行相關的國家標準。

3.1 一般性法律框架

在國際上，巴塞爾公約是國際公認的處理危險廢物的法律框架，對水泥工業協同處置危險廢物發揮著重要作用。目前，已有178個國家加入了巴塞爾公約。公約規定，危險廢物經過協同處置對環境無害時才可以越境出口、進口或過境；對巴塞爾公約締約國負有義務，以確保對危險廢物和其他廢物的無害環境管理。發達國家大多已建立了自己的廢物管理法律框架。

圖6 垃圾焚燒、填埋與水泥窯協同處置的溫室氣體排放量比較

3.2 歐盟

像李先生這樣的小客戶，更換設備的頻率很小，公司根本就沒指望再能賺到他們的錢，我便不耐煩地告訴他，公司的優惠政策只針對長期合作的老客戶。

（1）廢物框架指令（WFD）

歐盟通過廢物框架指令（2008／98／EC）對基本廢物進行限制。所有會員國均須在規定的時間內調整本國法律，使其與該指令的規定一致。WFD建立了基本概念和定義，包括廢物回收、循環、預防和管理。該指令還建立了廢物管理原則，要求廢物的管理不能危害人體健康和污染環境，特別是不能危及水、空氣、土壤、植物和動物，無噪聲或異味，并對農村或有特殊要求的地方無不利影響。此外，WFD還規定了廢物管理層次（見圖4）。

（2）填埋指令

1999年頒布的填埋指令（1999／31／EC）是歐盟水泥窯協同處置最有影響力的驅動因素之一。填埋指令的頒布是為了應對人們日益增長的對廢物填埋負面影響的擔憂，廢物填埋污染了土壤、水源和空氣，導致生存條件及人類健康不斷惡化。該指令的最終目標是實現歐盟的垃圾分級，它將填埋定義為垃圾處理和處置的最后選擇。

表4 歐盟水泥窯協同處置城市生活垃圾污染物排放限值，mg/m3

表5 美國水泥窯協同處置2011 CISWI標準排放限值

垃圾填埋指令規定了垃圾填埋場的垃圾處理程序、垃圾的成分和浸出行為，并建立了垃圾填埋場許可證制度。

（3）廢物焚燒指令（WID）

針對公眾對垃圾焚燒所帶來的健康和環境影響的關注，歐洲委員會制定了廢物焚燒指令（2000／76／EC），其目標是通過設定垃圾焚燒廠的排放限值，減少垃圾焚燒對環境的負面影響。

（4）綜合污染預防和控制指令（IPPC）

除了WID的排放限制及其他具體要求，綜合污染預防和控制指令也適用于協同處置工廠。IPPC指令旨在采用綜合的方法，圍繞環境準入制度和最佳實用技術（BAT）的應用，減少工業污染。

（5）工業排放指令

工業排放指令（2010／75／EC）整合了7個現有的與工業排放有關的指令，重申了綜合污染防治與控制指令（IPPC）概述的原則，包括執行基于綜合方法的環境許可制度，要求采用最佳實用技術（BAT），給予許可部門一定的彈性空間，以及提供公眾參與許可流程和訪問排污數據報告的便利條件。

表4為歐盟水泥窯協同處置城市生活垃圾排放限值[10]。

3.3 美國

歐盟的水泥工業協同處置條例源于對廢物產生、污染和垃圾填埋場短缺的擔憂，與此不同的是，美國協同處置的法規，主要源于對環境保護的關注和清潔空氣法案的實施。該法案要求美國環境保護局制定空氣質量的最低國家標準，不符合排放標準的區域（稱為“非達標區”）需要實行特定的控制空氣污染的措施。

該法案的第109條要求美國環保署對6種主要污染物（即“標準污染物”）制定國家環境空氣質量標準。標準污染物包括：CO、Pb、NO2、臭氧、2.5μm和10μm顆粒（PM2.5和PM10）以及SO2。

在清潔空氣法案第129條特別規定，在水泥工業水泥窯協同處置城市生活垃圾和污水污泥,其排放必須符合以下污染物排放限值：Cd、CO、二英和呋喃（PCDD/PCDF）、HCl、Pb、Hg、NOX、PM2.5和PM10以及SO2。

表5為美國水泥窯協同處置2011 CISWI標準排放限值[12]。

（未完，待續）

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1 1001001--61716171（20172017）0101--00710071--0505

建筑材料工業技術情報研究所，北京100024；

2016-06-22；編輯：趙蓮