水泥窑和焚烧炉联合处理城市生活垃圾技术及应用
1 前言
随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的产生量迅速增加。根据国家统计局《城市环境情况（2000-2005 年）》等资料，从2004年起全国城市生活垃圾产生量已超过1.5亿吨，有近一半的城市生活垃圾得不到无害化处理。垃圾的危害主要体现在：影响市容市貌；占用耕地，污染土壤及农作物；污染地下水和地表水；污染大气，使颗粒物和气态污染物浓度增加。垃圾直接堆放和简易填埋向大气释放大量的有害气体，其中还含有致癌物，垃圾在堆放腐败过程中产生大量酸性和碱性有机污染物，并溶解出垃圾中的重金属，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源，此外，垃圾堆积场爆炸事故不断发生，造成重大损失。沈阳市曾经对35 处填埋场中的10处地下水分析，发现地下水质恶化，水混浊发臭，水中均检出厌氧大肠杆菌；垃圾断层样品均检出有毒有害物质，污染严重。合肥清溪路垃圾填埋场2000年1月封场，禁止填埋垃圾，但是，多年积攒的渗漏液仍对流经合肥的南淝河——直到巢湖水质造成污染，不得已只能再次治理。为保护人居环境，实施生活垃圾无害化处置工程已作为国家环境保护“十一五”规划污染治理的重点领域和主要任务。
在城市生活垃圾无害化处理的卫生填埋、堆肥、焚烧3 种方式中，2005年卫生填埋占85.78%，焚烧为9.90%。近几年虽大力发展垃圾焚烧处理方式，所占比例仍无明显增加，可以说，目前我国垃圾处理仍以填埋为主。环境效益较好的垃圾焚烧方式推行缓慢的原因在于：我国处理生活垃圾的焚烧技术为引进或在此基础上消化吸收的焚烧发电技术，由于我国垃圾水分高、灰分高、热值低，使得垃圾焚烧发电存在投资和运行费用太高，垃圾热能利用率太低，运行过程中一般要补充矿物质燃料，灰渣要另行处理，废气中二噁英等有害气体脱除系统复杂等一系列问题。发达国家也在审视垃圾焚烧发电技术的环境友好性，以现有工业协同处理废物技术逐渐成为处理生活垃圾的新视点。现有工业处理固体废弃物不仅能消除废弃物对环境的污染，而且能为现有工业提供原料和燃料。水泥工业对固体废弃物的处理所具有的环境友好性和投资及运行费用的经济性已为世界各国公认。以下对探讨水泥工业处理和利用生活垃圾的技术，以期水泥界同仁协力，使水泥工业对环境保护作出新贡献。
2 垃圾焚烧后的灰渣或飞灰作为生产水泥的替代原料
该技术是垃圾焚烧厂直接处理垃圾，水泥厂把垃圾焚烧厂焚烧生活垃圾时产生的灰渣、飞灰或污泥等废物为主要原料生产水泥。日本把以废物为主要原料生产的水泥称之为生态水泥，或称环保水泥、绿色水泥。由于灰渣等废物中含有大块和金属物质，化学成分中氯含量往往超过水泥生产对原料质量的要求，水泥生产线须设置对垃圾焚烧炉灰进行除去大块、磁力筛选等工序，并对飞灰进行水选和脱氯处理后，才能成为水泥原料。生态水泥的原料成分约为：石灰石52％、焚烧灰渣38％、污泥9％、其他1％，水泥性质与普通硅酸盐水泥相同，可广泛应用于混凝土建筑和地基等。日本环保水泥株式会社从1999年3月就开展了生活垃圾焚烧残渣生产生态水泥的研究，2001年4月开始试生产这种生态水泥。2002年7月20日通过了经济产业省制定的生态水泥国家行业标准，2003 年在东京都三多摩地区开始建设环保水泥项目。该项目能处理全市垃圾焚烧设施所产生的灰渣，处理量每年9.4万吨，水泥产量可达每年13万吨。
