水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的最佳實踐(上)
Best Practice of Disposal of Urban Domestic Waste by Cement Industrry(Ⅰ)
王新頻,吳小緩,梁樹峰,趙嬌,王冬
水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾,既可以減少煤的使用和CO2的排放量,又有助于解決城市生活垃圾日益增長給安全和環(huán)境帶來的不良影響問題。
水泥窯的高溫、足夠長的停留時間和水泥生產(chǎn)的其他特性,使城市生活垃圾的協(xié)同處置成為一種可行的策略,這種做法已在一些發(fā)達國家中(如美國、日本以及歐盟的一些國家)普遍使用,許多發(fā)展中國家,如中國和南非也在積極采用。
城市生活垃圾是人們使用后扔掉的日常用品,如產(chǎn)品包裝、家具、衣服、瓶子、食物殘渣、報紙、電器、涂料和電池等。城市生活垃圾的組成取決于其來源、季節(jié)以及當?shù)鼐用竦纳罘绞胶托袨?。生活垃圾含水量較高,熱值低,粒徑范圍廣,灰分含量高。由于這些原因,直接使用城市生活垃圾作燃料是不現(xiàn)實的。垃圾可以在機械處理廠(MT廠)或機械生物處理廠(MBT廠)加工成垃圾衍生燃料(RDF)。RDF的優(yōu)點是熱值高,化學成分較穩(wěn)定,易儲存、處理和運輸,易燃燒等。
表1為2012年世界各國的城市生活垃圾總量及人均每天產(chǎn)生的垃圾量[1]。最近幾年,城市生活垃圾總量和人均垃圾產(chǎn)生量在一些發(fā)達國家已趨于穩(wěn)定或正在減少(如美國),但在一些發(fā)展中國家卻在增加(如中國)。此外,發(fā)達國家的垃圾回收率和利用率往往高于發(fā)展中國家。圖1為2012年世界各國城市生活垃圾處理方法[1],圖2為2012年我國城市生活垃圾處理方法[2],表2為城市生活垃圾作為替代燃料的典型特征[3]。一些發(fā)展中國家城市生活垃圾的熱值往往低于表2所示的范圍。據(jù)資料顯示,全世界垃圾年均增長速度為8.42%,而中國垃圾增長率達到10%以上。全世界每年產(chǎn)生4.9億噸垃圾,而僅中國每年就產(chǎn)生近1.5億噸城市垃圾。目前中國城市生活垃圾累積堆存量已達70億噸[4]。
表1 2012年世界各國城市生活垃圾總量和人均產(chǎn)生量
圖1 2012年世界各國城市生活垃圾處理方法
圖2 2012年我國城市生活垃圾處理方法
表2 作為替代燃料的城市生活垃圾的典型特征*
從圖1和圖2可以看出,我國的城市生活垃圾處理與世界發(fā)達國家相比還存在較大差距。比如,2012年,日本城市生活垃圾焚燒利用達到72.8%,堆肥8.7%,循環(huán)利用6.5%,衛(wèi)生填埋僅12%;葡萄牙城市生活垃圾基本以焚燒為主,達到90%,堆肥10%,沒有填埋處理;瑞士城市生活垃圾焚燒利用達到76%,堆肥13%,循環(huán)利用6.5%,衛(wèi)生填埋僅11%。而我國2012年依然以衛(wèi)生填埋為主,達到68.28%,簡單填埋達到6.59%,可見我國城市生活垃圾的有效處理依然任重而道遠,還有很大的利用潛力。
2.1 水泥生產(chǎn)中二氧化碳的排放
每生產(chǎn)1t的水泥約釋放0.73~0.99tCO2,二氧化碳排放量取決于水泥中熟料的比例和其他因素。水泥工業(yè)和其他大部分工業(yè)之間的主要區(qū)別在于,燃料消耗不是水泥工業(yè)二氧化碳排放的主要來源,水泥生產(chǎn)中釋放的二氧化碳50%以上(或約540kg-CO2/t熟料)是由碳酸鈣煅燒分解產(chǎn)生的。水泥生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳的其余部分是燃料燃燒產(chǎn)生的,以提供加熱到1 450℃煅燒所需的熱能。水泥綜合電耗100~110kWh/t,這部分電耗等效二氧化碳排放量5%。另外,大約5%的二氧化碳排放量與礦山開采和運輸相關(guān)。
2.2 水泥工業(yè)城市生活垃圾的協(xié)同處置的原則
《巴塞爾公約》(2011年)將“協(xié)同處置”定義為“在能源和/或資源回收利用的制造工藝和生產(chǎn)過程中替代常規(guī)燃料和/或原材料的廢物的使用”。
