韓仲琦

1 前言

（1）“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”，是國外水泥工業(yè)發(fā)達國家在20世紀90年代初提出的一種水泥工業(yè)使用廢棄物的方式，它是指將能滿足回轉窯煅燒要求的廢物（含固態(tài)、液態(tài)、半液態(tài)工業(yè)廢棄物、城市垃圾、污泥及危險廢棄物等）投入水泥窯，在進行水泥熟料生產的同時對廢物進行高溫無害化處理。隨著技術的發(fā)展、廢棄物的種類增加和范圍的擴大，與其適應的標準規(guī)范和法規(guī)政策，也逐步得到完善，“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”現(xiàn)已成為水泥生產企業(yè)的一種優(yōu)選模式。日本、德國、美國、丹麥、瑞士、法國、英國、意大利、挪威、瑞典、加拿大等發(fā)達國家，先后采用了這種技術，近30年來出現(xiàn)了多種范例并積累了一些經(jīng)驗。日本、歐洲一些水泥企業(yè)的廢物替代率可達50%左右，水泥窯的“替代燃料”達到20%～40%。此外，韓國、巴西、墨西哥、印度尼西亞、泰國、摩洛哥、巴基斯坦、印度等，也都加入了這一行列。

（2）水泥是一種重要的基礎原材料，為經(jīng)濟建設和人類文明做出了巨大貢獻，然而隨著經(jīng)濟體系的不斷發(fā)展，水泥產業(yè)越來越受到了環(huán)保壓力，在顛覆性水泥生產技術出現(xiàn)之前，“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”可能成為水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，各國都在關注這一領域的發(fā)展，并在深入探索消納廢棄物與水泥生產之間的關系。

（3）我國水泥科技工作者在20世紀90年代后期，開始研究探索水泥工業(yè)處置廢棄物的問題，在吸取國外成功經(jīng)驗的基礎上，開展了水泥窯系統(tǒng)協(xié)同處置工業(yè)危險廢棄物、生活垃圾及城市污泥的基礎研究及應用工作，現(xiàn)已取得很大進展，取得一批專利技術，建設了不同類型的多條示范線。隨著我國產業(yè)結構的深入調整，落后產能逐步退出舞臺，“協(xié)同處置”將會有更快的進展。

（4）“水泥窯協(xié)同處置廢棄物”（本文以下簡稱“協(xié)同處置”）的內涵包括兩層意義：其一是，水泥工業(yè)從替代燃料和替代原料的收益中，可以減少化石類燃料的能源消耗或減少天然化石類原料的資源消耗，是對環(huán)境友好的表現(xiàn)。但“協(xié)同處置”也使得傳統(tǒng)水泥企業(yè)流程變復雜?！皡f(xié)同處置”另一層意義是，可以減少社會廢物的無害化處理量，可以減少傳統(tǒng)垃圾焚燒廠的數(shù)量和填埋場的數(shù)量?？偟膩碚f，“協(xié)同處置”的社會意義更為重要。

（5）本文以下介紹了國外“協(xié)同處置”的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，如協(xié)同處置廢棄物的各種模式和范例、法律法規(guī)體系、“協(xié)同處置”的延伸研究及與環(huán)境關系的深層次研究等。在文章的最后，筆者提出了推進“協(xié)同處置”要關注的事項，供讀者參考。

2 國外“協(xié)同處置”的模式和研究

2.1 日本的范例和研究

2.1.1 概說

2018年日本共有17家水泥公司30家工廠，年熟料生產能力約5 500萬噸。日本每年約產生6億噸廢棄物，其中約一半得到了循環(huán)利用，而循環(huán)利用量的十分之一由水泥工業(yè)“協(xié)同處置”。

水泥產業(yè)一直積極地把廢輪胎、粉煤灰等其他產業(yè)的廢棄物作為代用燃料、代用原料或以混合材形式使用，最近下水污泥、垃圾焚燒灰和城市垃圾也得到了積極采用，從2001年開始處理肉骨粉，并在全日本得到推廣。日本水泥廠用的廢棄物熱回收率可達70%。

