利用水泥窑协同处置废弃物技术研究

利用水泥窑协同处置废弃物

胡芝娟*

（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400）

摘要

在经济合作与发展组织国家中，现代焚化工厂和安全的垃圾填埋是普遍采用的处理方式，但投资和运行成本非常高，而且需要有资质的管理和运行人员。高效水泥窑能为许多种废物提供环境友好且低成本的处理/回收方案。与其不做能源回收而直接将废物白白烧掉或处理掉,还不如用废物来代替化石燃料和原始原料(AFR),这还可以进一步降低CO2的总排放量。使用替代性燃料和原料能减少废物对环境的影响，能安全地处置危险废物，能减少温室气体排放，减少废物处理成本，降低水泥工业生产成本。

在《巴塞尔公约》的条文中,水泥生产过程中危险废物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方法。这说明了水泥生产过程中对危险废物进行协同处理的适用性，以及协同处理的先决条件。水泥工业消耗了大量的自然资源和能源。同时也为全世界城市和基础设施的发展和现代化做出了贡献。水泥工业及其行业协会通过优化自然资源的使用和减少整体的能源消耗，在不断改善环境质量。

天津水泥工业设计研究院有限公司经过十余年潜心研究，结合水泥窑炉操作条件，针对中国固废处置客观环境，研发出一整套针对城镇污水处理厂污泥，生活垃圾，污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术并在实践中的到检验和推广。

关键词：水泥窑；协同处置；污泥；生活垃圾；污染土

引言

全球水泥消耗量正在增加，特别是发展中国家和处于转型期的国家。由于发展中

国家和转型期国家的巨大需求，全世界的水泥产量从2001年的16.9亿公吨开始，以

年均3.6％的速度稳步增长，2003年全世界的水泥产量为19.4亿公吨。欧洲的消耗量

占14.4%；美国占4.7%；美洲其他国家占6.6%；亚洲占67.5%(中国占41.9%)；非洲

占4.1%，世界其他国家占2.7%。预计2004年的水泥消耗量为人均260千克。

在经济合作与发展组织国家中，现代焚化工厂和安全的垃圾填埋是普遍采用的处

理方式，但投资和运行成本非常高，而且需要有资质的管理和运行加拿大以及澳大利

亚等国家和地区将各种类型的人员。高效水泥窑能为许多种废物提供环境友好且低成本的处理/回收方案。与其不做能源回收而直接将废物白白烧掉或处理掉,还不如用废物来代替化石燃料和原始原料(AFR),这还可以进一步降低CO2的总排放量。

20世纪70年代初以来，欧洲、日本、美国、废物作为替代燃料和原料(AFR)在水泥窑中成功地进行了协同处理。

使用替代性燃料和原料能减少废物对环境的影响，能安全地处置危险废物，能减少温室气体排放，减少废物处理成本，降低水泥工业生产成本。

在《巴塞尔公约》的条文中,水泥生产过程中危险废物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方法。这说明了水泥生产过程中对危险废物进行协同处理的适用性，以及协同处理的先决条件。

水泥工业消耗了大量的自然资源和能源。同时也为全世界城市和基础设施的发展和现代化做出了贡献。水泥工业及其行业协会通过优化自然资源的使用和减少整体的能源消耗，在不断改善环境质量。

不过使用替代性燃料和原料应当遵守一些基本规则和原则。当前公众最为关注和讨论最多的生态问题是温室气体、全球变暖、非再生性化石燃料的有效利用、毒性残留物和水土资源的污染。而商界人士则更关注成本竞争力、全球竞争和利润。如何在环境保护和经济利益之间取得平衡，乃是当今社会所面临的挑战。

天津水泥工业设计研究院公司经过十余年潜心研究，结合水泥窑炉操作条件，针对中国固废处置客观环境，研发出一整套针对城镇污水处理厂污泥，生活垃圾，污染土等废弃物的水泥窑协同处置技术并在实践中的到检验和推广。

