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      利用水泥窯協同處置工業廢棄物技術淺論

      利用水泥窯協同處置工業廢棄物技術淺論

      作者:
      來源:
      2013/02/28 00:00

        隨著資源開發和城市化進程的加快,無論是發達的工業國家還是正在逐步崛起的發展中國家,各類垃圾及廢棄物的處理利用已成為一個不可避免、難以回避的現實問題?!笆濉逼陂g我國城市生活垃圾及廢棄物處理問題得到空前重視,“無害化處理率”作為重要衡量指標將納入政績考核體系。北京金隅集團近年來針對固廢處置及污染控制問題進行了深入的技術研究,取得了大批擁有自主知識產權的技術成果,同時已在集團多家水泥企業中成功應用,取得了良好的效果??梢韵嘈?,水泥窯協同處置廢棄物前景看好。

        水泥窯協同處置垃圾焚燒飛灰

        隨著北京市人口不斷增長,北京每天產生的生活垃圾越來越多。統計資料表明,2008年北京市生活垃圾日產生量16620噸(607萬噸/年);如果按2010年全市常住人口達到1800萬計,生活垃圾日產生量將達到18215噸(665萬噸/年)。

        目前,北京市垃圾處理90%是靠衛生填埋,焚燒、堆肥處理量僅占10%,減量化、資源化水平低。直接填埋含有大量有機物和水分的原生垃圾,作業難度大、填埋場安全隱患多,同時填埋產生的滲瀝液、沼氣處理水平低,嚴重污染周邊環境。焚燒處理可以在大規??焖偬幚韽U棄物的同時回收部分能量,可使生活垃圾減容80%~95%,垃圾燃燒時產生的熱能還可充分回收,用于供熱和發電。與其他處理方法相比,焚燒法不僅符合垃圾處理的“三化”原則,而且具有占地面積小、運行穩定、處理時間短等多種優點,在許多國家和地區已經成為城市生活垃圾處理的首選方案。2010年4月22日,國家住房和城鄉建設部、發改委及環保部聯合發布了《生活垃圾處理技術指南》,明確指出:“焚燒處理設施占地較省,穩定化迅速,減量效果明顯,生活垃圾臭味控制相對容易,焚燒余熱可以利用?!薄皩τ谕恋刭Y源緊張、生活垃圾熱值滿足要求的地區,可采用焚燒處理技術?!卑凑毡本┦欣贌龔S建設規劃,2012年前,將建設阿蘇衛焚燒廠、京南垃圾焚燒廠、董村垃圾焚燒廠3個垃圾焚燒處理項目。2015年前,再建六里屯焚燒廠、北天堂焚燒廠、南宮焚燒廠、梁家務焚燒廠,屆時,生活垃圾焚燒將成為北京市生活垃圾綜合處理的主要方式之一。

        飛灰是指在垃圾焚燒發電廠煙氣凈化系統收集而得的殘余物,總量約為生活垃圾處理量的3%~4%。飛灰中含有很多有機污染物和痕量重金屬,具有很強的毒性,被歸為危險廢棄物。垃圾飛灰的處置受到了北京市環保局的高度重視。根據“十一五”規劃,北京市規劃中的垃圾焚燒廠全部投產后日處理量5400噸,垃圾飛灰的年產生量為6萬噸左右。

        目前,國內外處理生活垃圾焚燒飛灰的成熟方式主要有安全填埋和資源化利用兩種方式。飛灰無害化安全填埋技術是將有毒有害組分包容覆蓋起來,或者使其呈現化學惰性,然后進入危險廢棄物填埋場進行填埋。國內已建設生活垃圾焚燒廠的北京、上海、深圳等城市由于土地資源緊張、危險廢物填埋場選址困難,飛灰無害化安全填埋技術不符合城市可持續發展的需求。國外開發了一些飛灰資源化利用技術,以期大量消耗焚燒飛灰,解決飛灰填埋帶來的諸多問題,代表性技術有3種:配置混凝土;制備陶瓷、玻璃等;制備水泥。配置混凝土技術在歐洲研究較多,它是利用飛灰代替水泥或者代替砂石料用作輕質混凝土的骨料,由于抗壓強度太低,產品一般只適合于非結構件,而且由于沒有經過高溫處理,存在二惡英二次污染的風險。利用飛灰制備陶瓷、玻璃的技術是在高溫條件下進行,高溫處理可以破壞二惡英等有機污染物,形成的玻璃態物質同時還能穩定重金屬,但是這項技術處置成本非常高,在熔融過程中有大量的揮發物產生,尾氣處理難度相當大。利用飛灰制備水泥技術在日本有多年成功的工業化運行經驗,主要是利用回轉窯具有溫度高、窯內高溫氣體湍流強烈、堿性氣氛等特點,在高溫條件下有效分解二惡英,絕大部分重金屬元素生成穩定的鹽類礦物固定在熟料之中,性能可以達到普通硅酸鹽水泥標準。

