水泥窯協同處置危險廢物的碳減排分析

芮文潔，趙旭紅，徐晟銘，湯留強，嵇 磊（溧陽中材環保有限公司，江蘇 溧陽 213363）

0 引言

水泥工業是國民經濟的重要基礎產業，然而在為社會進步及經濟發展作出巨大貢獻的同時，水泥的生產也消耗了大量的資源和能源，產生了大量的溫室氣體CO2。水泥行業二氧化碳的排放量僅次于電力行業，位于全國第二，據統計，2017年全國水泥產量23.16億t，年碳排放約11.4億t；水泥工業碳排放量占整個工業碳排放量的20%，占全國碳排放量的12%，約占人類活動所產生二氧化碳總量的5%[1-2]。

在水泥生產過程中燃料產生的CO2占碳排放總量的40%，而采用產生CO2少的其它礦物燃料和生物質燃料替代常規燃料（如煤碳和石油焦），其產生的CO2比煤的CO2排放強度小20%～25%[3]。因而利用水泥窯協同處置廢棄物，如生活垃圾、污泥、危險廢物等，可大幅度降低CO2的排放量，是水泥企業碳減排的一條重要技術途徑。其中，危險廢物中有機質含量通常在55%以上，在水泥窯中煅燒時會產生熱量，焚燒后的殘渣主要是硅鋁無機鹽，可作為水泥生產需要的硅鋁質原料，危險廢物中的有機成分和無機成分均能得到充分利用，因此危險廢物可用作水泥生產替代燃料。但由于危險廢物中有害元素易超標，導致危險廢物替代水泥窯燃料存在一定風險。

本文以溧陽某水泥窯協同處置危險廢物項目為研究對象，通過分析危險廢物燃料替代率，核算危險廢物預處理過程、水泥生產過程及協同處置過程的CO2排放量，以實際案例分析進一步明確利用水泥窯協同處置危險廢物的減排效應。

1 協同處置危險廢物工藝

溧陽危險廢物項目根據危險廢物液態及固態/半固態兩種不同形態，對其分別進行預處理。經預處理后的危險廢物由汽車輸送至水泥廠接收倉，根據不同形態分別進窯頭投料點和分解爐投料點。工藝流程圖見圖1。

圖1 協同處置危險廢物工藝流程圖

2 燃料替代

危險廢物作為傳統燃料的替代率受處置量的限制。據調查，該項目的水泥廠未處置危險廢物時，用煤量638.4 t/d，實測平均熱值27.10 MJ/kg；根據2018年的生產數據，危險廢物處置量為87.1 t/d，實測平均熱值9.76 MJ/kg通過熱值換算得到危險廢物折合實煤比例為0.36，可得到替代率為4.9%，替代率公式[4]：替代率=被替代煤量/替代前用煤量。

同時，危險廢物作為替代燃料具有一定風險性，其替代率也受水泥熟料中有害物質含量的限制，而熟料中有害物質的投入量取決于入窯危險廢物、煤粉、生料中有害物質的含量。在危險廢物替代率為4.9%的工況下，分別對入窯物料中氯、氟、硫以及重金屬進行分析核算。

（1）氯（氟）元素。入窯物料中氯（氟）元素按式（1）計算：

式中，C—入窯物料中氟元素或氯元素的含量，%；Cw、Cf和Cr—危險廢物、煤粉、生料中的氟元素或氯元素含量，%；mw、mf和mr—單位時間內危險廢物、煤粉、生料的投加量，t/d。

在溧陽項目中mw、mf和mr分別取值87.1，606.9，7 440t/d；氯（氟）、硫元素含量取值參照表1，計算可得入窯氯元素0.019%，氟元素0.0001%。

表1 有害元素取值

（2）硫元素。本項目僅從分解爐高溫區投加危險廢物，因此危險廢物和配料系統投加硫的總量的計算如式（2）所示。

式中，S—硫的投加量，mg/kg；SW、Sf和Sr—危險廢物、煤粉、生料中的硫含量，%；mW、mf和mr—單位時間內危險廢物、煤粉、生料的投加量，t/d；mcil為熟料產量，本文選取5000t/d。計算可得入窯單位熟料硫元素1 271mg/kg。

（3）重金屬。危險廢物、煤粉、生料中的重金屬含量以及物料投加速率決定了入窯重金屬投加量，重金屬的單位熟料投加量（mg/kg）計算見式（3）。

根據《水泥窯協同處置固體廢物環境保護技術規范》HJ 662—2013，入窯物料中氯元素含量不應大于0.04%，氟元素含量不大于0.5%，從窯尾高溫區投加的硫的總含量不應大于3000mg/kg，由上述計算可得，在危險廢物替代率為4.9%的工況下，入窯的有害元素均在標準限值以下，該種工況可行。