1水泥窑协同处置废弃物原则及特点

水泥窑协同处置废弃物，主要利用水泥高温煅烧窑炉焚烧处理废弃物。在焚烧过程中，有机物彻底分解无害化，产生的热量被水泥生产回收实现能量利用的最大化，灰渣作为水泥组分直接进入水泥熟料产品中，实现资源化的同时做到废弃物的彻底减量化。

1.1水泥生产工艺简介

典型的新型干法水泥生产工艺如下图所示：

图1水泥生产基本工艺流程

Fig. 1 The process of cement production

水泥生产需要大量原材料。在对原料进行开采、研磨和均化之后，碳酸钙分解形成的氧化钙与二氧化硅、氧化铝和氧化铁在回转窑内通过高温固相反应生成熟料。熟料与石膏和其他成分在一起碾磨得到水泥。

利用水泥回转窑处理城市污泥，不仅具有焚烧法的减容、减量化特征，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，不需要对焚烧灰进行填埋处置，烟气焚烧彻底，污染物形成总量显著降低，是一种清洁有效的污泥处置技术。

1.2 水泥窑协同处置废弃物定义

水泥窑协同处置废弃物是指在水泥生产过程中使用废弃物，并从中回收物质和能量的过程。

废弃物可在不同的喂料点进入水泥生产过程。最常见的是：

——窑头主燃烧器；

——窑尾烟室；

——上升烟道；

——预分解炉；

——分解炉的三次风风管进口；

废弃物焚烧残渣甚至可按照与传统原料一样的喂料方式被喂入窑系统中，例如通过正常的原料喂料系统。但含有可在低温时挥发成分(例如烃)或二噁英等剧毒有机物的废弃物必须喂入窑系统的高温区。

1.3 水泥窑协同处置废弃物的基本原则

水泥窑协同处置废弃物应遵循以下基本原则：

1）应遵循水泥窑利用废物的分级原则。

如果在生态和经济上有更好的回收利用方法，则不要将废弃物使用在水泥窑中。利用水泥窑协同处置废弃物必须建立在社会处置成本最优化原则之上，并保证对环境无害的资源回收利用。废弃物的协同处置应保证水泥工业利用的经济性。

2）必须避免额外的排放物和对人体健康和环境的负面影响。

水泥窑协同处置污泥应确保污染物的排放不高于采用传统燃料的污染物排放与废弃物单独处置污染物排放总和。

3）必须保证水泥产品的质量保持不变。

协同处置废弃物水泥窑产品应通过浸析试验，证明产品对环境不会造成任何负面影响，水泥产品的质量应满足寿命终止后再回收利用的要求。

4）必须保证从事协同处置的公司必须具有合格的资质。

利用水泥窑协同处置废弃物作为跨行业的协同处置方式，应保证从产生到处置完成良好的记录追溯，在全处置过程确保污染物的达标排放和相关人员健康和安全，确保所有要求符合现有的国家法律、法规和制度。能够有效地对废物协同处置过程中的投料量和工艺参数进行控制，并确保与地方、国家和国际的废物管理方案协调一致。

5）必须考虑到具体的国情及地区经济文化不平衡性差异。

只有废弃物不能以更经济、更环保的方式加以避免或再生时，方可对其进行协同处置。生态循环利用废弃物是最理想的解决方案，协同处置应当被认为是一种可选的处理方式。

1.4 水泥窑协同处置废弃物的主要特点

利用水泥窑协同处置废弃物具有以下特性：

（1）处理温度高，焚烧空间大，停留时间长，可彻底分解废弃物中有害有机物。

（2）无残渣飞灰产生。

（3）回转窑内碱性环境抑止酸性气体和除水银、铊以外的绝大部分重金属排放。

（4）可选择不同温度点处置废弃物，避开二噁英等有毒有害气体产生。

（5）废弃物可替代部分一次原料和燃料。

（6）回转窑热容量大、工作状态稳定，废弃物处理量大。

（7）水泥回转窑是负压状态运转，烟气和粉尘很少外溢。

（6）从处理费用较低。

（7）尾气处理投资省。

2水泥窑协同处置固体废弃物

固体废弃物是人们在生产、生活中产生的污染环境的物质，即平常所说的“垃圾”。主要包括固体颗粒、垃圾、炉渣、废弃的制品、破损器皿、残次品、动物尸体、变质食品、人畜粪便等。