日本水泥協(xié)會從1996年開展了“環(huán)境自主行動計劃”，其中有3項內容與“協(xié)同處置”有關：

（1）提高替代燃料的使用量

從社會效益看，會減少化石類燃料的消耗，減少溫室氣體CO2生成量。

（2）擴大使用各種廢棄物

利用含有CaO的廢棄物，不但可以消減CO2排放量，還可對循環(huán)經(jīng)濟社會作出貢獻。

（3）增加混合水泥的產量

日本的混合水泥是指摻加混合材的水泥（即我國的普通硅酸鹽水泥），由于比波特蘭水泥的熟料使用量少，可減少燒成的熱耗和減排CO2。

日本關于廢物的定義是這樣的：根據(jù)日本廢棄物處理法的規(guī)定，水泥工廠可以接受處理“廢棄物種類”的廢棄物，而“副產物”是指廢棄物以外的水泥廠可接受處理的廢物。日本處理量超過100萬噸的廢棄物是：礦渣、粉煤灰、污泥、副產石膏、建筑廢土、焚燒灰。現(xiàn)在每噸水泥使用的廢棄物約達到500kg，包括替代燃料、替代原料、混合材的使用量。一般處理量比較少的廢棄物包括：廢酸、廢堿、碎玻璃、廢陶瓷、罐頭盒、RDF、RPF。

2.1.2 應用研究

在21世紀初，日本針對城市垃圾急速增加的問題，結合國情對城市垃圾的“協(xié)同處置”進行了應用研究，建立了3種處理模式，對水泥工業(yè)做出了一定貢獻，簡述如下：

（1）水洗垃圾飛灰氯

此方法由日本埼玉縣、熊谷市和秩父小野田公司合作研究，解決垃圾焚燒飛灰中的高氯問題，濾液與回轉窯廢氣中的CO2反應產生沉淀，經(jīng)壓濾后可作為粘土的替代品使用，生產硅酸鹽水泥。

（2）以城市垃圾焚燒灰（焚燒渣）和下水污泥等作為水泥的主原料

這種水泥定義為“生態(tài)水泥”，最先由市原水泥廠生產，在日本已制定工業(yè)標準并用于工程實例。生態(tài)水泥最大限度地利用了焚燒灰的有用成分，1t水泥約使用垃圾焚燒灰和下水污泥500kg，燒成時產生的二噁英類毒素可在回轉窯1 350～1 500℃的高溫中分解。

（3）原生態(tài)城市垃圾發(fā)酵處理法

這種方法是不對城市垃圾分類處理，城市垃圾直接運到水泥廠通過發(fā)酵處理后便作為水泥的補充原料和燃料進入回轉窯煅燒成熟料。此技術由日本太平洋水泥公司開發(fā)，在埼玉水泥廠進行了工業(yè)實驗，年處理垃圾量為1.5萬噸。

2.1.3 “協(xié)同處置”的深入研究

在產能過剩情況下，兩年一次的全日本“水泥技術大會”持續(xù)召開，2019年5月在東京召開第73屆大會。在“面對下一個100年”的口號下，提出了多項可研討的課題。水泥與環(huán)境領域的研究重點是替代燃料、高效利用廢棄物和減少環(huán)境負荷的影響。目前已進行的兩項基礎研究是：

（1）廢棄物與水泥熟料質量的關系

使用廢棄物的水泥產品中，Al2O3的成分較多，所以今后要考慮的是，水泥中“間隙質”的增加問題，“間隙質”較多的話將對凝結時間、水化熱、流動性、最終強度、收縮率造成影響，故應研究其影響關系，找到對應措施。另外，“間隙質”對水泥熟料燒成的節(jié)能作用，其研究成果可能促進廢棄物的應用。