        比較上述3種資源化利用技術,用飛灰生產水泥技術實用性最強,能有效解決飛灰中二惡英、重金屬等有害物質的危害性,符合北京市加強生活垃圾資源化處理的規劃目標,但目前該技術在我國還沒有成功的產業化運行先例。為了解決垃圾飛灰的出路問題,北京金隅集團承擔了北京市科委設立的2008年重大項目“生活垃圾焚燒飛灰的資源化利用”,目的是將垃圾飛灰經過預處理后,通過水泥回轉窯燒制成水泥,從而實現垃圾飛灰的無害化和資源化。該課題建設的年處理600噸生活垃圾焚燒飛灰的預處理中試線和處理后飛灰水泥窯工業實驗的結果表明,該技術路線是可行的,同時在用水量、污水處理的環境安全性、對水泥窯工況的影響及水泥窯的尾氣排放方面具有非常明顯的優勢。

        水泥窯協同處置垃圾焚燒飛灰項目的實施將有毒、有害的焚燒飛灰制備成對環境無害的基礎建筑材料水泥,并且在處置過程中不會對環境造成危害,可節約生產水泥所需的礦物原料,有效緩解生活垃圾焚燒發電帶來的二次污染問題,緩解我國大中城市的巨大環境壓力,對我國城市的環境保護和可持續發展將產生重要的影響,擁有自主知識產權的垃圾焚燒飛灰資源化的集成技術填補了國內空白。建設的中試線目前已順暢運行1年多,年處理3萬噸飛灰的生產線也已完成設計,技術完全成熟,將以全套技術輸出的形式向全國推廣,解決目前已建設的近百個垃圾焚燒廠的飛灰出路問題。

        依托水泥窯處置城市生活污泥

        城市污水處理廠的污泥是污水廠將城市地區的污水收集處理、出水達標排放后剩余的殘留物。污泥泥質符合中華人民共和國國家標準GB24188-2009《城鎮污水處理廠污泥泥質》,主要由低級的有機物如氨基酸、腐植酸、細菌及其代謝產物、多環芳烴、雜環類化合物、有機硫化物、揮發性異臭物、有機氟化物等組成,此外,還含有無機物和汞、鎘、鉛等重金屬物質。

        我國每年城市污水廠產生3000萬噸污泥有待處理,對污泥的處理方法多種多樣,目前仍沒有最佳方法,許多城市新上馬的污水處理線因為污水廠污泥得不到有效處置,只得停產。歐州國家已由以前的堆肥變化為到水泥廠焚燒處理,美國的污泥將根據生化指標分類處理。目前,我國城市污泥采取隨產隨運,送去填埋或郊區傾倒,從而變成二次污染源,對大氣、水體、土壤都造成污染和危害,其危害的程度和持久性遠大于廢水,如不進行適當處理及合理有效的再利用,將導致在處理污水的同時制造出新的、更為嚴重的污染,使人們生存的環境進一步惡化,生態環境難以修復。因此為城市污泥處理廠的污泥尋求解決出路,對其進行減量化、穩定化、無害化、資源化處理和利用是十分必要和迫切的。我國政府已經將城市污泥無害化處理及有效利用工作列入重要議事日程,并納入了社會經濟發展的總體規劃之中。