该处理方式要建垃圾焚烧厂，焚烧垃圾时往往要添加化石燃料，产生的灰渣再由水泥厂处理。以专门的垃圾焚烧厂处理垃圾是上世纪80年代日本处理城市生活垃圾技术路线的模式，产生的灰渣等无处堆放，二次污染环境，不得不向水泥工业寻求出路。该处理方式，总体花钱很多，后遗症不少。目前我国发展的垃圾焚烧方式，有可能步日本之后尘。为此，我国水泥专家高长明呼吁：“从日本生态水泥中应吸取教训和经验”。
3 垃圾制成垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，RDF)，以此作为水泥烧成的替代燃料
该技术是建设专门的生活垃圾预处理厂，在预处理厂对生活垃圾筛分、除铁、风选、破碎、除去非铁质金属、除去玻璃陶瓷、挤压出水分等，将可燃部分选出。对选出的可燃部分进行破碎、烘干、加入添加剂、成型、筛分、制成衍生燃料（RDF）成品。实际RDF生产线的构成取决于生活垃圾的组成特点，同时考虑运行的经济性和环境问题。一般情况下，RDF生产线以筛分或手工分选开始，捡出垃圾中的大件，使后续设备不会因物料太大而降低效率。垃圾进入破碎或磨碎前，需进行除铁和风选，分离出其中的金属物质和玻璃陶瓷等无机物，防止金属块和硬的无机物对破碎或磨碎设备的磨损。磨碎段应设置在破碎之后，以提高效率。破碎后的垃圾进入干燥段烘干，烘干过程应配备除臭装置，避免污染环境，制作过程中使用的添加剂通常为高热值的煤和防臭防腐的生石灰，最后进行硬化处理，挤压或造粒成型。目前欧美大多数国家对RDF都明确地规定了质量标准。如意大利对RDF的性质提出了热值、不可燃无机物含量、有害物质含量等多方面要求。按质量标准生产的RDF组成均一、能量密度大、燃烧效率高，易于储存和运输。水泥厂可以方便地使用RDF作为替代燃料，由窑头燃烧器喷入水泥窑内燃烧。世界水泥工业应用替代燃料广泛采用由专业公司进行收集、加工，以品质稳定的成品供给水泥厂使用的模式，如法国、比利时、挪威、德国、美国等均形成这样的二次燃料供应渠道。
该处理方式虽然方便了水泥厂对垃圾产品——衍生燃料的使用，但是要建设垃圾预处理厂，对垃圾分拣和处理。分拣后的不可燃物得不到利用，要另行处理；再者，RDF制作过程中添加高热值的煤，也是用化石燃料处理垃圾。我国现行生活垃圾成分复杂、水分高、热值低，采用该处理方式并不经济，垃圾预处理时二次污染控制也很困难。
4 垃圾分选后分别作为生产水泥的替代原料和替代燃料
该技术是将垃圾直接送到水泥厂，在水泥厂建设预处理车间，对生活垃圾筛分、除铁、风选、破碎、除去不可燃的无机物、挤压出水分等，将可燃部分选出。对选出的可燃部分再进行破碎、烘干，加工成能够用特制喷煤管喷入水泥窑燃烧的燃料。除去的不可燃的无机物作为生产水泥的原料，在磨制水泥生料时搭配进去，成为替代原料。该技术工艺流程如图。
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工作过程介绍如下。
