1  前言

隨著我國城市化進程的加快和人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)生量迅速增加。根據(jù)國家統(tǒng)計局《城市環(huán)境情況（2000-2005 年）》等資料，從2004年起全國城市生活垃圾產(chǎn)生量已超過1.5億噸，有近一半的城市生活垃圾得不到無害化處理。垃圾的危害主要體現(xiàn)在：影響市容市貌；占用耕地，污染土壤及農(nóng)作物；污染地下水和地表水；污染大氣，使顆粒物和氣態(tài)污染物濃度增加。垃圾直接堆放和簡易填埋向大氣釋放大量的有害氣體，其中還含有致癌物，垃圾在堆放腐敗過程中產(chǎn)生大量酸性和堿性有機污染物，并溶解出垃圾中的重金屬，形成有機物、重金屬和病原微生物三位一體的污染源，此外，垃圾堆積場爆炸事故不斷發(fā)生，造成重大損失。沈陽市曾經(jīng)對35 處填埋場中的10處地下水分析，發(fā)現(xiàn)地下水質(zhì)惡化，水混濁發(fā)臭，水中均檢出厭氧大腸桿菌；垃圾斷層樣品均檢出有毒有害物質(zhì)，污染嚴重。合肥清溪路垃圾填埋場2000年1月封場，禁止填埋垃圾，但是，多年積攢的滲漏液仍對流經(jīng)合肥的南淝河——直到巢湖水質(zhì)造成污染，不得已只能再次治理。為保護人居環(huán)境，實施生活垃圾無害化處置工程已作為國家環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃污染治理的重點領(lǐng)域和主要任務(wù)。

在城市生活垃圾無害化處理的衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒3 種方式中，2005年衛(wèi)生填埋占85.78%，焚燒為9.90%。近幾年雖大力發(fā)展垃圾焚燒處理方式，所占比例仍無明顯增加，可以說，目前我國垃圾處理仍以填埋為主。環(huán)境效益較好的垃圾焚燒方式推行緩慢的原因在于：我國處理生活垃圾的焚燒技術(shù)為引進或在此基礎(chǔ)上消化吸收的焚燒發(fā)電技術(shù)，由于我國垃圾水分高、灰分高、熱值低，使得垃圾焚燒發(fā)電存在投資和運行費用太高，垃圾熱能利用率太低，運行過程中一般要補充礦物質(zhì)燃料，灰渣要另行處理，廢氣中二噁英等有害氣體脫除系統(tǒng)復雜等一系列問題。發(fā)達國家也在審視垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)的環(huán)境友好性，以現(xiàn)有工業(yè)協(xié)同處理廢物技術(shù)逐漸成為處理生活垃圾的新視點�，F(xiàn)有工業(yè)處理固體廢棄物不僅能消除廢棄物對環(huán)境的污染，而且能為現(xiàn)有工業(yè)提供原料和燃料。水泥工業(yè)對固體廢棄物的處理所具有的環(huán)境友好性和投資及運行費用的經(jīng)濟性已為世界各國公認。以下對探討水泥工業(yè)處理和利用生活垃圾的技術(shù)，以期水泥界同仁協(xié)力，使水泥工業(yè)對環(huán)境保護作出新貢獻。

2  垃圾焚燒后的灰渣或飛灰作為生產(chǎn)水泥的替代原料

該技術(shù)是垃圾焚燒廠直接處理垃圾，水泥廠把垃圾焚燒廠焚燒生活垃圾時產(chǎn)生的灰渣、飛灰或污泥等廢物為主要原料生產(chǎn)水泥。日本把以廢物為主要原料生產(chǎn)的水泥稱之為生態(tài)水泥，或稱環(huán)保水泥、綠色水泥。由于灰渣等廢物中含有大塊和金屬物質(zhì)，化學成分中氯含量往往超過水泥生產(chǎn)對原料質(zhì)量的要求，水泥生產(chǎn)線須設(shè)置對垃圾焚燒爐灰進行除去大塊、磁力篩選等工序，并對飛灰進行水選和脫氯處理后，才能成為水泥原料。生態(tài)水泥的原料成分約為：石灰石52％、焚燒灰渣38％、污泥9％、其他1％，水泥性質(zhì)與普通硅酸鹽水泥相同，可廣泛應(yīng)用于混凝土建筑和地基等。日本環(huán)保水泥株式會社從1999年3月就開展了生活垃圾焚燒殘渣生產(chǎn)生態(tài)水泥的研究，2001年4月開始試生產(chǎn)這種生態(tài)水泥。2002年7月20日通過了經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省制定的生態(tài)水泥國家行業(yè)標準，2003 年在東京都三多摩地區(qū)開始建設(shè)環(huán)保水泥項目。該項目能處理全市垃圾焚燒設(shè)施所產(chǎn)生的灰渣，處理量每年9.4萬噸，水泥產(chǎn)量可達每年13萬噸。

