北京生活垃圾科学利用初探―琉璃河水泥厂调研有感
北京市琉璃河水泥有限公司被列为北京市首批循环经济试点企业。作为北京金隅集团的重点企业，琉璃河有限公司承担了北京市“生态岛”的部分项目，在国内率先开发垃圾飞灰处置项目，将垃圾飞灰经过水洗、脱氯预处理后，作为水泥原料通过水泥回转窑高温煅烧彻底分解二恶英并将重金属固化在水泥熟料中，最终实现垃圾飞灰的无害化和资源化处置。目前，琉璃河水泥厂以打造生态友好型企业为目标，利用自身人才、技术优势，紧密结合首都城市功能定位和经济社会发展的新要求，在利用水泥窑资源化、无害化处置城市生活垃圾和处理水厂污泥的新技术方面进行了积极的探索，实现废弃物资源的循环利用的新突破。
通过深入探讨与实地参观，我们对目前北京生活垃圾如何科学利用有了较为明确的思路。
一、北京生活垃圾存在的问题与科学利用的思路
随着北京市人口不断的增长，每天所产生的生活垃圾越来越多。2007年，北京市生活垃圾产生量达619.5万吨，其中，生活垃圾清运量为600.9万吨，但处理设施能力不足，2006年底，北京市共拥有23座生活垃圾处理设施，总设计处理能力为15710吨/日。包括：小武基、马家楼、大屯等6座生活垃圾转运站，北神树、安定、阿苏卫、六里屯等 13座生活垃圾卫生填埋场，南宫、怀柔2座生活垃圾堆肥厂，昌平、顺义2座生活垃圾焚烧厂。而且近九成的是靠卫生填埋，焚烧、堆肥处理量刚超过一成，不仅资源化水平低、占用大量土地、安全隐患多，同时渗沥液还严重污染大气和水环境。目前北京生活垃圾问题主要表现在以下六个方面。
1、设施分布不合理。现有设施中80%以上处理的是城八区的垃圾，郊区县服务能力不足2550吨。随着农村垃圾纳入城市化管理，要求尽快增加设施处理能力和调整垃圾处理设施的整体布局。
2、资源化、减量化水平低，填埋场存在不同程度的环境污染。我市垃圾处理近90%是靠卫生填埋，焚烧、堆肥处理量仅占10%，处理技术单一，不仅占用大量土地，而且减量化、资源化水平低。直接填埋含有大量有机物和水分的原生垃圾，安全隐患多，沼气处理水平低，严重污染周边大气和地下水环境。垃圾填埋或堆放过程中会产生很多有害气体，包括硫化氢、甲烷和一些重金属气化物等，长时期吸入这些气体对人体健康会造成危害；对地下水的污染则是由于雨水流入垃圾堆体，使垃圾中的有害污染物随之渗漏造成的。
3、填埋场提前填满封场，未来垃圾无处销纳。随着经济社会发展、人口增多，垃圾日产生量快速增加，许多填埋场日都在超负荷运行，填埋场将提前填满封场。目前城市建设用地越来越紧张，同时用地制度不断完善和生态环境要求的不断提高，增加了设施建设用地选址的难度，寻找新的填埋场地非常困难，填埋场将面临无处建设局面。
4、市民谈“二恶英”色变，垃圾焚烧进展缓慢。市民对垃圾焚烧产生二恶英非常关注，对选用国外先进成熟工艺设备可达到欧盟排放标准以及一旦出现二恶英超标排放可以及时发现并处理不太信任。即便排放达标，对于二恶英这个难降解的有害气体，普遍认为在人体内有累积效应，时间长了，还会对人体健康造成严重危害。因此“十一五”规划中的4座新建焚烧厂，除高安屯已建成但未投入运行外，阿苏卫垃圾焚烧厂项目只完成建议书编制，六里屯和南宫垃圾焚烧厂项目处于缓建的状态。
