利用水泥窑采用气化方式处理城市生活垃圾
摘要:目前，我国大量城市生活垃圾已将部分城市包围，每年的产生量并以平均5-8%的速度增长，生活垃圾的处理问题日益严重。而传统的填埋法、堆肥法、焚烧法却未能奏效，无法杜绝二次污染，尤其是关于垃圾焚烧法(发电)能否消除二噁英引起多方争议，至今未有结论。用水泥窑协助处置生活垃圾将开拓处理生活垃圾的新思路，一些水泥企业正在积极研发处理生活垃圾的新技术。下面就海螺集团开发应用的CKK垃圾焚烧技术做一介绍。
1 概述
1.1城市生活垃圾概念
生活垃圾是指在日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废物。城市生活垃圾主要由居民生活垃圾、街道保洁垃圾和单位垃圾组成，不同来源的垃圾，其成分和特性也不尽相同。
1.2中国城市生活垃圾现状
目前，我国历年垃圾堆存量已达60亿吨，占用耕地5亿平方米。全国660个城市中有200个城市陷入垃圾包围之中。城市生活垃圾产生量以平均每年5-8%的速度增长，导致城乡结合区域环境恶化，危及可持续发展。预计到2010年，城市生活垃圾产生量将达到2.64亿吨，2030年为4.09亿吨，2050年为5.28亿吨。
1.3生活垃圾现行处理方法
目前垃圾处理方法主要有填埋、堆肥及焚烧处理三种方法。
填埋法。填埋法简单、投资省。但由于我国垃圾填埋处理过于简单，其处理方式存在以下缺点：一是浪费很多可回收资源，处理能力有限，占用了大量土地。二是仅靠垃圾自己的腐化反应使垃圾自己减少、消失，垃圾处理周期长。三是存在严重的二次污染，垃圾渗滤液和挥发气体污染地下水、空气，导致土壤沙化。
堆肥法。垃圾堆肥是垃圾中有机成分的处理技术，这一方法可以用于处理某些行业或生产中产生的高水分、富含有机物的垃圾，但不能处理所有种类的生活垃圾，且减容减量及无害化程度低，垃圾处理量少，经筛选后不适合堆肥的垃圾还需采用其他方法加以解决。由于堆肥质量差、缺乏应用市场。
焚烧法。焚烧处理技术的特点是处理量大，减容性好，无害化相对彻底，利用焚烧过程中产生的热量可以能源化，是世界各发达国家普遍采用的一种垃圾处理技术。垃圾焚烧炉主要有炉排炉和流化床炉两种。
1.4、利用新型干法水泥窑和气化炉相结合的方法处理城市生活垃圾。
利用新型干法水泥窑和气化炉相结合的方法处理城市生活垃圾(简称CKK系统)，是一种比以往的流化床燃烧方式更先进的焚烧形式。是一种将垃圾的一部分热量用于燃烧，将剩余的可燃部分作为可燃气体从炉中导出有效利用到水泥工艺中去的方式。
流化床气化垃圾焚烧炉是在炉内铺设一定厚度、一定粒度范围的石英砂，通过底部布风板进入一定压力和流量的空气，将砂粒吹起、翻腾、浮动。流化床内气—固混合强烈，传热传质率高，单位面积处理能力大，具有极好的着火条件，垃圾入炉后即和灼热的石英砂迅速处于完全混合状态，垃圾受到加热、干燥、气化，炉内燃烧温度控制在一定的范围内。由于采用了气化炉，有下列优点。
1、可回收有价值的资源物质。用低温还原氛围条件进行气化处理，铁?铝以未氧化状态得以回收，便于再利用。
2、实现稳定气化。垃圾不完全燃烧，用低空气比进行气化处理。
3、便于排除不可燃物。气化炉采用散气管方式，便于排除不可燃物。
4、小型化。低空气比运行，使炉床负荷增大(单位面积和时间内处理垃圾量大)，炉床面积较已往的炉小，实现小型化。
5、防止不可燃物质混入影响水泥质量。
6、不需要专设的污水处理处理系统。
7、不需要助燃燃料(助燃只用于启动时)。
2 CKK系统技术方案简介
垃圾由垃圾收集车运送到垃圾储仓内储存，用行车进行搅拌和均化，在破碎后继续用行车进行搅拌和均化并将垃圾输送至供料装置，定量送至气化燃烧炉中。投入至炉内的垃圾与炉内的高温流动介质接触，一部分通过燃烧向流动介质提供热源，另一部分气化后形成部分可燃性气体送往分解炉内，经分解炉、预热器处理及废气处理系统净化后排出。同时，垃圾中的不燃物在流动介质中一边沉降一边移动，到了炉底部时从垃圾中进行分离排出，掺入到水泥生料中或作为混合材掺入到水泥中，有以下系统构成。
2.1前处理及供料系统