2.1技术体系关键

利用水泥窑协同处置废弃物的技术体系关键在于：

1）依据废弃物的特性选择合理的处置方式，并通过不同的高温区加入的物料的特性要求确定合理的预处理工艺；

2）通过对废弃物热值及组分的合理调配，提高废弃物入窑处置的热能利用水平，在客观上实现废弃物处置及节能替代利用的有效复合利用，提高水泥窑协同处置的经济效益；

3）针对废弃物焚烧处置过程产生的大气污染物、重金属等的排放特点，确定水泥窑协同处置废弃物的合理工艺，并通过生产技术的优化处置实现水泥窑协同处置废弃物的清洁排放；

4）水泥窑协同处置废弃物应保证水泥产品及下游相关产品在产品性能上不发生改变。这就要求对部分影响水泥矿物水化过程及产品性能指标的部分有害元素（如ZnO、CuO、P2O5、F-等）进行严格的控制。

以替代燃料为例，水泥行业可利用废物替代燃料种类很多，绝大多数的可燃工业废物及几乎所有的商业、市政、农林业、畜牧业废物以及部分家庭垃圾均可以通过水泥窑系统进行焚烧的热能回收利用。下表为常见的水泥窑用替代燃料。

表1常见的水泥窑用替代燃料

Table 1 The common Alternative Fuel for cement kiln

应用于窑头主燃烧器的废弃物必须是高热值、低水分、小颗粒的废物替代燃料，并且通常需要和煤粉搭配，添加量严格受到火焰温度要求的制约。在分解炉内应用这些替代燃料一般不会对分解炉的气流的停留时间有额外的要求，采用正常的操作方式能满足废物的处置利用。适当减小固体废弃物颗粒直径，可以确保废弃物在分解炉内保持更好的燃尽度。

2.2天津水泥工业设计研究院公司技术特色

在利用水泥窑协同处置固体废弃物方面，天津水泥工业设计研究院公司着重点立足于危险废物及部分附加值较高的工业废弃物方面。针对我国废物管理的现状，从天津水泥工业设计研究院公司收集到的废弃物数据来看，目前国内很少有专门对废弃物进行分散、稳定、均质化的预处理公司，与国外采用均质和调热处理过的废弃物不同，国内水泥厂能采用的废弃物热值、成分波动很大。国内可供处理利用的废物往往含有较高的水分和有害物质成分，仅仅是利用水泥厂进行销毁而已；工业废物的规模化利用将只能采用处置为主，能源回收为辅的原则。基于以上观点，危险废物预处理主要包括：1破碎(将固体废弃物破碎至水泥窑接受要求)；2混合调质(对不同来源的废弃物完成混合调质均化，达到稳定成分的要求）。

图2多种废弃物预处理流程图

Fig. 2 The pretreatment process of various waste

针对生活垃圾热值低、灰分大、干化困难的特点，采用其他焚烧处置工艺往往具有较高的运行成本。利用水泥窑协同处置生活垃圾可以显著降低固定投资和运行成

本，具有较高的社会效益，

废物中的硫、氯、碱含量对水泥厂生产有较大的影响，水泥行业的控制标准为，折合至入窑生料其硫碱元素的当量比S/R应控制在0.6～1.0左右，Cl元素则控制在0.03～0.04％以下。

2.3工程实例

北京金隅集团城市工业废弃物综合处置示范线

2005年10月，由天津水泥工业设计研究院设计的北京金隅集团北京水泥厂年处理10万吨废弃物示范线工程全线投产。该生产线日产3000吨水泥熟料，具有年处置废弃物l0万吨的能力，实现了废弃物减量化、无害化、资源化处置。该水泥厂被国家发改委评为第一批国家循环经济试点单位，同时该厂被英国《国际水泥评论》杂志誉为“生态友好型企业”。