（2）混合材的研究

摻入混合材是“協(xié)同處置”中替代原料的問題，在控制一定量的情況下，加入石灰石等混合材與廢棄物混合，能保證水泥的性能不變，從而實現(xiàn)廢棄物的可利用性與低碳化的平衡，是“協(xié)同處置”的新研究內容。

2.2 德國的模式

2.2.1 循環(huán)流化床熱解廢棄物方法

20世紀80年代中后期，德國伯利休斯、洪堡等公司已進行了一系列工業(yè)性試驗，研究利用水泥窯處置垃圾、廢輪胎及其他可燃性工業(yè)廢棄物的相關技術，取得了一定的成功，并開始用于工業(yè)生產。1995年漢堡附近的一臺4 500t/d水泥回轉窯開始投產用來處理生活垃圾，柏林水泥廠因焚燒大量的垃圾及有害物，大大降低了水泥產品成本。

德國Rüdersderf水泥廠，每年處理廢棄物作為替代原燃料量在24萬噸以上。廢棄物主要是舊木材、塑料、橡膠、粉煤灰、鑄造廢砂、高爐爐灰等。廢棄物的處理設備主要是熟料車間的循環(huán)流化床，對廢棄物的質量有著一定要求，控制指標見表1和表2。

可燃廢棄物通過氣控熱分解形成可燃氣體，采用循環(huán)流化床焚燒廢棄物有許多優(yōu)點，如廢棄物在流化床內可充分氣固混合，停留時間較長，可保證固體可燃物充分氣化所需的反應時間，可以進行很好的氣固熱交換，并且熱解氣體的輸出對廢棄物的投料量和窯的操作波動狀況不敏感。

此外，該廠還對生產過程中形成的廢棄物，進行了很好的分類，進行再利用或循環(huán)再生，不向環(huán)境提供廢棄物。

表1 Rüdersderf水泥廠原燃料重金屬含量要求，%

表2 Rüdersderf水泥廠替代燃料廢棄物性能要求

2.2.2 洪堡“協(xié)同處置”技術

2012年在德國亞琛舉辦的第六屆國際水泥燃料大會上，洪堡公司獲得“最具創(chuàng)新性替代燃料技術”大獎，德國洪堡的回轉窯燃燒器適合在回轉窯上焚燒多種替代燃料，保證一次風量低和低氮運行。其最新開發(fā)的AFR燃燒器，可使用多種類替代燃料并具有較高的替代燃料比率。另外，在分解爐燃燒替代燃料技術上，能適應粗顆?；驂K狀的替代燃料，其預燃室能夠確保燃料完全燃盡，確保替代燃料在燃燒室的停留時間，所以適合高替代燃料比使用。根據(jù)替代燃料的氯、硫等有害成分的含量，還有阻隔氯和硫循環(huán)富集的預案。這樣的燃燒爐很適用于非常難以點燃且燃燒性差的劣質燃料，例如劣質無煙煤、石油焦、劣質二次燃料或廢棄物衍生燃料等。由于這樣的燃燒室對燃料質量和燃料制備的要求低，所以在實際應用中，分解爐幾乎可以達到100%的替代燃料利用率。

2.2.3 物料預處理系統(tǒng)

物料預處理系統(tǒng)（Shredding-Mixing-Pumping System）是為解決工業(yè)廢棄物和危險廢棄物而設計的物料預處理系統(tǒng)，即破碎—混合—泵送系統(tǒng)。該系統(tǒng)全程無需人工參與，自動運行，最大限度地避免了操作者與危險廢棄物的直接接觸，保證人員安全。該術語1988年被提出，1998年德國首次采用，是危險廢棄物預處理最先進的方式，目前我國已有企業(yè)引進該系統(tǒng)。