圖3 歐洲水泥行業(yè)2003年和2004年協(xié)同處置廢物量統(tǒng)計
廢物協(xié)同處置在世界發(fā)達國家和地區(qū),如日本、美國和加拿大等已經(jīng)實行了二十多年。圖3為歐洲水泥工業(yè)2003年和2004年的廢物協(xié)同處置量[3]。在2006年,美國水泥工業(yè)采用廢舊輪胎和溶劑以外的替代燃料(如城市生活垃圾和污水污泥)約占總能量輸入的2.5%。到2009年,美國有63家水泥廠(約占70%)使用替代燃料[6]。然而并非所有的廢物都適合于水泥工業(yè)的協(xié)同處置。水泥工業(yè)協(xié)同處置必須考慮廢物和最終產(chǎn)品(水泥)的化學成分及其對環(huán)境的影響。不適用于水泥工業(yè)的廢物有核廢料、醫(yī)療垃圾、電池和未經(jīng)處理的混合城市生活垃圾。GTZ/Holcim(2006)概述了水泥工業(yè)協(xié)同處置廢物必須遵循的一般原則,見表3[6]。
表3 水泥行業(yè)協(xié)同處置廢物必須遵循的一般原則
圖4 廢物的管理層次
2.3 水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的優(yōu)點
世界各地的水泥生產(chǎn)商使用城市生活垃圾、污泥和其他替代燃料來替代化石燃料。荷蘭和瑞士的廢物處置率分別為83%和48%,處于世界領先水平[8]。美國環(huán)境保護局2008年的研究表明,許多美國水泥廠表示使用替代燃料對他們保持持續(xù)的競爭力非常重要。利用水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾的優(yōu)點如下:
(1)節(jié)省燃料成本,特別是在燃料價格上漲的時期。
(2)節(jié)約不可再生的化石燃料和保護環(huán)境。
(3)減少溫室氣體排放。
如前所述,水泥工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量約為全球人為排放量的5%,其中能源相關(guān)的排放量約占半數(shù),約40%來自燃料燃燒,10%來自用電和運輸。圖5為世界各地的水泥工業(yè)二氧化碳排放量歷史數(shù)據(jù)和預估值[9]。從圖5可以看出,全球水泥工業(yè)的二氧化碳絕對排放量將顯著增加。
從表2可以看出,城市生活垃圾與燃煤相比碳排放因子較低。據(jù)報導,RDF協(xié)同處置與燃煤相比,CO2排放減少約1.6kgCO2/kg燃煤。2006年歐洲水泥工業(yè)廢物協(xié)同處置節(jié)省燃煤18%,減少約800萬噸二氧化碳排放量,節(jié)省約500萬噸煤炭[10]。
圖5 全球水泥行業(yè)的二氧化碳排放量歷史數(shù)據(jù)及預估值
(4)避免垃圾焚燒和填埋的負面影響
在發(fā)達國家,常見的垃圾處置方式是焚燒,焚燒灰再在水泥窯協(xié)同處置,飛灰作填埋處理,盡量避免垃圾直接填埋。美國有86個城市生活垃圾焚燒設施,能夠處理>2 800萬噸/年的廢物,熱回收能力2 720MW。城市生活垃圾焚燒后的灰渣因為重金屬含量超標,被作為危險廢物處置。
(5)協(xié)同處置后的焚燒灰摻入水泥熟料中,節(jié)省了水泥生產(chǎn)的原材料。
(6)避免焚燒或填埋時增加投資。
有效的監(jiān)管是確保水泥工業(yè)協(xié)同處置廢物不對健康或環(huán)境產(chǎn)生負面影響的重要手段。在回轉(zhuǎn)窯的高溫下廢物有機物質(zhì)幾乎完全轉(zhuǎn)化為CO2和水,有機化合物的排放(如二■英和呋喃)濃度很低,煙氣排放和水排放必須嚴格執(zhí)行相關(guān)的國家標準。
3.1 一般性法律框架
在國際上,巴塞爾公約是國際公認的處理危險廢物的法律框架,對水泥工業(yè)協(xié)同處置危險廢物發(fā)揮著重要作用。目前,已有178個國家加入了巴塞爾公約。公約規(guī)定,危險廢物經(jīng)過協(xié)同處置對環(huán)境無害時才可以越境出口、進口或過境;對巴塞爾公約締約國負有義務,以確保對危險廢物和其他廢物的無害環(huán)境管理。發(fā)達國家大多已建立了自己的廢物管理法律框架。
圖6 垃圾焚燒、填埋與水泥窯協(xié)同處置的溫室氣體排放量比較
3.2 歐盟
像李先生這樣的小客戶,更換設備的頻率很小,公司根本就沒指望再能賺到他們的錢,我便不耐煩地告訴他,公司的優(yōu)惠政策只針對長期合作的老客戶。