        北京金隅集團研究開發的依托水泥窯處置城市生活污泥技術,解決了干化取熱方式、干泥入窯焚燒、廢氣處理及污水處理回用等技術問題,實現了水泥回轉窯系統與污泥干化處置系統有機結合。首先,其工藝簡便、運行靈活性高:由于出口污泥含固率可調,通過調整運轉,同一套設備,干燥后產品的含固率可調整65%~90%;污泥干燥一步完成,無需返混等。整個設備的開機和設置需要相對較短的時間,同時渦輪的轉動慣性基本上保證了干燥器內的清空,便于工廠的停機、重設和重啟。其次,安全可靠性高:渦輪轉子高速旋轉產生的強烈渦流使污泥得到均勻的攪拌,污泥干燥是每個顆粒不斷地通過與熱壁短暫接觸的過程中完成的;與此同時,污泥的整體溫度被保持在80℃~85℃之間,污泥加熱均勻、溫度低,從而可避免顆粒過熱和粉塵的產生。預熱空氣與物料同向流動,熱空氣一方面采用對流方式加熱物料,同時帶走熱傳導產生的蒸汽,并且引導物料沿一個方向向前運動,氧氣含量控制不依賴惰性氣體,防止粉塵爆炸的風險。三是熱耗低:該工藝是結合熱傳導和熱對流兩種熱交換方式進行干燥的技術,集合了熱傳導和熱對流的優點,熱能的分析可參考10.8熱平衡計算。此外,該技術維護工程量小,冷卻水循環使用,減少了清潔水源的消耗。工藝中產生的臭氣被有效處理,對外沒有臭氣的排放。

        目前,北京金隅集團污泥干化系統正式運行。依托現有水泥窯處理處置污水廠污泥項目,實現了污泥處置無害化、穩定化、減量化和資源化的目的。徹底解決了部分北京市污水廠產生的污泥,為政府在污泥處理處置領域提供了新的運行模式。

        生活垃圾篩上物水泥窯處置

        生活垃圾篩上物包括原生垃圾篩上物、垃圾堆肥篩上物以及礦化垃圾篩上物等。篩上物中含有大量的塑料、紙、布及其他可燃物,含水率低于新鮮垃圾,經適當的預處理處置,將成為一種水泥工業很好的替代燃料。根據北京市政府《關于全面推進生活垃圾處理工作的意見》中的規劃,2015年,北京市生活垃圾焚燒、堆肥、填埋處理比例將變為4:3:3,按照8%垃圾增長率計算,2015年垃圾產生量將超過1000萬噸,僅原生垃圾的篩上物產生量將達到200萬噸以上。隨著北京市垃圾填埋場治理再利用的逐步展開,北京市垃圾篩上物的產生量將進一步增加,研發垃圾篩上物水泥窯利用前景廣闊。

        利用水泥回轉窯處理生活垃圾,與傳統的焚燒處理方式相比,具有很大的優越性,可實現對生活垃圾的無害化、減量化處置,而且這項技術還可以充分利用生活垃圾的熱能,幫助水泥企業降低燃煤消耗,真正實現生活垃圾處理的資源化。我國在近幾年將利用水泥回轉窯處置生活垃圾提到議事日程,已在北京、上海等地水泥廠進行了工業性試驗,取得了可喜的成果,正加緊付諸工業推廣實施。

        但是,利用水泥回轉窯處置生活垃圾,在技術經濟及環保法規等方面還有很多問題必須認真解決。比如:垃圾貯存、運輸過程的惡臭問題,水泥窯摻燒量低、窯況波動大等技術瓶頸,垃圾焚燒生活垃圾可能會引起水泥窯內熟料燒成機制和后續水泥、混凝土產品性能的變化等。必須對這些技術問題進行深入的研究,以保證在無害、資源化消納生活垃圾的同時,生產出合格的水泥和混凝土制品。

        垃圾衍生燃料(RDF)技術即將垃圾制成燃料棒的技術。生活垃圾經破碎、分揀、干燥、添加助劑、擠壓成型等處理過程,制成固體形態(圓柱條狀)燃料,易運輸及儲備,在常溫下可儲存6~12個月,且不會腐敗。

