水泥窯協(xié)同處置城鄉(xiāng)生活垃圾工藝技術(shù)

高敏

1 前言

隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化的快速發(fā)展，生活垃圾的產(chǎn)生量逐年增多，對(duì)環(huán)境造成的危害也越來(lái)越嚴(yán)重，目前利用水泥窯協(xié)同處置生活垃圾已成為我國(guó)生活垃圾處置的重要發(fā)展方向。我國(guó)水泥行業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)先進(jìn)，采用水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾已有多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具備廣泛處置城鄉(xiāng)生活垃圾的物質(zhì)和技術(shù)條件。將城鄉(xiāng)生活垃圾處置與水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，是低成本、大規(guī)模處置城鄉(xiāng)生活垃圾的重要措施，也較為適合我國(guó)國(guó)情。

2 城鄉(xiāng)生活垃圾一體化收運(yùn)體系

目前城鎮(zhèn)生活垃圾收運(yùn)體系已基本成熟，形成了集“垃圾收集—收集站中轉(zhuǎn)—轉(zhuǎn)運(yùn)站運(yùn)輸—終端處置（衛(wèi)生填埋、水泥窯協(xié)同處置）”于一體的生活垃圾收運(yùn)處置模式，實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)生活垃圾的“日產(chǎn)日清”。但農(nóng)村垃圾收運(yùn)工作處于起步階段，農(nóng)村地區(qū)面積較大、人口多，且村莊分布相對(duì)分散，生活垃圾收集、轉(zhuǎn)運(yùn)路線曲折，這嚴(yán)重制約了垃圾的有效收集、處置；農(nóng)村生活垃圾未實(shí)行源頭分類，且受地理位置、交通狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素影響，生活垃圾處置水平差異較大。總而言之，鄉(xiāng)村地區(qū)生活垃圾的收運(yùn)基本處于無(wú)體系管理狀態(tài)，末端處理以簡(jiǎn)易填埋為主，且存在隨意丟棄現(xiàn)象，因此有必要建立城鄉(xiāng)生活垃圾一體化收運(yùn)體系，并利用水泥窯協(xié)同處置的方法完成城鄉(xiāng)生活垃圾的資源化利用與無(wú)害化處置。

針對(duì)鄉(xiāng)村的特點(diǎn)，可建立鄉(xiāng)村生活垃圾四級(jí)收運(yùn)體系，具體收運(yùn)模式如圖1所示。

從圖1可以看出，鄉(xiāng)村生活垃圾收運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)行方式為：村莊垃圾收集點(diǎn)?村莊生活垃圾收集站?鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站?終端處置系統(tǒng)（城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理中心、水泥窯協(xié)同處置）。鄉(xiāng)村生活垃圾收集完成后運(yùn)輸至城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理中心，預(yù)處理完成后通過(guò)水泥窯系統(tǒng)完成資源化利用與無(wú)害化處置。

圖1 某市農(nóng)村生活垃圾收運(yùn)方式流程圖

3 水泥窯協(xié)同處置城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置固廢的范圍較為廣闊，包括城鄉(xiāng)生活垃圾，但同時(shí)需要對(duì)城鄉(xiāng)生活垃圾進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，以滿足水泥窯協(xié)同處置的運(yùn)行要求。

3.1 城鄉(xiāng)生活垃圾的基本特點(diǎn)

城鄉(xiāng)生活垃圾由城鎮(zhèn)生活垃圾和鄉(xiāng)村生活垃圾兩部分構(gòu)成，其成分復(fù)雜，主要包括廢紙、廢塑料、廢橡膠、竹木、磚瓦、玻璃及石塊等。同時(shí)，鄉(xiāng)村生活垃圾的成分與城鎮(zhèn)生活垃圾的主要成分差異較大，而且在采暖季與非采暖季的差異也較大，主要差異見(jiàn)表1、表2。

從表1、表2可以看出，城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村生活垃圾的組分差異較大，鄉(xiāng)村生活垃圾中廚余垃圾含量較高，在采暖季灰渣含量較高。因此，生活垃圾預(yù)處理系統(tǒng)必須適應(yīng)城鄉(xiāng)生活垃圾成分的復(fù)雜性和多樣性。