5、垃圾堆肥销售、应用存在困难。目前，城市生活垃圾堆肥厂的堆肥产品销售市场低迷，产品应用范围有一定的局限性，这除了因为堆肥产品本身质量、人们的认识程度问题之外，还有一个重要原因就是缺少政府的政策支持。公园绿地不能施用垃圾堆肥的原因有几方面，一是垃圾堆肥养分含量低、杂质多，造成操作上的不便，二是由于有的垃圾堆肥没有完全腐熟，还有一定的臭味，影响公园的环境卫生；在农业中应用存在的主要问题是堆肥的有效肥料成分含量较低，在肥效上无法与化肥竞争，而且堆肥中重金属含量较高。其次，垃圾堆肥属于缓效性肥料，需要几年逐渐地发挥效应，其主要的作用在于增加有机质提高土壤肥力，在提高产量方面则不如化肥效果明显。另外，由于堆肥化对固体废物的减量化效果不高，处理后产物体积仍较大，需要较大的存储空间和较高的运输费用。
6、政策保障机制不健全。垃圾处理收费制度不健全，收费标准不统一，征收率较差，垃圾处理资金缺口大，不足以补偿垃圾收集、运输、处理成本及企业的合理盈利，不利于形成社会资金参与垃圾处理的多元化投资机制。另外，城四区垃圾处理设施均建在其它远郊区县，这些设施对建设地点产生不同程度的环境影响，亟待建立相应的环境补偿机制。
北京生活垃圾科学利用的思路是：综合利用、城乡统筹、技术先进、协调发展，大力推进生活垃圾的“减量化和资源化”，建设“资源节约型、环境友好型”新北京。在当前应对国际金融危机“保增长、扩内需、调结构”的形势下、在实现首都“保增长、保民生、保稳定”目标的要求下，北京生活垃圾科学利用更应依靠自主创新品牌、促进相关产业发展壮大。
北京生活垃圾科学利用应充分考虑以下四个关键因素。
1、充分考虑垃圾特性，因地制宜综合利用。由于经济和社会发展水平的差异，以及居民生活习惯的较大差别，北京城市生活垃圾的特性成分同欧美、日本等发达国家相比具有较大的不同。未经有效的分类收集，生活垃圾组分复杂，随地区和季节变化大。2/3由可生化降解的有机垃物质（主要是厨房下脚料等）为主，可燃物约占1/3，可回收物品约占1/3（可燃物与可回收物品之间可以交叉分类，如纸，即是可回收物品，同时又是可燃物）。垃圾热值低，一般在1200～1600kcal/kg左右；垃圾含水率高，一般在40～60%左右。垃圾容重为0.3t/m3左右。垃圾成分是选择任何垃圾处理方式的基础，垃圾处理理念和技术一定要建立于科学分析的基础之上，任何垃圾处理技术的应用都要视其组分而定，不能照搬照抄。就北京垃圾特性考虑，北京生活垃圾在分选的基础上，采取综合高效堆肥方式和催化热解方式较为适宜，考虑到目前土地紧张、垃圾减量化等因素，还应以高效低污染焚烧为主、以综合高效堆肥和催化热解为辅、水泥回转窑处理焚烧炉产生的飞灰、原生垃圾筛下物、焚烧炉产生的灰渣等填埋的综合治理方案。
2、加大科技攻关，解决二次污染问题。二恶英是含氯及碳氢化合物（塑料制品等）在燃烧的过程中形成的，具有强致癌性、生殖毒性、免疫毒性和内分泌毒性，毒性相当于氰化钾的1000倍，国际癌症研究中心已将其列为一级致癌物。我国城市生活垃圾由于有机物多(果皮及剩饭菜等)，含水量较大而热值较低，在焚烧过程中难以达到理想高温，并且含大量塑料袋及餐盒等塑料制品，在焚烧时更易产生二恶英。从这个角度将，应避免塑料袋和菜叶、果皮等无谓的燃烧。在垃圾焚烧烟气中二恶英生成的途径主要包括：
1）垃圾在废弃前就包含有一定量的二恶英，在焚烧过程中受热释放（挥发）出来，却因温度不够高、氧气不充分而未能完全分解、氧化，随焚烧烟气排出；