2.3 丹麥史密斯公司

丹麥史密斯公司熱盤爐技術是在水泥生產線的分解爐處設置垃圾焚燒爐，見圖1。熱盤爐是一種構造簡單的燃燒裝置，與水泥窯預分解系統(tǒng)組成一個整體，主要流程是：窯三次風、部分高溫生料和可燃垃圾一同進入熱盤爐內，在慢速旋轉的圓盤上開始充分地氧化燃燒，圓盤的轉速為1～4r/h，從物料進口到爐渣和生料混合物卸出，在圓盤上大約要運行270°，卸出的殘渣向下落入窯尾，細小的飛灰和生料則隨高溫氣體分解入爐。按可燃垃圾的性質，調節(jié)圓盤的轉速，使其能在爐內有足夠的時間，達到充分燃燒的目的。

圖1 史密斯公司熱盤爐系統(tǒng)圖

表3 廢棄物分類

表4 可燃廢棄物的來源

當燒成系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時，設在熱盤爐上方的冷生料小倉可以直接放生料入爐，阻斷垃圾燃燒，使熱盤爐上的火很快熄滅，避免水泥窯系統(tǒng)運行不正常時環(huán)保超標排放。熱盤爐已在挪威一家1 600t/d水泥生產線上投入運行，主要是燃燒可燃垃圾（如汽車輪胎、電話機插板等）。

2.4“協(xié)同處置”廢棄物的分類和來源

2.4.1 廢棄物分類

不同國家或地區(qū)的廢棄物定義可能不同，但其分類和內容可參考表3、4的內容，本文中所使用的廢物與廢棄物是等同的含義。

2.4.2 替代原料的廢棄物

主要內容是：工業(yè)副產物、尾礦渣：石灰漿、電石渣、工業(yè)石灰、鑄造渣、硅石廢料、粉煤灰、赤泥、硫鐵礦尾礦、赤鐵礦渣、錫渣、石材廢棄物等。

2.4.3 不允許使用的廢物

主要內容是：核廢物、電子廢物、特別類電池、具有傳染性和生物活性的醫(yī)療廢物、無機酸和腐蝕劑、爆炸物、包含石棉的廢物、放射性廢物、含高濃度的氰化物廢物、要銷毀的化學武器或生物武器、未分類市政垃圾、其他未知成分的廢物。

2.5 廢棄物的前處理

（1）一般固體廢物的前處理流程（見圖2）。

（2）液體廢物的前處理（見圖3）。

（3）半固體廢物的前處理（見圖4）。

2.6 機械生物預處理技術

這是最近發(fā)展起來的綜合廢物分類處理技術，采取機械生物處理，獲取垃圾衍生燃料（Refuse Derived Fuel），具有熱值高、燃燒穩(wěn)定、易于運輸、易于儲存、二次污染低和二噁英類物質排放量低等特點，美國檢查及材料協(xié)會（ASTM)按城市生活垃圾

圖2 固體廢棄物的入窯前處理

圖3 液體廢棄物的入窯前處理

圖4 半固體廢棄物的入窯前處理

2.7 回轉窯焚燒廢棄物的各種方法

（1）使用專門的多通道燃燒器，焚燒廢塑料、廢木屑、廢織物等多種固體廢棄物；

（2）使用專門的液體或液體與固體混合的燃燒器，焚燒渣油、廢酒精類等液體可燃廢棄物（見圖6“協(xié)同處置”回轉窯焚燒系統(tǒng)示意圖）；衍生燃料的加工程度、形狀、用途等將RDF分成7類，可提供給不同用途的循環(huán)再利用，其中有可供水泥使用的替代燃料，見圖5。

（3）使用專門設計的固體可燃廢料投放裝置，將廢輪胎或其他整捆、整包固體廢棄物投擲到回轉窯內焚燒；

（4）在回轉窯尾增設的高溫煅燒爐內，焚燒尼龍纖維等高溫膠質廢棄物；

（5）使用一種稱為熱盤的輔助燃燒裝置，對一般可燃廢棄物和衍生燃料加工，產生的氣態(tài)熱能從窯頭進入水泥窯或從窯尾進入分解爐煅燒物料，其殘渣作為輔助原料使用；