表2示范线处置对象及消纳能力

Table 2 The capability of disposing industrial wast

该生产线利用水泥窑协同处置工业废弃物的示范生产线在投产次年即基本达到设计规模，已经实现多年的连续稳定运行。

3水泥窑协同处置污水处理厂污泥

污水处理厂污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥的主要特性是含水率高(可高达99%以上)，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细，比重较小，呈胶状液态。它是介于液

体和固体之间的浓稠物，可以用泵运输，但它很难通过沉降进行固液分离。

污泥有机物含量高、易腐烂，有强烈的臭味，并且含有寄生虫卵、病原微生物和铜、锌、铬、汞等重金属以及盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，如不加以妥善处理，任意排放，将会造成二次污染。

3.1现有水泥窑系统协同处置污泥的主要技术路线

目前在水泥行业有应用是协同处置污泥技术路线主要有：

（1）利用水泥窑协同处置干化/半干化的污泥，在窑尾分解炉加入；

（2）利用水泥窑废热进行污泥干化/半干化预处理，干化后的污泥在窑尾分解炉加入；

（3）湿污泥，经过泵送直接入窑尾烟室；

（4）外运来的污泥焚烧灰渣，可通过水泥原料配料系统处置。

3.2 水泥窑系统处置污泥的预处理要求

（1）控制入窑污泥水分小于40%。

（2）控制污泥中硫、氯、碱有害元素含量。折合至入窑原料，其硫碱元素的当量比应控制在0.6～1.0，氯元素控制在0.03～0.04％以下。

（3）依据工程确定的重金属、大气污染物排放要求，控制污泥的合理处置规模。

3.3 利用水泥窑直接焚烧处置污泥

通常水分在60%~85%的市政污泥可以利用水泥窑直接焚烧处置。其主要流程如下所示：

图3水泥窑直接焚烧处置湿污泥流程图

Fig. 3 The process of directly disposing sludge

3.4 利用水泥窑废热干化污泥

3.4.1 水泥生产的废热利用

利用窑尾废热烟气干化污泥，必须优先保证原料磨、原煤磨生产用风为前提。在利用水泥生产线废热干化污泥的生产实践中，可通过合理调整水泥窑系统预热器的级数或设置部分旁路烟气实现污泥干化与水泥生产原料烘干的统一。

水泥工业余热发电技术应用较广泛，采用余热发电可提取部分或全部蒸汽作为污泥干化的热源使用。

3.4.2 利用水泥窑烟气直接干化污泥工艺

根据干燥设备的不同，分为直接干化工艺和间接干化工艺。对于采用烟气直接干化污泥工艺必须严格控制烟气氧气含量，此时只能采用来自水泥窑窑尾废热烟气作为污泥干化的热源实用。

对现有主流水泥生产线，在不考虑余热发电前提下，采用烟气直接干化含水率80%的湿污泥，其能力约为每1000t熟料生产能力可配置80~100t污泥干化能力。

图4利用水泥窑废热烟气直接干化污泥的工艺流程框图

Fig. 4 The process of directly drying sludge

3.4.3 利用水泥窑烟气间接干化污泥工艺

采用生产过程烟气为热源依靠换热锅炉加热导热油，采用涡流薄层干燥工艺干化污泥，干污泥入窑替代燃料利用。

图5利用水泥窑废热烟气间接干化污泥的工艺流程框图

Fig. 4 The process of indirectly drying sludge

3.5 利用水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥

3.5.1 干化污泥的燃烧特性

干化后的污泥基本为细的颗粒状，具有以下特点：

（1）发热量低。

（2）着火点低。

（3）燃烧过程形成的飞灰多。

（4）燃烧时间短。

以上特点决定利用水泥窑处置干化/半干化污泥不适合作为原料配料大规模利用，应当尽可能在分解炉、窑尾烟室等高温部位投入，以保证焚毁效果。

3.5.2 水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥的主要流程

干污泥入窑的工艺流程主要如下：来自干污泥储藏仓的污泥经皮带秤计量后，经双道锁风阀门进入分解炉，分解炉内部增设污泥撒料盒，在撒料盒下方设置压缩空气进行吹堵和干污泥的抛洒分散。如干污泥仓布置离窑尾较远，也可采用气动输送，利用罗茨风机作为动力，经管道输送进入分解炉，干污泥燃烧采用单通道喷管即可。3.5.3 水泥窑焚烧处置干化/半干化污泥对水泥窑系统的主要影响