2）垃圾中包含的某些有机聚合物和含氯化合物，在焚烧过程中受热发生裂解和重组，连同垃圾中原来可能就带有的某些有机合成物一起，因温度和供氧条件不充分而未能完全分解、氧化。它们在随焚烧烟气进入后部烟道低温区时，可能再合成为二恶英；
3）飞灰在烟道低温（250～450℃）区段受飞灰中或吸附于飞灰表面的CuCl2和FeCl2催化作用，使二恶英得以通过“从头合成”的途径，由小分子化合物聚合生成。
因此，对焚烧烟气二恶英排放的控制，首先要优化焚烧过程以减少不完全燃烧的二恶英及其前驱物的生成，燃烧烟气在炉膛内850℃以上温度区域里停留1.5秒钟以上，再加上烟气流有足够的湍流度的条件，就可以保证二恶英及其前驱物的彻底分解；其次，在 400～600℃段速冷也可避免二恶英的重新合成，降速越快，生成的就越少。另外，在烟气净化装置中，弱化或抑制飞灰催化作用（CuCl2和 FeCl2），对二恶英进行吸附控制。在这三个关键点上，采用气化熔融焚烧炉或水泥回转窑焚烧生活垃圾，都具有高温段温度高、烟气停留时间长的优势，气化熔融焚烧炉还具有中温段速冷的优势，对于大大降低二恶英的排放有着绝对优势。
至于飞灰，除含二恶英外，还包含苯并蓖、苯并蒽等多种“三致”有机污染物和痕量重金属，被列为危险废弃物。因此，飞灰的无害化和资源化处置利用成为生活垃圾焚烧处理后最终处置的一个重要课题，水泥回转窑可将飞灰经过水洗、脱氯、高温煅烧等工艺彻底分解二恶英并将重金属固化在水泥熟料中。
3、充分考虑市区郊区统筹发展。预计2010年，我市生活垃圾日产生量达18215吨（665万吨 /年）。其中城区生活垃圾日产生量为9820吨（358万吨/年）、郊区县生活垃圾日产生量为8395吨（306万吨/年），城区和郊区县生活垃圾日产生量差距变小。郊区垃圾综合利用设施必须加速建设，实现市区郊区统筹发展。在郊区县生活垃圾利用方面，一是可以将粪便与生活垃圾中的有机部分结合起来厌氧发酵，产生沼气供居民家庭使用。厌氧发酵处理后通过固液分离，将固体进行堆肥处理、液体进行缓释肥和再生水生产。可生化降解垃圾都来自于土地，堆肥恰好通过一种健康的方式将来自于土地的生物质回归于土地；二是将生活垃圾和水泥工业结合，目前我市水泥厂分布在郊区县，利用水泥回转窑焚烧城市生活垃圾筛上物、处理飞灰，不仅可以减少煤粉的消耗，还可实现垃圾的极限利用、减少污染物排放。
4、利用效率是生活垃圾处理的生命线。目前我市生活垃圾处理费（财政补贴）为60～70元/吨，远低于国外垃圾处理费用。因此，不论采用堆肥、催化热解、水泥回转窑焚烧，还是气化熔融焚烧，如果收益或热利用效益高，就可解决成本问题、维持垃圾处理工作的正常运转。建立一个炉排垃圾焚烧发电厂或循环流化床垃圾焚烧发电厂大约是一个垃圾填埋场投资的4～5倍，若采用水泥回转窑焚烧或气化熔融焚烧技术，不仅可以大大减少设备投资，还能实现热效率或发电效率的提高。另外，一项技术能够节约土地、减少长期的维护费用、减少温室气体排放，尽管当前的成本看起来高，最终成本可能还会低。而如果只看到部分成本，没有充分分析污染控制和环境保护的全部成本，往往会在项目执行以后带来额外的成本或者造成环境的二次污染。
二、技术方案比较
卫生填埋、焚烧和堆肥是世界各国垃圾处理的传统方法。由于卫生填埋和堆肥技术已经成熟，今后的工作只需创新完善，就不再介绍，只针对垃圾焚烧技术和催化热解技术进行分析。目前，国内外投入运行的垃圾焚烧炉燃烧方式主要有：机械炉排焚烧炉、流化床焚烧炉、回转窑焚烧炉和气化熔融焚烧炉。