3.2 城鄉(xiāng)生活垃圾梯級(jí)分選預(yù)處理系統(tǒng)

城鄉(xiāng)生活垃圾梯級(jí)分選預(yù)處理系統(tǒng)針對(duì)城鄉(xiāng)生活垃圾的特性開(kāi)發(fā)，通過(guò)多級(jí)破碎、梯級(jí)分選等工藝過(guò)程將城鄉(xiāng)生活垃圾分為三部分，包括：有機(jī)可燃物、腐殖物渣土、無(wú)機(jī)重質(zhì)物（灰渣、磚瓦、玻璃及石塊等），主要工藝如圖2所示。

表1 某市城鎮(zhèn)生活垃圾組分

表2 某市鄉(xiāng)村地區(qū)生活垃圾組分分析，%

圖2 城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理工藝

從圖2可以看出，該工藝系統(tǒng)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）城鄉(xiāng)生活垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)處理后將生活垃圾分選為三部分：初級(jí)RDF、腐殖物渣土、無(wú)機(jī)重質(zhì)物，無(wú)機(jī)重質(zhì)物經(jīng)破碎處理后與腐殖物渣土一起送入水泥窯SPF焚燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生活垃圾“零填埋”。

（2）風(fēng)選所得到的有機(jī)可燃物經(jīng)過(guò)進(jìn)一步多級(jí)破碎處理，將有機(jī)可燃物制成初級(jí)RDF，在制備過(guò)程中未加入任何添加劑（石灰粉、煤粉等），未經(jīng)過(guò)烘干、成型等傳統(tǒng)工藝，簡(jiǎn)化了處置方法。

（3）有機(jī)可燃物經(jīng)過(guò)多級(jí)破碎形成粒徑≯25mm的初級(jí)RDF，為后續(xù)的終端處置奠定了良好的基礎(chǔ)。

目前城鄉(xiāng)生活垃圾梯級(jí)分選預(yù)處理系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，獲得了良好的效果，城鄉(xiāng)生活垃圾經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的篩下物、無(wú)機(jī)重質(zhì)物及初級(jí)RDF的形態(tài)如圖3所示。

圖3 生活垃圾預(yù)處理成品形態(tài)

4 水泥窯資源化利用與無(wú)害化處置城鄉(xiāng)生活垃圾技術(shù)與裝備

新型干法水泥窯燒成系統(tǒng)是完成城鄉(xiāng)生活垃圾資源化及無(wú)害化處置的重要終端，在水泥窯燒成系統(tǒng)中，各組分礦物通過(guò)熟料固相反應(yīng)，生成了新的礦物——水泥熟料，同時(shí)完成了生活垃圾的焚燒和熱回收，實(shí)現(xiàn)了水泥窯協(xié)同處置城鄉(xiāng)生活垃圾的資源化與無(wú)害化。本文所述的水泥窯資源化利用與無(wú)害化處置城鄉(xiāng)生活垃圾工藝技術(shù)包括三部分，即RDF水泥窯噴射系統(tǒng)、SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)和水泥窯協(xié)同處置生活垃圾二次污染控制技術(shù)。

4.1 RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)工藝技術(shù)及裝備

RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)所處置的物料為城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理后所得到的初級(jí)RDF（≤25mm），通過(guò)多通道燃燒器（帶RDF通道）將RDF在窯頭噴入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫?zé)煔猓? 700～1 800℃）的作用下，廢棄物迅速焚化，灰分熔入水泥熟料中，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用和無(wú)害化處置。主要生產(chǎn)工藝流程如圖4所示，主要裝備包括RDF計(jì)量與輸送系統(tǒng)、帶RDF通道的多通道燃燒器，分別如圖5、圖6所示。