表2 重金屬含量 mg/kg

3 碳排放計算

水泥窯協同處置危險廢物，在實現危險廢物減量化的同時，也實現了水泥熟料生產過程中燃料的替代，有效減少碳排放。以溧陽項目為實例，對水泥廠在生產過程中的碳排放進行核算。

3.1 直接排放

直接排放主要分為碳酸鹽分解和燃料燃燒，其中碳酸鹽分解占熟料煅燒碳排放的60%。行業中通常按燒成熟料中的氧化鈣和氧化鎂計算生料中的碳酸鹽分解產生的CO2的排放量[5]，見公式（4）。

式中，M1—熟料質量，t；Mckd—窯頭粉塵質量，t；Mbpd—旁路放風粉塵的質量，t；m2—熟料中氧化鈣的比例，%；m3—熟料中不是來源于碳酸鹽分解氧化鈣的比例，%；m4—熟料中氧化鎂的比例，%；m5—熟料中不是來源于碳酸鹽分解氧化鎂的比例，%。

根據2018年生產統計，熟料年產量150萬t；窯頭粉塵質量年產3.24萬t（108 t/d）；旁路放風粉塵質量年產3150 t（10.5 t/d）；熟料中氧化鈣、氧化鎂的比例分別是65.4%和1.6%。危險廢物中能提供原料替代碳酸鈣碳酸鎂的成分比例較少，因此這部分減排效果不明顯，不進行相關計算。

燃料燃燒是產生CO2的另一重要來源，燃料燃燒包括煤燃燒和替代燃料燃燒。根據2018年數據可知在不燒危險廢物時，噸熟料標煤耗為103.27 kg/t；燒危險廢物時，噸熟料標煤耗為101.95 kg/t。噸熟料標煤耗下降1.32 kg/t，則處置危險廢物年可節約標煤1980t，可減排4 936.14 t的CO2。

3.2 間接排放

水泥熟料生產過程中間接排放主要來源電力消耗，其計算見公式（5）。

式中，R—熟料生產中的CO2排放量，t；Ei—熟料生產過程中電力消耗量，kWh；Eγ—水泥窯余熱發電的送電量，kWh；EF—全國電網平均排放因子，0.86 CO2/kWh。

根據實際生產統計，正常生產時噸熟料綜合電耗為58.19kWh/t，燒危險廢物時噸熟料綜合電耗為56.02kWh/t。年產熟料150萬t，則可降低電耗325.5萬kWh，折合減少排放二氧化碳3245.24 t。

3.3 危險廢物預處理碳排放

對危險廢物預處理車間抓斗、破碎混合、除臭系統等進行分項電耗計算，經統計2018年危險廢物預處理車間總電耗為319497 kWh，增加CO2的間接排放318.54 t。

3.4 危險廢物焚燒產生的碳排放

水泥窯協同處置過程中會有部分CO2排放，根據IPCC國家溫室氣體清單優良作法指南和不確定性管理辦法，借鑒固體廢物焚燒方法的計算公式[6]：

式中，MSW—廢棄物的處置量，t；CCW—廢棄物中碳含量比例，%；FCF—廢棄物中礦物碳比例，%；EF—完全燃燒效率，%。

據統計，年處置危險廢物2.06萬t，采用ICPP指南中推薦的下限值，即關鍵排放因子CCW、FCF、EF分別取33%，30%，95%，CO2的排放量為1928.03 t。

生產過程中涉及碳排放的環節整理見表3。

表3 協同處置危險廢物的碳排放量 t

危險廢物中部分含有較高的熱值，例如廢有機溶劑，在協同處置的過程中，熱量貢獻給熟料燒成過程，減少了水泥窯自身燃料用煤。由表2可得，相較于預處理車間的電耗以及協同處置過程中危險廢物焚燒產生的碳排放，煤耗降低帶來的碳減排作用更為明顯，在處置危險廢物的過程中，年減排CO25 934.81t，折合1t危廢可減排0.288t二氧化碳。

4 結語

以溧陽項目為工程實例，通過對危險廢物作為傳統燃料替代率以及在該替代率下入窯原料有害元素的核算，可確保在4.9%的替代率工況下，滿足入窯有害元素限值要求，符合投料標準。

通過對水泥窯協同處置危險廢物各個環節的碳排放核算，可得到在4.9%的燃料替代率工況下，每噸危廢可有效減排0.288t二氧化碳。

利用水泥窯系統處置危險廢物不僅充分利用了危險廢物中的有效成分，替代燃料減排CO2，同時也可推動當地循環經濟的發展，改善當地居民生活環境質量，具有很好的經濟效益、社會效益和環境效益。