利用水泥窑处置生活污泥，对水泥窑系统的影响主要体现在：

（1）分解炉的炉容需要适当增加；

（2）水泥窑系统总通风量也适当增加，对应高温风机风量应考虑增加5～10%；

（3）烧成系统总换热效率有轻微的变化，窑尾废气温度有所升高；

（4）影响水泥厂余热发电利用的可行性。处置生活污泥和余热发电在热源上具有同源的竞争性。

3.5 污泥焚烧灰渣替代水泥生产原料利用

在污泥焚烧灰渣作为替代原料利用之前，应仔细评估硫、氯、碱等可能引起系统运行稳定性有害元素总输入量对系统的影响。这些成分的具体验收标准，应根据协同处置污泥性质和窑炉具体条件，现场单独进行确定。

3.6工程实例

广州越堡水泥有限公司6000t/d生产线处置污泥工程

广州市越堡水泥有限公司位于广州市花都区，建有一条日产6000吨水泥熟料生产线。2007年11月广州市越堡水泥有限公司委托天津水泥工业设计研究院有限公司设计利用现有回转窑处理含~80％水分污泥的工程。天津水泥院经过充分的分析计算并结合现有的场地及厂方的资金情况，与厂方协商确立了日处理600吨含水80%污泥的工程规模，具体内容如下：建一座日处理生活污泥600吨（含水率80％）的干化处置中心，干化后含水小于30%的半干污泥通过新建的接口设备在水泥熟料烧成系统中焚烧处理。2009年3月完成污泥生产线的点火调试工作，2009年8月起开始连续处置广州市城区的市政污泥。

污泥干化采用的废热来自现有的熟料生产线预热器出口窑尾废热烟气，废热烟气经管道输送至干化车间，通过风机升压后鼓入干燥机干燥室进口。需要干化的湿污泥由专用的输送装置送至污泥储料小仓，然后送到干燥机。在干燥室内，气固两相进行对流型干燥，完成热交换后的污泥和烟气一起进入袋收尘器。收尘后的干泥污泥颗粒通过锁风卸料阀后由胶带输送机提升机送入成品污泥储仓。干燥后尾气经处理后排放。

该项目的主机装备为国产装备，其总投资比采用进口装备节省~50%。

该项目日处理80％水分污泥600吨项目，年处理污泥18.6万吨，若污泥的干基热值按16785KJ/kg计，每年使水泥厂节省 1.8万吨标煤。

该项目2009年3月投入运行，经过一年多的运行，表明系统适应能力强，运行非常稳定，处置能力超过预期指标，经济技术指标优良。

该项目的意义在于，通过所采用的技术路线，充分利用水泥窑的余热和处置能力，使工业污泥/生活污泥的处理达到低成本运行，并可达到稳定化、减量化、无害化和资源化的目的，为解决长期困扰的工业污泥/生活污泥处理问题，寻求一种有效利用的途径，为全国污泥的减量处理和有效利用提供示范作用。此项目的实施不但有很好的社会效益，而且节省了资源，彻底地排除污泥无害化处理技术领域中最终处置时所付出的巨大环境代价。从而从根本上消除城市生活中威胁着人们健康生存的一个隐患，使生态环境与资源再生利用走上可持续发展的道路。

北京水泥厂污泥工程介绍

本工程是利用水泥窑系统的热量将含水80%的污水厂污泥干化至含固率为65%的半干污泥，然后入窑焚烧处置。日处理湿污泥500吨，年处理16万吨。工程建设单位北京水泥厂位于北京市昌平区，2008年11月28日开工，2009年地建完、2010年6月调试完成。