圖4 RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)工藝流程

圖5 RDF計(jì)量與輸送裝置

圖6 水泥窯窯頭燃燒器

從圖4可以看出，RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)包括RDF的儲(chǔ)存、輸送、計(jì)量及噴射入窯，在儲(chǔ)存中采取了多種廢棄物集中存儲(chǔ)的方式，并保持廠房微負(fù)壓狀態(tài)，所抽取的異味氣體進(jìn)入異味氣體集中處置系統(tǒng)，采用TiO2催化除臭-活性炭吸附的組合處置方式，處置達(dá)標(biāo)后排放。RDF計(jì)量與輸送裝置針對(duì)RDF水分較高易粘堵的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)，主要包括計(jì)量緩沖倉(cāng)、倉(cāng)底卸料器、定量供給機(jī)及輸送鎖風(fēng)閥（見(jiàn)圖5）。RDF輸送至計(jì)量緩沖倉(cāng)后，通過(guò)倉(cāng)底卸料器的強(qiáng)制卸料將RDF喂入定量供給機(jī)內(nèi)，定量供給機(jī)采用失重計(jì)量與強(qiáng)制卸料的方式，經(jīng)過(guò)計(jì)量后的RDF通過(guò)管道輸送至窯頭燃燒器（見(jiàn)圖6）噴射入窯，在定量供給機(jī)與輸送管道之間設(shè)有輸送鎖風(fēng)閥，以防止輸送氣體阻礙RDF卸料。

4.2 SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)技術(shù)與裝備

SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)針對(duì)城鄉(xiāng)生活垃圾預(yù)處理系統(tǒng)中的腐殖物渣土特性開(kāi)發(fā)。腐殖物渣土成分復(fù)雜，包括灰土、小石塊、磚瓦、玻璃等無(wú)機(jī)物，也包括部分消化的有機(jī)腐殖物與碎片化的塑料與紙片，而且有機(jī)碎片與無(wú)機(jī)灰土處于粘附狀態(tài)，既不能?chē)娚淙敫G，也不能作為替代原料直接入磨，因而腐殖物渣土需要較長(zhǎng)的焚燒時(shí)間。在水泥窯協(xié)同處置的過(guò)程中SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)可以滿足腐殖物渣土的焚燒處理，同時(shí)具有廣泛的適應(yīng)性。具體的工藝流程及裝置見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)工藝流程

從圖7可以看出，SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)包括廢棄物儲(chǔ)存、廢棄物輸送與喂料、SPF焚燒爐（由SPF預(yù)燃爐和水泥窯分解爐組成）及灰渣冷卻器。其主要工藝過(guò)程包括：

（1）廢棄物儲(chǔ)存、輸送及喂料。腐殖土灰渣（固體廢棄物）經(jīng)計(jì)量后通過(guò)管狀皮帶機(jī)輸送至水泥窯窯尾廢棄物焚燒系統(tǒng)，通過(guò)雙層鎖風(fēng)系統(tǒng)后，廢棄物被喂入SPF預(yù)燃爐內(nèi)。

（2）在SPF預(yù)燃爐內(nèi)，采用高溫三次風(fēng)（≥850℃）作為助燃空氣，并設(shè)置了輔助燃燒器，將爐內(nèi)的溫度控制在850～1 100℃；通過(guò)調(diào)整SPF預(yù)燃爐推桿的運(yùn)行周期，靈活地調(diào)節(jié)廢棄物在爐內(nèi)的焚燒時(shí)間。根據(jù)實(shí)際焚燒要求，可以在2～30min的范圍內(nèi)調(diào)整焚燒時(shí)間，以適應(yīng)腐殖物渣土的焚燒要求，同時(shí)滿足其他廢棄物的焚燒要求。腐殖物渣土在SPF預(yù)燃爐內(nèi)焚燒完全后，煙氣進(jìn)入分解爐內(nèi)進(jìn)一步焚燒，而灰渣則進(jìn)入冷卻器。

圖8 SPF推動(dòng)式預(yù)燃爐

（3）在灰渣冷卻器內(nèi)，通過(guò)逆流換熱，灰渣被冷卻，冷卻空氣被加熱后進(jìn)入分解爐，完成冷卻后的灰渣則被直接喂入生料磨系統(tǒng)，參與生料配料，完成資源化利用。