該處理方式要建垃圾焚燒廠，焚燒垃圾時往往要添加化石燃料，產(chǎn)生的灰渣再由水泥廠處理。以專門的垃圾焚燒廠處理垃圾是上世紀80年代日本處理城市生活垃圾技術(shù)路線的模式，產(chǎn)生的灰渣等無處堆放，二次污染環(huán)境，不得不向水泥工業(yè)尋求出路。該處理方式，總體花錢很多，后遺癥不少。目前我國發(fā)展的垃圾焚燒方式，有可能步日本之后塵。為此，我國水泥專家高長明呼吁：“從日本生態(tài)水泥中應(yīng)吸取教訓和經(jīng)驗”。

3  垃圾制成垃圾衍生燃料(Refuse Derived Fuel，RDF)，以此作為水泥燒成的替代燃料

該技術(shù)是建設(shè)專門的生活垃圾預處理廠，在預處理廠對生活垃圾篩分、除鐵、風選、破碎、除去非鐵質(zhì)金屬、除去玻璃陶瓷、擠壓出水分等，將可燃部分選出。對選出的可燃部分進行破碎、烘干、加入添加劑、成型、篩分、制成衍生燃料（RDF）成品。實際RDF生產(chǎn)線的構(gòu)成取決于生活垃圾的組成特點，同時考慮運行的經(jīng)濟性和環(huán)境問題。一般情況下，RDF生產(chǎn)線以篩分或手工分選開始，撿出垃圾中的大件，使后續(xù)設(shè)備不會因物料太大而降低效率。垃圾進入破碎或磨碎前，需進行除鐵和風選，分離出其中的金屬物質(zhì)和玻璃陶瓷等無機物，防止金屬塊和硬的無機物對破碎或磨碎設(shè)備的磨損。磨碎段應(yīng)設(shè)置在破碎之后，以提高效率。破碎后的垃圾進入干燥段烘干，烘干過程應(yīng)配備除臭裝置，避免污染環(huán)境，制作過程中使用的添加劑通常為高熱值的煤和防臭防腐的生石灰，最后進行硬化處理，擠壓或造粒成型。目前歐美大多數(shù)國家對RDF都明確地規(guī)定了質(zhì)量標準。如意大利對RDF的性質(zhì)提出了熱值、不可燃無機物含量、有害物質(zhì)含量等多方面要求。按質(zhì)量標準生產(chǎn)的RDF組成均一、能量密度大、燃燒效率高，易于儲存和運輸。水泥廠可以方便地使用RDF作為替代燃料，由窯頭燃燒器噴入水泥窯內(nèi)燃燒。世界水泥工業(yè)應(yīng)用替代燃料廣泛采用由專業(yè)公司進行收集、加工，以品質(zhì)穩(wěn)定的成品供給水泥廠使用的模式，如法國、比利時、挪威、德國、美國等均形成這樣的二次燃料供應(yīng)渠道。

該處理方式雖然方便了水泥廠對垃圾產(chǎn)品——衍生燃料的使用，但是要建設(shè)垃圾預處理廠，對垃圾分揀和處理。分揀后的不可燃物得不到利用，要另行處理；再者，RDF制作過程中添加高熱值的煤，也是用化石燃料處理垃圾。我國現(xiàn)行生活垃圾成分復雜、水分高、熱值低，采用該處理方式并不經(jīng)濟，垃圾預處理時二次污染控制也很困難。

4  垃圾分選后分別作為生產(chǎn)水泥的替代原料和替代燃料

該技術(shù)是將垃圾直接送到水泥廠，在水泥廠建設(shè)預處理車間，對生活垃圾篩分、除鐵、風選、破碎、除去不可燃的無機物、擠壓出水分等，將可燃部分選出。對選出的可燃部分再進行破碎、烘干，加工成能夠用特制噴煤管噴入水泥窯燃燒的燃料。除去的不可燃的無機物作為生產(chǎn)水泥的原料，在磨制水泥生料時搭配進去，成為替代原料。該技術(shù)工藝流程如圖。