1、炉排型焚烧炉技术
炉排型焚烧炉的优势
1）垃圾进料和底渣排出系统比较简单，操作人员易于掌握操作的基本要素；
2）燃料适应性较广，飞灰量少。
炉排型焚烧炉的不足
1）由于垃圾燃料是堆放在炉排上以层燃方式燃烧，不能保证垃圾内层与燃烧空气的充分接触和受热。特别是应用到焚烧我国混合收集的高水分、低发热量垃圾时，常常导致垃圾燃烧不充分，排出的底渣甚至仍有恶臭，热灼减率一般偏高，容易造成二次污染；
2）我国混合收集的原生垃圾，含水率高，运到焚烧厂后，在垃圾储坑和焚烧炉排下方都会沥洒出垃圾沥出液，需要专门投资处理；
3）混合收集的原生垃圾，不仅水分高、热值低，而且所有有关组成和燃烧特性随时间和地段变化都很大。炉排上垃圾堆层的燃烧进程也总是偏离设计情况。炉排和它上方炉膛温度的分布和燃烧条件都更不稳定和不均匀，造成局部低温区的存在；
4）我国生活垃圾热值低，必须向焚烧炉膛大量喷入辅助燃料油，造成运行成本大幅度提高；
5）焚烧热能回收发电成本较高。通常生活垃圾中含氯化物较常用燃料高，焚烧烟气对生产蒸汽的锅炉管束金属材料具有更强的腐蚀性。为了避免过度腐蚀，保证设备安全，一般采用降低所生产的发电用蒸汽的温度和压力，或采用更加耐酸腐蚀的材料制造锅炉管束。前者会导致发电效率降低，后者提高了设备建造和维护费用，总之都使发电成本提高，降低了经济性。
6）烟气湍流度低，炉膛内温度分布比较不均匀，偏差超过400℃的情况很普遍。由此引起不完全燃烧和可能生成过量的二恶英类物质。同时由于炉排型焚烧炉内空气紊流度相对较低，使得部分生成的二恶英类物质随烟气通过低温区直接排放出焚烧炉，造成焚烧炉初始排放浓度过高，给后续消减处理带来很大困难。
2、循环流化床垃圾焚烧技术
循环流化床垃圾焚烧炉的优势
1）适于焚烧处理我国低热值、高水分的垃圾，燃烧后残渣中的未燃份（即炉渣热灼减率）＜1～2%；
2）不仅可以焚烧处置固形垃圾，同时也可燃烧处置其他形态、热值悬殊的燃料和废弃物，特别是可以焚烧处理垃圾堆放、储存过程中产生的垃圾渗沥液，解决了困扰焚烧处理厂垃圾渗出液的二次污染问题。
3）循环流化床焚烧炉因实现了均匀的燃烧温度，并采用了分级供风及炉内添加石灰石等措施，能大幅分解有毒有害物质，有效控制NOx、SOx等各类污染物的生成。
4）垃圾在循环流化床焚烧炉中能够得到充分燃烧，在高速流化造成的颗粒与烟气大滑移速度以及大的物料循环流率的共同作用下，紊流度高，沿炉膛高度和各个横截面内温度均匀，温差不大于100℃，可以有效遏制二恶英类物质产生。
5）燃烧效率高发电量大，经济效益好。循环流化床垃圾焚烧技术将发电量较同等蒸发量规模的炉排型焚烧炉提高了30%以上，提高了整体的经济效益，降低了设备投资并保证了安全运行。
循环流化床垃圾焚烧的不足
1）为避免不同季节、不同街区收集的垃圾品质差异对焚烧状态和效果的影响，在焚烧过程中需添加适量的辅助燃料，但可以掺烧燃料煤而不一定用燃料油；
2）由于炉膛高速流化烟气的夹带作用，飞灰比例较高，灰量较大。需按危险废弃物作专门处置；
3）炉膛燃烧温度低（一般在850℃左右），烟气停留时间短，在此区域容易导致二恶英类物质的产生，形成二次污染。
3、利用水泥回转窑焚烧城市生活垃圾筛上物技术
21世纪水泥工业的历史使命是转向绿色工业，“以治理环境为主，生产水泥为辅”的新观念正在被越来越多的水泥企业接受。利用水泥回转窑处理生活垃圾筛上物比专业焚烧炉在经济性、防止二次污染、无害化处理的彻底性方面都显示出一定的优势。