        北京金隅集團生活垃圾篩上物水泥窯處置項目,采用新型分選設備,一次將可燃垃圾與不可燃垃圾高效分離;采用新工藝,將可燃垃圾經過一次粗破碎即可加工成RDF;同時研制脫氯、控氮添加劑,抑制RDF氣化過程中氯、氮氧化物及二惡英產生;優化RDF氣化參數,提高可燃氣體產生比率,降低中間產物產生量;將可燃氣體直接與水泥窯對接,省卻了冷卻和氣體凈化環節的資金投入,避免了焦油困擾;水泥回轉窯焚燒可燃氣體,代替垃圾焚燒的二燃室,建設投資??;將可燃氣體通入水泥回轉窯焚燒,代替低氮燃燒工藝,降低氮氧化物產生量,省卻脫硝環節;RDF氣化焚燒,實現了垃圾利用的最大化和清潔化;氣化殘渣與底渣建材利用專利技術結合,實現垃圾零填埋。RDF加工與水泥窯利用兩部分可以分別就近建設,充分利用現有的垃圾處理設施;在滿足水泥窯利用的前提下,生產出的RDF還可作為生物質燃料,進入市場銷售。

        生活垃圾篩上物水泥窯處置項目的實施,將原本用來填埋處理的垃圾篩上物氣化后再進入水泥窯清潔焚燒,可節約生產水泥所需的礦物原料,有效解決生活垃圾焚燒發電帶來的二次污染問題,緩解我國大中城市巨大的環境壓力,對我國城市的環境保護和可持續發展產生重要的影響。

        玻璃鋼替代水泥燃料

        玻璃鋼學名玻璃纖維增強塑料,它是以玻璃纖維及其制品作為增強材料,以合成樹脂作為基體材料的一種復合材料,熱值非常高。玻璃鋼邊角料形狀不規則,強度極高,破碎難度大,難降解,焚燒易產生有毒氣體。一般情況下,玻璃鋼的壽命為10~20年。廢棄玻璃鋼產品處理的傳統方法是掩埋與燃燒,掩埋有占用大量土地及污染地下水的缺點,而燃燒則有產生有害氣體污染環境的缺點。近年來研究已證實,不飽和聚酯的主要原料苯乙烯為環境激素,由于它的化學結構穩定,又不能生物降解,具有很高的環境滯留性,成為持續性有機污染物,無論在空氣、水還是在土壤中,都能強烈地吸附于顆粒上,借助于水生、陸生食物鏈不斷富集,對生態環境造成危害,人類若食用被污染的動、植物,將產生嚴重的后果?;谝陨显?,北京市環保局已明令禁止玻璃鋼廢料的填埋和直接燃燒處置。

        對于玻璃鋼這種產生量大、形狀各異,長條狀或者塊狀,無具體規格,性質特殊、處理難度大的廢棄物,采用現有的處置系統難以滿足日益膨脹的市場需求,必須為其設計有針對性的預處理系統,將其制備為能夠連續穩定輸送的燃料,則可實現真正意義上的燃料替代。利用玻璃鋼廢棄物作為生產水泥的替代性燃料,是消除這種工業廢料污染最有效、最徹底的途徑,而且通過利用玻璃鋼廢棄物進行替代燃料可以使水泥生產企業減少對其他能源的消耗,大大降低了生產水泥的成本,具有良好的社會效益和經濟效益。

        較傳統直接燃燒、填埋簡單的處置技術相比,利用水泥回轉窯焚燒,對廢棄物的處置更加完全,在處置的過程中對環境污染較小,不存在焚燒灰渣的二次處理,也沒有二次污染產生,這是它最為突出的優越性。水泥回轉窯處理廢棄物還有一些優越性,其一,水泥回轉窯溫度高,爐內火點溫度高達1650℃~1800℃,在高溫作用下廢棄玻璃鋼中的有害成分會被完全焚毀,即使很穩定的有機物也能被完全分解。其二,水泥回轉窯有一個很大的焚燒空間,有均勻的、穩定的焚燒氣氛,物料在爐中高溫下停留時間長,與空氣接觸充分,廢舊玻璃鋼燃燒完全,二惡英分解徹底。其三,廢玻璃鋼焚燒過程要求控制適當的過??諝饬?,只有當焚燒裝置處于少量過??諝鈼l件下,焚燒熱效率才能較高,而這一點也恰好是水泥回轉窯所要求的。

        因此,采用廢舊玻璃鋼作為生產水泥的燃料,可以完全消除廢舊玻璃鋼由于傳統掩埋和燃燒帶來的環境污染問題,也是緩解能源緊缺的重大舉措。

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