（6）使用流化床裂解爐系統(tǒng)，處理廢木屑、廢布料、廢塑料、廢橡膠、廢紙張以及被油浸漬或污染的土壤等具有較高熱值的廢棄物，裂解形成的高熱值煙氣通過管道輸送到分解爐上的氣體燃燒器，而裂解形成的無機物殘渣則通過流化床底部的卸料口卸出，作為原料磨的配料組分之一進入生料制備系統(tǒng)。

2.8 “協(xié)同處置”所需的機械設備與檢測裝置

2.8.1 磁選和分選機械設備

在工業(yè)廢棄物中難免摻有鐵物質，因此高效的磁選機械設備是十分必要的。另外要適應不同產業(yè)廢棄物的分級分離特性，還要有各種分選設備。利用固體物料本身特性的差異（如比重、色彩、成分等特性）分離分選固體顆粒的技術，隨著廢棄物再循環(huán)利用技術的發(fā)展而得到了進一步開發(fā)。汽車、廢家電和電子零部件的拆分、廢塑料、城市垃圾、粉煤灰、建筑廢棄物等的分級，目前已用于衍生燃料的制備上。

2.8.2 移動式給料機和儲料裝置

圖5 機械生物預處理流程圖

圖6 “協(xié)同處置”回轉窯焚燒系統(tǒng)示意圖

廢棄物的種類很多，數(shù)量和品種的變化又很大，所以水泥廠的輸送機械和儲存設施與常規(guī)水泥廠不同，要求靈活性大且容易移動，往往儲存和破碎結合在一起。如Aumund集團B&W公司的薩姆森帶式給料機，可以直接從自卸卡車接受物料，然后向前傳送到次級給料器或物料接受點,全套裝置可以是全封閉的或部分封閉，沒有操作時的粉塵污染。

2.8.3 破碎與壓縮固化機械設備

水泥工業(yè)通常使用的破碎機械設備是為了石灰石和粘土等的破碎，但是廢棄物很復雜，這些破碎機械設備很可能不能適應，現(xiàn)在國外已出現(xiàn)許多產業(yè)廢棄物的破碎機械設備，如已出現(xiàn)建筑廢材用、粗大垃圾用、廢塑料用、廢木材用的三軸或四軸強力破碎機，針對廢紙、纖維狀廢料和橡膠類廢棄物的破碎機等。新出現(xiàn)的四軸二段式粉碎機，可以把廢棄物破碎到25mm以下。此外還有用于城市垃圾不燃物的減容及產業(yè)廢棄物的固形化的壓縮成形機，可形成有一定外形的代用燃料或再利用原料，這樣處理之后，雜亂且占有很大空間的廢棄物，可以擺放整齊且緊湊，減少空間的占用。

2.8.4 閥門、泵和風機

對這些通用機械設備的總的要求是：耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐磨、耐沖擊，往往直徑的變化范圍較大。

2.8.5 監(jiān)測和檢測裝置

污染物監(jiān)測與檢測所需的裝置很多,光學、機電學、微電子技術、粉體技術、儀表制造技術、計算機及智能技術的高速發(fā)展，使得近代檢測技術和儀表裝置有了很大進步，出現(xiàn)了許多智能化儀器。下面舉出“協(xié)同處置”可能涉及到的監(jiān)測與檢測內容：

（1）大氣污染物的監(jiān)測與檢測的內容：顆粒物、SO2、NOx、氟化物；

（2）焚燒生活垃圾的污染物監(jiān)測內容：汞、鎘、鉛、二噁英、惡臭；

（3）焚燒危險廢棄物的污染物監(jiān)測內容：煙氣黑度、煙塵、CO、SO2、HF、HCl、氮氧化物、Hg、Cd、砷、鎳及其化合物、鉛及其化合物、鉻、錫、銻、銅、錳及其化合物、二噁英類；

（4）原燃料重金屬檢測內容：Hg、Ti、Cd、Pb、As、Cr、Cu；

（5）水泥和熟料中有害元素檢測內容：Sb、As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Sn、Hg、Ni、Pb、Se、Ti、Zn及產品放射性。