垃圾由市政环卫部门的垃圾运输车直接运到水泥厂的预处理车间，经地磅计量后倒入垃圾储池储存。抓斗从垃圾池把垃圾抓入板式输送机，人工挑选出大件垃圾、大块建筑垃圾和可回收物，其余被送入一级滚筒筛。在该滚筒筛内垃圾被打散、筛分，筛分粒径为80mm，由于大量的渣土、厨余、陶瓷玻璃碎片、塑料碎片粒度较小，通过筛孔被分选出来，筛上物为纤维物、大片塑料、包装盒及各种容器、大块食品、竹木等。筛上物在送往风选装置前先被磁选，风选将其中的塑料、纸张等轻质物进一步选出，送入可燃物堆场；余下的纤维物、包装盒及各种容器、大块食品、竹木等经粗破碎后与经过磁选的一级滚筒筛筛下物混合。混合物含较高水分，通过带式挤压机挤压，挤出的污水与垃圾储池产生的污水排入污水处理系统，达标后排放；挤压后的垃圾进入第二级滚筒筛。第二级滚筒筛筛分粒径为40mm，筛上物为不易破碎的纤维物、竹木等可燃物，送入可燃物堆场；筛下物为破碎了的陶瓷玻璃容器、渣土、厨余，还混入小片的塑料薄膜等轻质物。
为消除小片的塑料薄膜等轻质物对水泥生产设备或生产过程的影响，对第二级滚筒筛筛下物用密度分选机分选，把小片的塑料薄膜等轻质物分选出，送到可燃物堆场；密度分选后的陶瓷玻璃容器、渣土、厨余等掺入生料粉或窑灰，在螺旋搅拌机搅拌混合后，进入不可燃物预均化堆场，作为水泥生产的替代原料。由风选、二级滚筒筛、密度分选的可燃物进一步细破碎，进入可燃物预均化堆场，作为水泥生产的替代燃料。
不可燃物从预均化堆场取出，由胶带运输机送至水泥厂原料配料站的替代原料库，与其它原料一样，经配料秤称重，按一定的比例配料，然后进入生料磨粉磨。可燃物从预均化堆场取出，由运输机送至水泥厂窑头仓，通过计量秤称重后由气力喷射装置从水泥窑头喷入水泥窑燃烧。在以上的垃圾处理过程中，卸料及垃圾储池、预处理车间、堆场等均为封闭式，排放的气体进入熟料冷却机高温处理，尽量减少异味的外泄和扩散。
该方式是欧洲诸国多年处理城市生活垃圾技术路线的模式，由于水泥窑系统热容量大、温度高，垃圾处理过程不需要外加化石燃料；分选过程中有挤压工序，能处理水分含量高的垃圾。但是其分选和后处理系统复杂，过程存在污染，需要对污水处理，运行费用仍较高；不可燃物中掺杂的有机物随同生料进入预热器，在低温段分解，造成预热器排出气体中有机气体份量增加。
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图1 分选处理流程
5 垃圾焚烧炉和水泥窑联合处理垃圾
该技术为在水泥回转窑旁设置垃圾焚烧炉来联合处理原生城市生活垃圾，采用该办法处理城市生活垃圾，既不同于日本的垃圾焚烧发电后由水泥厂处理灰渣的技术，也不同于西欧对垃圾分选后直接由水泥窑处理的技术，而是根据我国人民生活水平的现状，适合我国垃圾特性，吸收他们的长处，并克服其不足，我们自主创新的一项新技术。采用该技术，可以将垃圾热能和灰渣全部利用，污染物排放低，不需要二次处理，投资省，费用低。该技术已取得二项国家新型专利授权（专利号：200620113310.5，200620113309.2），发明专利（申请号：200610076668.X）也通过了审察。以该技术为依托的工业试验系统于07年11月15日在川煤广旺集团天台水泥厂成功点火。试验表明：新鲜城市生活混合垃圾，以冷却水泥熟料的热风作燃烧空气，一个纱团即可点燃，不用外加燃料可以持续燃烧，对水泥生产系统尚未表现出明显影响。
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图2 联合处理流程图