工作過程介紹如下。

垃圾由市政環(huán)衛(wèi)部門的垃圾運輸車直接運到水泥廠的預處理車間，經(jīng)地磅計量后倒入垃圾儲池儲存。抓斗從垃圾池把垃圾抓入板式輸送機，人工挑選出大件垃圾、大塊建筑垃圾和可回收物，其余被送入一級滾筒篩。在該滾筒篩內(nèi)垃圾被打散、篩分，篩分粒徑為80mm，由于大量的渣土、廚余、陶瓷玻璃碎片、塑料碎片粒度較小，通過篩孔被分選出來，篩上物為纖維物、大片塑料、包裝盒及各種容器、大塊食品、竹木等。篩上物在送往風選裝置前先被磁選，風選將其中的塑料、紙張等輕質(zhì)物進一步選出，送入可燃物堆場；余下的纖維物、包裝盒及各種容器、大塊食品、竹木等經(jīng)粗破碎后與經(jīng)過磁選的一級滾筒篩篩下物混合。混合物含較高水分，通過帶式擠壓機擠壓，擠出的污水與垃圾儲池產(chǎn)生的污水排入污水處理系統(tǒng)，達標后排放；擠壓后的垃圾進入第二級滾筒篩。第二級滾筒篩篩分粒徑為40mm，篩上物為不易破碎的纖維物、竹木等可燃物，送入可燃物堆場；篩下物為破碎了的陶瓷玻璃容器、渣土、廚余，還混入小片的塑料薄膜等輕質(zhì)物。

為消除小片的塑料薄膜等輕質(zhì)物對水泥生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程的影響，對第二級滾筒篩篩下物用密度分選機分選，把小片的塑料薄膜等輕質(zhì)物分選出，送到可燃物堆場；密度分選后的陶瓷玻璃容器、渣土、廚余等摻入生料粉或窯灰，在螺旋攪拌機攪拌混合后，進入不可燃物預均化堆場，作為水泥生產(chǎn)的替代原料。由風選、二級滾筒篩、密度分選的可燃物進一步細破碎，進入可燃物預均化堆場，作為水泥生產(chǎn)的替代燃料。

不可燃物從預均化堆場取出，由膠帶運輸機送至水泥廠原料配料站的替代原料庫，與其它原料一樣，經(jīng)配料秤稱重，按一定的比例配料，然后進入生料磨粉磨。可燃物從預均化堆場取出，由運輸機送至水泥廠窯頭倉，通過計量秤稱重后由氣力噴射裝置從水泥窯頭噴入水泥窯燃燒。在以上的垃圾處理過程中，卸料及垃圾儲池、預處理車間、堆場等均為封閉式，排放的氣體進入熟料冷卻機高溫處理，盡量減少異味的外泄和擴散。

該方式是歐洲諸國多年處理城市生活垃圾技術(shù)路線的模式，由于水泥窯系統(tǒng)熱容量大、溫度高，垃圾處理過程不需要外加化石燃料；分選過程中有擠壓工序，能處理水分含量高的垃圾。但是其分選和后處理系統(tǒng)復雜，過程存在污染，需要對污水處理，運行費用仍較高；不可燃物中摻雜的有機物隨同生料進入預熱器，在低溫段分解，造成預熱器排出氣體中有機氣體份量增加。

圖1  分選處理流程

5  垃圾焚燒爐和水泥窯聯(lián)合處理垃圾

該技術(shù)為在水泥回轉(zhuǎn)窯旁設(shè)置垃圾焚燒爐來聯(lián)合處理原生城市生活垃圾，采用該辦法處理城市生活垃圾，既不同于日本的垃圾焚燒發(fā)電后由水泥廠處理灰渣的技術(shù)，也不同于西歐對垃圾分選后直接由水泥窯處理的技術(shù)，而是根據(jù)我國人民生活水平的現(xiàn)狀，適合我國垃圾特性，吸收他們的長處，并克服其不足，我們自主創(chuàng)新的一項新技術(shù)。采用該技術(shù)，可以將垃圾熱能和灰渣全部利用，污染物排放低，不需要二次處理，投資省，費用低。該技術(shù)已取得二項國家新型專利授權(quán)（專利號：200620113310.5，200620113309.2），發(fā)明專利（申請?zhí)枺?00610076668.X）也通過了審察。以該技術(shù)為依托的工業(yè)試驗系統(tǒng)于07年11月15日在川煤廣旺集團天臺水泥廠成功點火。試驗表明：新鮮城市生活混合垃圾，以冷卻水泥熟料的熱風作燃燒空氣，一個紗團即可點燃，不用外加燃料可以持續(xù)燃燒，對水泥生產(chǎn)系統(tǒng)尚未表現(xiàn)出明顯影響。