回转窑焚烧城市生活垃圾筛上物的优势
1）回转窑燃烧适应性广，可焚烧不同性能的废弃物
2）焚烧温度更高，气体和物料的停留时间更长，水泥窑内高温气体湍流强烈，使垃圾焚烧更彻底。
3）水泥窑全系统在负压下运行，有毒有害气体不能溢出，除尘效率高；
4）水泥熟料煅烧是在碱性条件下进行的，使有毒有害废弃物中的氯、硫和氟等在窑内被碱性物质完全中和吸收，变成无毒的氯化钙、硫酸钙和氟化钙，便于其废气的净化(脱酸)处理；
5）可固化飞灰中的重金属，不会因为垃圾中所含重金属而在生产过程和水泥产品的使用中给环境带来影响。
6）焚烧3－4吨生活垃圾筛上物，可代替代1吨煤粉，既处置了废物，又节约了能源，减少了CO2排放量。
7）比新建垃圾焚烧厂可以节省大量投资，只需针对垃圾工艺特性进行必要的改进比如：增加急冷塔，防止二恶英再生；改进上料系统；改进自控系统、检测系统等等。
8）节省了建设生活垃圾焚烧厂的土地，缓解了城市居民与垃圾焚烧厂建设的矛盾、解决了垃圾焚烧厂征地难题，社会效益显著。
回转窑焚烧城市生活垃圾筛上物的不足
1）热效率低，辅助燃料消耗较多。
2）处理量没有垃圾焚烧锅炉大。
3）技术还处于中试阶段
4）垃圾来源、处理费用需和市政部门交涉
4、气化熔融焚烧炉
生活垃圾气化熔融焚烧技术是世界各国，特别是发达国家目前正致力于开发的面向21世纪的新一代生活垃圾焚烧工艺。该工艺将生活垃圾中有机成分的气化和无机成分的熔融集成为一体，让生活垃圾在贫氧条件下部分燃烧实现气化，生成可燃气体，同时熔融处理飞灰和底渣。该工艺包含机成分的热解气化过程和热解残留物的熔融焚烧过程两个关键过程。
气化熔融焚烧技术的优势
1）在处理热值高于900kcal/kg的垃圾时，不用添加辅助燃料；
2）在设计工况条件下，实现高温烟气中90％以上的热能回收，比常规垃圾焚烧炉辅助燃料消耗量减少50%以上；
3）蓄热式气化熔融垃圾焚烧炉炉渣的热灼减率小于等于5%；
4）生活垃圾熔融处理温度高于1300℃，高温区的停留时间较长、烟气湍流度强，二恶英被彻底分解，而且能将绝大部分飞灰熔融固化下来；
5）焚烧气氛为还原性气氛，生活垃圾中的重金属在高温条件下以金属形态排出。可从根本上解决二恶英和重金属二次污染的问题。
6）可以实现700～800℃的烟气在半秒之内速冷到160℃，彻底避免二恶英的重新合成。
气化熔融焚烧技术的不足
1）需要价格昂贵的焦炭作为辅助燃料；
2）技术还处于中试阶段
5、催化热解生活垃圾技术
催化热解生活垃圾技术的优势：
1）热解在隔绝空气、850℃以下下进行，处理过程中的能耗较低，而且可以避免由于大量供应空气带来的烟气和粉尘排放造成的环境污染，以及由此引起的热损失。
2）热解北京生活垃圾可以生产富氢燃料气、热解焦和液体三种产品，热解产物产率分别为：富氢燃料气21.98%、液体产物38.13%固体热解焦39.89%。燃料气不仅可以作为煤气或合成气，而且可以重整生产高纯氢气。热解焦可以作为燃料，也可以进一步气化生产燃料气或合成气。热解液体经过加工可以混合油并进一步制备生物柴油和汽油。
3）每热解1吨生活垃圾，可以生产富氢燃料气大约150～180m3，是较好的燃料气，可以供一个三口之家使用3个月左右；同时生产热解焦约500kg以上，进一步气化可以生产富氢气体600～700m3；生产热解液体350kg以上，加工后大约可制得200kg左右的混合燃料油，可以直接使用或进一步加工成生物油品。