前处理及供料系统是计量设施、储存设施、破碎设施及输送设施组成。进厂垃圾车经计量后送至卸料平台，经密封门卸入垃圾储库内，在垃圾储库内垃圾由行车进行垃圾均化，然后喂入垃圾破碎机，破碎后的垃圾回到储库内，由行车喂入气化焚烧炉的喂料仓，详见图2-1。
大机破碎由专门的大块垃圾破碎后送入垃圾储存库块垃圾。
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图2-1 前处理及供料系统图
2.2垃圾焚烧系统
该系统由稳定向气化焚烧炉内输送垃圾的供料装置及气化垃圾的气化炉组成。垃圾喂料仓中的垃圾经过密封喂料机、打散机均匀地喂入垃圾气化焚烧炉内。垃圾与蓄热介质接触，一部分垃圾进行气化燃烧，燃烧产生热量用来保持蓄热介质的温度，使垃圾持续气化;另一部分垃圾形成气化产品输出到水泥窑系统中进行燃烧。
垃圾供料装置通过特殊结构的螺旋叶片，定量向气化炉内稳定供料，形成稳定的垃圾气化过程。气化焚烧炉炉内壁砌筑耐火材料、防止高温气体对炉内造成损伤，同时蓄热保温，提高热效率，垃圾焚烧系统见图2-2。
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图2-2 垃圾焚烧系统图
2.3不燃物处理系统
该系统是将垃圾燃烧后的不燃物由气化炉排出，由能够有效维持气化炉的性能的排出装置、各种输送设备及分离装置、砂循环提升装置、砂储存装置构成。
气化炉内垃圾燃烧后产生一定量的灰渣(不燃物)在流动介质中一边沉降一边移动，沉到炉底部时通过砂分级装置从垃圾中进行分离排出。分离排出的灰渣通过磁选机、铝分选机分离出铁质和铝质物品，剩下的灰渣(不燃物)送入储仓内储存。灰渣可做为原料送到生料磨的循环斗提或做为混合材送入水泥粉磨系统，详见图2-3。
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图2-3 灰渣处理系统图
2.4供风系统
该系统由向气化炉内提供燃烧空气的供风系统及气化炉产生的可燃气体向分解炉输送的管道系统组成，为保证垃圾坑内的臭气味不外泄，需要抽垃圾坑内的空气保证其负压，抽取的空气作为气化炉的燃烧空气同投入气化炉内。气化炉停运时，通过另设的一套除臭机，通过除臭机抽取综合用房内臭气净化后排出室外，使综合用房内的气味不外泄。
2.5点火及喂煤系统
该系统是为将气化炉起动、停止以及低热值垃圾进行助燃而设置的装置。焚烧炉的启动依靠燃油热风炉提供的热风来加热流化介质到一定温度，再投入垃圾进行气化燃烧。当垃圾热值很低时需要加入适量的碎煤进行助燃，以保证垃圾的稳定燃烧，点火及喂煤系统详见图2-4。
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图2-4 点火及喂煤系统图
2.6垃圾污水处理系统
垃圾中的污水是浓度非常高的有机污水，按照通常的排水处理难以进行。垃圾储库渗出的污水经垃圾污水过滤器送入垃圾污水贮存槽，根据其主要成份是有机物，具有不耐热的特性，采用密闭的泵将污水提升，向气化炉内喷射，通过高温水泥窑进行蒸发氧化处理，完全分解有机成分，实现无害化，实现生产污水为零排放。
垃圾污水处理系统见图2-5。
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图2-5 垃圾污水处理系统图
2.7有害物质分离系统
该系统是将水泥生产的碱、氯等有害物质，排出系统外的装置。在窑尾烟室部位，聚集有高浓度的碱、氯等元素，在此设抽取口抽出含高浓度有害物质的气体，鼓入冷风对其进行快速冷却，使其产生氯类结晶体，经过袋收尘收集下来，将有害物排出系统。收集下来的粉尘做为混合材掺入水泥中或另行处理，详见图 2-6。
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图2-6 有害物质分离系统图
三、水泥窑炉降解二噁英的机理
垃圾焚烧产生的二噁英等有毒物质，利用新型水泥干法采用气化炉焚烧法完全可以控制在安全排放的范围内，这是由新型干法水泥工业窑和炉的内部环境状况和采用气化炉处理工艺决定的。