目前RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)工藝技術(shù)及SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)工藝技術(shù)及裝備在某水泥生產(chǎn)線上（5 000t/d）已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，獲得了良好的效果。RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)處置能力可達(dá)5t/h，SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)處置能力可達(dá)15t/h，水泥生產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定，熟料質(zhì)量合格，產(chǎn)量穩(wěn)定，與未處置生活垃圾時(shí)保持一致。

4.3 水泥窯協(xié)同處置生活垃圾二次污染控制技術(shù)

二惡英是生活垃圾焚燒處置過(guò)程中的典型污染物，其“頑固”的特性和劇毒的特點(diǎn)使二惡英的排放成為生活垃圾焚燒處置污染物排放的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)受到公眾的廣泛關(guān)注。因此有效阻斷二惡英的二次污染是生活垃圾焚燒處置污染物控制的重點(diǎn)。本文所介紹的阻斷二惡英二次污染的工藝方法主要包括：對(duì)有機(jī)物進(jìn)行充分的高溫長(zhǎng)時(shí)間的焚燒，使合成二惡英的有機(jī)前驅(qū)體被焚毀；固化重金屬離子，降低煙氣中重金屬離子的含量；在二惡英后合成溫度區(qū)間快速降溫；使用水泥窯窯尾高效袋收塵器。具體體現(xiàn)在如下工藝過(guò)程中：

（1）在窯頭RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)中，RDF直接噴入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。在窯頭高溫區(qū)，煙氣溫度高達(dá)1 700～1 800℃，焚燒后的煙氣在≥1 200℃的環(huán)境中停留時(shí)間已達(dá)6s以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)物的高效焚毀。焚燒后的灰渣落入水泥熟料中，參與水泥熟料固相反應(yīng)，重金屬離子熔入水泥熟料的晶格中，完成了對(duì)重金屬離子的固化，大幅降低了煙氣中重金屬離子的含量，降低了二惡英后合成的催化能力。

（2）在窯尾SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)中，廢棄物在SPF預(yù)燃爐內(nèi)完成焚燒，焚燒后的煙氣及細(xì)顆粒物進(jìn)入分解爐。在分解爐內(nèi)，活性CaO的濃度高達(dá)0.5kg/m3（標(biāo)），脫氯效果明顯，煙氣溫度＞850℃，煙氣停留時(shí)間約為6s。可見(jiàn)，SPF系統(tǒng)在煙氣氣氛、煙氣溫度及高溫停留時(shí)間方面，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他生活垃圾焚燒裝置（包括垃圾焚燒發(fā)電）煙氣凈化系統(tǒng)。

（3）焚燒后的煙氣進(jìn)入窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)后，在二惡英的后合成溫度區(qū)間，水泥生料粉與煙氣快速換熱，煙氣溫度迅速下降，實(shí)現(xiàn)了煙氣的急冷。

（4）新型干法水泥生產(chǎn)線窯尾收塵器已普遍使用高效袋收塵器，滿足煙氣處置的要求。

通過(guò)檢測(cè)實(shí)際生產(chǎn)線，證實(shí)了窯頭RDF水泥窯焚燒系統(tǒng)和窯尾SPF爐水泥窯焚燒系統(tǒng)對(duì)二次污染均具有良好的阻斷效果，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 某水泥窯協(xié)同處置生活垃圾生產(chǎn)線主要污染物環(huán)保監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表3可以看出，主要污染物的排放指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)標(biāo)（GB 30485-2013），特別是對(duì)二惡英和重金屬的效果明顯，進(jìn)一步證實(shí)了該工藝系統(tǒng)對(duì)二次污染優(yōu)異的阻斷效果。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥窯協(xié)同處置城鄉(xiāng)生活垃圾工藝技術(shù)與裝備成功實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)生活垃圾的一體化處置和“零填埋”的目標(biāo)，為美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)作出了積極的貢獻(xiàn)，踐行了水泥行業(yè)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，展現(xiàn)了良好的環(huán)保效果、社會(huì)效益及發(fā)展前景。