该技术不需要建设专门的垃圾焚烧厂或垃圾预处理车间，而把垃圾焚烧炉建在新型干法水泥窑旁边，由垃圾焚烧炉和水泥窑联合处理生活垃圾，工艺流程见图2，处理过程叙述如下。垃圾由市政环卫部门的垃圾运输车直接运到水泥厂，经地磅计量后倒入垃圾储池储存。抓斗从垃圾池把垃圾抓入板式输送机，人工挑选出大件垃圾、大块建筑垃圾和可回收物，其余被带式输送机送入喂料小仓，输送过程中由除铁器除去磁性金属。喂料机把小仓内的垃圾均匀地喂入焚烧炉，利用熟料冷却机的热风作为燃烧空气，热风从水泥窑窑头罩抽取，进入回转式垃圾焚烧炉，垃圾在热风的作用下焚烧，垃圾焚烧产生的高温烟气（1100℃左右）进入窑尾分解炉和预热器，与水泥生料换热，为水泥生料分解提供热量，然后被窑尾废气处理系统净化后排放。垃圾焚烧灰渣直接进入回转窑作为水泥原料，结合于熟料之中。垃圾焚烧灰渣也可以从焚烧炉排出，作为混合材，用于磨制水泥。处理过程全部封闭，垃圾在垃圾池储存期间，有机物腐败产生的臭气等有机气体由排风机抽出，经除尘器除尘后送入冷却机头部的鼓风机，再被鼓入冷却机，与1400℃左右的熟料接触，在高温下被分解而净化。
该技术以冷却水泥熟料热风作为垃圾燃烧空气，采用回转式垃圾焚烧炉，解决了我国垃圾成分复杂、水分高、热值低的缺陷，不需外加燃料，能处理大量的城市生活垃圾，使得垃圾的热量和物质全部被利用，同时很好地解决了垃圾储存时散发的臭气等有机气态物的污染，做到垃圾的资源化、无害化、无残留物处理。
6 天台水泥厂试烧垃圾概况
天台水泥厂采用圾焚烧炉和水泥回转窑联合处理原生城市生活垃圾，水泥生产系统为300t/d 五级预热器生产线。为焚烧垃圾，改造了窑头罩，增加了简易分解炉和三次风管。在三次风管下面安装了我们取得专利权的回转式垃圾焚烧炉，并配套了取得专利权的垃圾喂料机。生活垃圾由广元市环卫处运输队从正运向垃圾填埋场的垃圾车临时调来，可以说，垃圾为随即抽取的新鲜综合垃圾。焚烧稳定状态时，水泥窑产量 10.5t/d，垃圾焚烧量约2t/d，折合生产1t熟料焚烧0.2t垃圾。三次风管热风温度为600℃时，垃圾焚烧温度大于950℃。垃圾在焚烧炉内停留时间超过30分钟，焚烧烟气在炉内温度大于900℃段的停留时间超过1秒钟，由于焚烧烟气出焚烧炉后通过管道进入分解炉，分解炉内温度超过900℃，焚烧烟气在大于900℃段总共停留时间将超过5秒钟。试烧过程，通过调整分解炉的喂煤量来弥补垃圾热值的波动，稳定分解炉温度，系统未出现结皮等明显影响生产的现象。由于资金限制，试验配置的硬件设施做不到把垃圾灰渣直接送入回转窑，现在把垃圾灰渣作混合材使用，垃圾中有害物质对水泥生产工艺和产品质量无影响。该试烧工作将通过长时间的试烧，进一步验证焚烧垃圾对环境、水泥生产、产品品质的影响，并对比其它垃圾处理方式，研究其经济性。
7 结束语
水泥工业是高能耗、高资源消耗的产业，水泥生产的能量需求通常占生产成本的30～40％。2007年全国水泥产量达13.5亿吨，今后还要继续增长，资源和能源消耗巨大。根据“十一五” 规划，“十一五”末我国能源使用量要平均比“十五”期间，降低20%以上，按照这一要求，水泥工业的节能压力巨大。固体废物所具有的热量和物资，将为水泥工业提供替代燃料和替代原料，研究和开发水泥工业利用和处理固体废物技术，以达到节约能源和废物处理的目的，将有利于现实的节能减排，是水泥工业发展的重要方向。
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