二噁英的基本概念。众所周知，采用常规低温(<800℃)城市废弃物焚烧方法，极易形成恶毒性很强的有机多氯代二苯并噁英(PCDDS) 和多氯代二苯呋喃英(PCDFS)，结构图见图2-7。
图2-7 “二噁英”的分子结构图(Doxin)
二噁英的生成机理复杂，下列情况可能导致二噁英的产生。
1、温度范围：200℃-500℃;2、不完全燃烧：CO浓度较高;3、潮湿有水蒸气：H2O蒸气 4、有氯源存在：Cl—浓度较高;5、有催化剂：Fe+3存在; 6、苯环类物和氯代物存在。
生活垃圾组分和HCl产生的关系
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垃圾处理中产生二恶英的氯源主要有
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含有氯原子的聚合物塑料
采用气化的方式利用水泥窑炉的工艺特点能充分分解二噁英。
一是遏制前体物产生条件及控制前体物产生。大量实验表明，二恶英族类物在500℃时开始分解，到800℃，2、3、7、8—PCDD可以在 2.1s内完全分解，如果温度进一步升高，分解时间将进一步缩短。利用现代水泥干法烧成系统，生活垃圾气化后气体喂入口温度一般高达900℃-1000℃ 之间，且气体在分解炉内的时间高达7s，固体物料的停留时间高达20s以上，可以有效分解二恶英。
二是消除或吸收产生的二恶英的氯源。水泥生料中的综合cl-1离子的限量<0.015%;不会对窑系统的操作构成影响，而以 2CaO.SiO2，CaCl2(稳定温度1084-1100℃)的形式被水泥生料裹挟到回转窑内，氯酸盐和铁铝酸盐的溶剂型矿物中被带出烧成系统。水泥窑中微量氯源自行控制过程如下：
进入系统氯很少，即：Cl-<0.015%。氯在熟料的形成过程中，形成含氯矿物CaO.SiO2.CaCl2(稳定温度 1084-1100℃)被熟料带出系统，不参与合成二恶英。
CaO+2HCl→CaCl2+ H2O
CaO+ SiO2+ CaCl2→CaO.SiO2.CaCl2
三是硫分对二噁英的产生有抑制作用。有关研究证明，燃料中或其它物料夹带的硫分对二噁英的形成有一定的抑制作用：一则由于硫分的存在控制了 Cl-，使得Cl-以HCl的形式存在;二则由于硫分的存在降低了Cu的催化活性，使其生成了CuSO4;三则由于硫分存在形成了黄酸盐酚前体物或含硫有机化合物(联本并噻蒽或联本并噻吩)，阻止了二噁英的生成。
四是水泥窑炉添加碱性氧化物足以控制二恶英的产生。对于一般焚烧垃圾的专用炉，向炉内喷钙，即有利于吸收HCl控制氯源，较细的钙又具有一定的吸附作用，达到钝化金属催化剂作用的目的，以抑制二噁英生成。而对于现代干法水泥烧成系统，其系统内部均匀分散着高浓度的石灰石粉(CaCO3，平均细度约35μm),且在高温(800～900℃)下分解成CaO，使其更具有吸附性。
四、利用新型干法水泥窑采用气化炉焚烧法处理城市生活垃圾系统的优点
海螺集团开发的城市生活垃圾处理技术，是新型干法窑和垃圾气化焚烧技术的有机结合，该系统利用水泥窑稳定高温环境完全降解垃圾焚烧产生的二噁英，实现无害化处理;系统采用特殊的供风系统和负压操作，有效控制和处理臭气，防止了臭气排放;垃圾中的污水收集后采用密闭的泵将污水喷射到气化炉内，通过高温水泥窑进行蒸发氧化处理，完全分解有机成分，实现无害化和污水零排放;焚烧时利用垃圾自身热量实现自然，一般不需要燃料，且垃圾燃烧的热能可替代水泥熟料生产所需要的部分燃料，灰烬用作水泥原料，无废弃物排出;对水泥生产及产品品质不产生任何影响;工艺流程简单，设备全部实现国产化，且水泥生产设备可替传统代垃圾焚烧所需的部分设备，节省了投资。
利用新型水泥干法采用气化炉焚烧法处理城市生活垃圾，可以将城市生活垃圾完全处理，做到了垃圾处理的“无害化、减量化、资源化”，是我们借鉴国外先进技术，结合我国国情，研发出的适合我国国情的先进的垃圾处理技术。它的开发和成功运用，是水泥工业发展循环经济、打造绿色环保产业的有益途径。
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