本工程干化技术属于间接干化工艺系统，热源采用从水泥窑系统取出高温热后进行换热，热量通过热载体传给干燥设备进行污泥干化。

干燥后的颗粒和气体经过旋风分离器和布袋除尘后颗粒从工艺气体中分离出来，经冷却螺旋冷却后污泥颗粒送入水泥窑中焚烧。干燥分离的蒸汽经过离心机抽取循环后经过热交换器重新被加热返至干燥器的始端。

本工程解决当时北京25%的污泥处置问题，净化了环境，节约了能源并且对污泥进行再利用。取得了良好的社会效益和环境效益。

4重要污染物的监测

利用水泥窑协同处置污泥应遵循标准为《水泥工业大气污染物排放标准GB4915－2004》和《生活垃圾焚烧污染控制标准GB18485-2001》。对要求较高的地区，可参考采用《危险废物焚烧污染控制标准GB18484-2001》或借鉴欧盟《废物焚烧2000/76/EC指令》。

利用水泥窑协同处置污泥必须对重要的污染物进行定期监测。

表3污染物及工艺参数的检测

Table 3 Frequency of emission monitoring for significant components

5 利用水泥窑协同处置污泥的职业健康与安全

在利用水泥窑协同处置污泥的职业健康与安全方面必须坚持以下基本原则：

（1）在工艺设计、生产管理必须形成完善的现场危险规避机制。通过建立良好

的基础设施(气体、异味、粉尘、渗入地下水或地表水、防火等的技术方案)，合理配

置物料流和人流的布局，并设置合理的安全操作制度，建立安全教育培训机制。

（2）形成严密的安全与保卫体制；车间管理应设置兼职的安全员，并通过工厂

的安全工程师实现污泥处置的全过程安全管理。

（3）污泥处置全过程的信息追溯。

（4）针对不同的岗位及进行不同层次的安全培训。在新工厂开始协同处置污泥

前之前，必须对管理层和技术核心进行培训，组织实地参观和学习；必须完成对新工

人和分包商关于危险作业方面的培训。建立对相关员工定期的再认证。

（5）完善紧急事件和污泥处置过程遗撒的响应计划。应急计划应包括邻近的企

业和有关政府部门的，良好的、正规的紧急事件和突发的污泥遗撒响应计划，定期做

紧急事件应对演习。

The research of waste co-processing in cement kiln

Hu ZhiJuan

( Tianjin Cement Institute Design and Research Institute Co.,Ltd，Tianjin 300400，China)

Abstract Modern incineration plants and secure landfills are common disposal options in OECD countries but have high investment and operating costs and need qualified personnel. An efficient cement kiln can provide an environmentally sound, and cost-effective treatment/recovery option for a number of wastes. Substituting fossil fuel and virgin raw material by waste (Alternative Fuels and Raw materials – AFR) will further reduce overall CO2 emissions if the waste material being used would instead have been burned or disposed without energy recovery. The use of AFR can decrease the environmental impacts of wastes, safely dispose of hazardous wastes, decrease greenhouse gas emissions, decrease waste handling costs and save money in the cement industry.

Co-processing of hazardous waste in cement production has been recognized as an

environmentally sound disposal method in the context of the Basel Convention. This addresses the suitability of co-processing of hazardous waste in cement production and the conditions to which it should be subject. The cement industry consumes a significant amount of natural resources and energy. It also contributes worldwide to the development and modernization of cities and infrastructure. The cement industry and its associations continuously try to improve environmental performance by optimizing the use of natural resources and reducing its overall energy consumption For more than 10 years of intensive research, combined with cement kiln operating conditions, based on the situation of Chinese waste disposal, Tianjin Cement Industrial Design and Research Institute Co.,Ltd had developed a set techniques on co-processing in cement kiln for urban sewage sludge, life rubbish, contaminated soil etc. which have been proved and promoted in practice.

Key Words: cement kiln; co-processing; sludge; rubbish; contaminated soil