圖2   聯(lián)合處理流程圖

該技術(shù)不需要建設(shè)專門的垃圾焚燒廠或垃圾預處理車間，而把垃圾焚燒爐建在新型干法水泥窯旁邊，由垃圾焚燒爐和水泥窯聯(lián)合處理生活垃圾，工藝流程見圖2，處理過程敘述如下。垃圾由市政環(huán)衛(wèi)部門的垃圾運輸車直接運到水泥廠，經(jīng)地磅計量后倒入垃圾儲池儲存。抓斗從垃圾池把垃圾抓入板式輸送機，人工挑選出大件垃圾、大塊建筑垃圾和可回收物，其余被帶式輸送機送入喂料小倉，輸送過程中由除鐵器除去磁性金屬。喂料機把小倉內(nèi)的垃圾均勻地喂入焚燒爐，利用熟料冷卻機的熱風作為燃燒空氣，熱風從水泥窯窯頭罩抽取，進入回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐，垃圾在熱風的作用下焚燒，垃圾焚燒產(chǎn)生的高溫煙氣（1100℃左右）進入窯尾分解爐和預熱器，與水泥生料換熱，為水泥生料分解提供熱量，然后被窯尾廢氣處理系統(tǒng)凈化后排放。垃圾焚燒灰渣直接進入回轉(zhuǎn)窯作為水泥原料，結(jié)合于熟料之中。垃圾焚燒灰渣也可以從焚燒爐排出，作為混合材，用于磨制水泥。處理過程全部封閉，垃圾在垃圾池儲存期間，有機物腐敗產(chǎn)生的臭氣等有機氣體由排風機抽出，經(jīng)除塵器除塵后送入冷卻機頭部的鼓風機，再被鼓入冷卻機，與1400℃左右的熟料接觸，在高溫下被分解而凈化。

該技術(shù)以冷卻水泥熟料熱風作為垃圾燃燒空氣，采用回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐，解決了我國垃圾成分復雜、水分高、熱值低的缺陷，不需外加燃料，能處理大量的城市生活垃圾，使得垃圾的熱量和物質(zhì)全部被利用，同時很好地解決了垃圾儲存時散發(fā)的臭氣等有機氣態(tài)物的污染，做到垃圾的資源化、無害化、無殘留物處理。

6  天臺水泥廠試燒垃圾概況

天臺水泥廠采用圾焚燒爐和水泥回轉(zhuǎn)窯聯(lián)合處理原生城市生活垃圾，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)為300t/d 五級預熱器生產(chǎn)線。為焚燒垃圾，改造了窯頭罩，增加了簡易分解爐和三次風管。在三次風管下面安裝了我們?nèi)〉脤＠麢?quán)的回轉(zhuǎn)式垃圾焚燒爐，并配套了取得專利權(quán)的垃圾喂料機。生活垃圾由廣元市環(huán)衛(wèi)處運輸隊從正運向垃圾填埋場的垃圾車臨時調(diào)來，可以說，垃圾為隨即抽取的新鮮綜合垃圾。焚燒穩(wěn)定狀態(tài)時，水泥窯產(chǎn)量 10.5t/d，垃圾焚燒量約2t/d，折合生產(chǎn)1t熟料焚燒0.2t垃圾。三次風管熱風溫度為600℃時，垃圾焚燒溫度大于950℃。垃圾在焚燒爐內(nèi)停留時間超過30分鐘，焚燒煙氣在爐內(nèi)溫度大于900℃段的停留時間超過1秒鐘，由于焚燒煙氣出焚燒爐后通過管道進入分解爐，分解爐內(nèi)溫度超過900℃，焚燒煙氣在大于900℃段總共停留時間將超過5秒鐘。試燒過程，通過調(diào)整分解爐的喂煤量來彌補垃圾熱值的波動，穩(wěn)定分解爐溫度，系統(tǒng)未出現(xiàn)結(jié)皮等明顯影響生產(chǎn)的現(xiàn)象。由于資金限制，試驗配置的硬件設(shè)施做不到把垃圾灰渣直接送入回轉(zhuǎn)窯，現(xiàn)在把垃圾灰渣作混合材使用，垃圾中有害物質(zhì)對水泥生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量無影響。該試燒工作將通過長時間的試燒，進一步驗證焚燒垃圾對環(huán)境、水泥生產(chǎn)、產(chǎn)品品質(zhì)的影響，并對比其它垃圾處理方式，研究其經(jīng)濟性。

7  結(jié)束語

水泥工業(yè)是高能耗、高資源消耗的產(chǎn)業(yè)，水泥生產(chǎn)的能量需求通常占生產(chǎn)成本的30～40％。2007年全國水泥產(chǎn)量達13.5億噸，今后還要繼續(xù)增長，資源和能源消耗巨大。根據(jù)“十一五” 規(guī)劃，“十一五”末我國能源使用量要平均比“十五”期間，降低20%以上，按照這一要求，水泥工業(yè)的節(jié)能壓力巨大。固體廢物所具有的熱量和物資，將為水泥工業(yè)提供替代燃料和替代原料，研究和開發(fā)水泥工業(yè)利用和處理固體廢物技術(shù)，以達到節(jié)約能源和廢物處理的目的，將有利于現(xiàn)實的節(jié)能減排，是水泥工業(yè)發(fā)展的重要方向。

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