(1)廢物框架指令(WFD)
歐盟通過廢物框架指令(2008/98/EC)對基本廢物進行限制。所有會員國均須在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)整本國法律,使其與該指令的規(guī)定一致。WFD建立了基本概念和定義,包括廢物回收、循環(huán)、預防和管理。該指令還建立了廢物管理原則,要求廢物的管理不能危害人體健康和污染環(huán)境,特別是不能危及水、空氣、土壤、植物和動物,無噪聲或異味,并對農(nóng)村或有特殊要求的地方無不利影響。此外,WFD還規(guī)定了廢物管理層次(見圖4)。
(2)填埋指令
1999年頒布的填埋指令(1999/31/EC)是歐盟水泥窯協(xié)同處置最有影響力的驅(qū)動因素之一。填埋指令的頒布是為了應對人們?nèi)找嬖鲩L的對廢物填埋負面影響的擔憂,廢物填埋污染了土壤、水源和空氣,導致生存條件及人類健康不斷惡化。該指令的最終目標是實現(xiàn)歐盟的垃圾分級,它將填埋定義為垃圾處理和處置的最后選擇。
表4 歐盟水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾污染物排放限值,mg/m3
表5 美國水泥窯協(xié)同處置2011 CISWI標準排放限值
垃圾填埋指令規(guī)定了垃圾填埋場的垃圾處理程序、垃圾的成分和浸出行為,并建立了垃圾填埋場許可證制度。
(3)廢物焚燒指令(WID)
針對公眾對垃圾焚燒所帶來的健康和環(huán)境影響的關(guān)注,歐洲委員會制定了廢物焚燒指令(2000/76/EC),其目標是通過設定垃圾焚燒廠的排放限值,減少垃圾焚燒對環(huán)境的負面影響。
(4)綜合污染預防和控制指令(IPPC)
除了WID的排放限制及其他具體要求,綜合污染預防和控制指令也適用于協(xié)同處置工廠。IPPC指令旨在采用綜合的方法,圍繞環(huán)境準入制度和最佳實用技術(shù)(BAT)的應用,減少工業(yè)污染。
(5)工業(yè)排放指令
工業(yè)排放指令(2010/75/EC)整合了7個現(xiàn)有的與工業(yè)排放有關(guān)的指令,重申了綜合污染防治與控制指令(IPPC)概述的原則,包括執(zhí)行基于綜合方法的環(huán)境許可制度,要求采用最佳實用技術(shù)(BAT),給予許可部門一定的彈性空間,以及提供公眾參與許可流程和訪問排污數(shù)據(jù)報告的便利條件。
表4為歐盟水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾排放限值[10]。
3.3 美國
歐盟的水泥工業(yè)協(xié)同處置條例源于對廢物產(chǎn)生、污染和垃圾填埋場短缺的擔憂,與此不同的是,美國協(xié)同處置的法規(guī),主要源于對環(huán)境保護的關(guān)注和清潔空氣法案的實施。該法案要求美國環(huán)境保護局制定空氣質(zhì)量的最低國家標準,不符合排放標準的區(qū)域(稱為“非達標區(qū)”)需要實行特定的控制空氣污染的措施。
該法案的第109條要求美國環(huán)保署對6種主要污染物(即“標準污染物”)制定國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準。標準污染物包括:CO、Pb、NO2、臭氧、2.5μm和10μm顆粒(PM2.5和PM10)以及SO2。
在清潔空氣法案第129條特別規(guī)定,在水泥工業(yè)水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾和污水污泥,其排放必須符合以下污染物排放限值:Cd、CO、二英和呋喃(PCDD/PCDF)、HCl、Pb、Hg、NOX、PM2.5和PM10以及SO2。
表5為美國水泥窯協(xié)同處置2011 CISWI標準排放限值[12]。
(未完,待續(xù))
TQTQ172172..622622..2929
A:A
1 1001001--61716171(20172017)0101--00710071--0505
建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所,北京100024;
2016-06-22;編輯:趙蓮