催化热解生活垃圾技术的不足：技术还处于中试阶段
三、结论与建议
1、北京生活垃圾科学利用的做法是综合利用。在垃圾分类或垃圾分选的基础上，将金属、塑料、纸张、玻璃等可再生资源回收利用；将生活垃圾中高热值、可燃物质供水泥厂、焚烧热电厂使用；将生活垃圾中的有机成份经高效堆肥或催化热解供农田、园林绿化或炼油厂使用；卫生填埋作为城市垃圾的最终处置手段，是垃圾筛下物、焚烧炉渣等最终残余物的最终处置方式。目前形势下，北京的生活垃圾利用必须走综合的处理道路，是焚烧、堆肥、热解和填埋的有机结合，要大力推进生活垃圾的“减量化和资源化”，使得生活垃圾得到更有效、更充分的资源利用。
2、北京生活垃圾科学利用要充分考虑垃圾特性、二次污染、市郊统筹、技术先进和利用效率或运行成本等关键因素，因地制宜综合利用。在当前应对国际金融危机“保增长、扩内需、调结构”的形势下，在实现首都“保增长、保民生、保稳定”目标的要求下，更应依靠自主创新品牌、促进相关产业发展壮大。
3、在垃圾焚烧方面。要重点考虑热利用效率和环境污染控制两大关键因素。烟气净化装置对二恶英的控制作用，只是一个防范措施，防范已生成的二恶英的扩散，而优化焚烧过程，则能够对二恶英的生成起到釜底抽薪的效果。相比较而言，气化熔融焚烧技术和水泥窑焚烧技术有着较强的综合优势。
气化熔融焚烧技术具有焚烧温度高、烟气停留时间长、可实现急冷功能、不用投入辅助燃料、不易浸出重金属和二恶英排放低等优良性能。能消除垃圾焚烧过程中二次污染物的产生，熔融渣能实现资源化再利用，处理过程对环境产生的负担接近零。因此，气化熔融焚烧技术是目前以及未来城市生活垃圾无害化处理技术的发展方向。
水泥窑焚烧技术燃烧适应性广，焚烧温度高、气体和物料的停留时间长、高温气体湍流强烈、碱性条件下进行、可固化飞灰中的重金属等优势。还可以减少煤粉消耗，既处置了废物，又节约了能源，减少了CO2排放量。同时可以节省大量投资、节省了建设用地，社会效益显著。
4、在垃圾堆肥方面。目前我国生活垃圾堆肥化发展存在的最突出问题是堆肥产品质量和市场问题。垃圾堆肥产品有机质和养分含量低、重金属、氯含量较高、市场有限、销售低迷等因素都制约着堆肥生产规模的发展，但堆肥市场潜力巨大，城市园林离不开有机肥、观光农业离不开有机肥、生产无公害蔬菜和粮食离不开有机肥、治理土壤荒漠化和沙漠化离不开有机肥。采用有效的垃圾分选技术、注重提高堆肥有机质和养分含量，将粪便与生活垃圾中的有机部分结合起来厌氧发酵、高效堆肥、缓释肥和再生水生产是北京郊区促进垃圾发展的重要方向。垃圾堆肥要重点开展严控堆肥质量、提高堆肥质量、进行深加工、拓展应用方向、制定标准规范、争取政策支持等工作。
5、对于催化热解技术。处理过程中的能耗较低、环境污染小，可以生产富氢燃料气、热解焦和液体三种产品，从目前的中试示范上看，是很适合北京生活垃圾特性的一种利用方式，也是生活垃圾高端处理利用的一种新技术。建设一个年处理10万吨废弃物的热解炉，每年可生产混合油2万多吨、生产热解气和气化气8千万立方，以原油价格1500元/t、燃气0.4元/m3计算，年产值可达6200万元，经济效益十分可观。
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