水泥窑炉生产运行特点及其协同处置固体废弃物的独特优势
中图分类号：TQ172.9    文献标识码：B    文章编号：1008-0473(2019)02-0004-09    DOI编码：10.16008/jki.1008-0473.2019.02.002
水泥窑炉生产运行特点及其协同处置
固体废弃物的独特优势
江旭昌
天津市博纳建材高科技研究所，天津  300400
摘  要  利用水泥窑炉协同处置固体废弃物（城镇生活垃圾、污泥和危险废弃物等）是一种节能环保、利国利民的最佳处置技术：处置温度高，确保二噁英彻底降解；处置空间大，工况稳定；停留时间长，消毒彻底；处置能力大，减容效果好；水泥生产系统运行时为碱性气氛，确保环境安全；水泥窑炉系统生产时负压运行，消除二次污染；水泥窑炉内的气流运动具有强烈湍流特征，提高焚烧效率；水泥窑炉排出的废气是绝对安全的烘干介质。能彻底消除二次污染，实现无害化、减量化、资源化、集约化的四化要求。水泥窑炉协同处置固体废弃物，对生态环境安全的保障最好，所需的新增设备和投资最少，工期短，见效快，最经济。
关键词  水泥窑炉  协同处置  固体废弃物  二次污染  无害化  减量化  资源化  集约化  生态环境  安全
0  引言
水泥窑炉是指水泥回转窑和窑尾系统的分解炉，显然这是当代最先进窑型的水泥生产工艺。在协同处置固体废弃物时，有的可以直接由窑头喷入到回转窑内进行处置，有的可以从窑尾分解炉直接喂入进行处置，还有的既可从窑头又可从窑尾同时喂入进行处置。国家标准将这种处置技术定义为“水泥窑协同处置”[1]，因为“窑”和“炉”是两个不同的设备，没有分解炉的回转窑也能生产水泥熟料，但窑型不同，性能也不相同。所以，在这里取用“水泥窑炉”则更为全面。“协同处置固体废物”中的“协同”，意指在基本不影响水泥正常生产的情况下同时又能处置一定量的固体废弃物。在GB30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》中给出的定义是：“将满足或经过预处理后满足入窑要求的固体废弃物投入水泥窑，在进行水泥熟料生产的同时实现对固体废物的无害化处置过程。”在这里并没有指明当进行协同处置时对水泥窑炉系统正常生产时的影响，实际上对熟料的产质量和热耗等都有或多或少的不利影响，但处置控制得好，只是影响较小而已，一般不会大于5%。这就可以认为基本没有影响，因此便可称为“协同处置”。
利用水泥窑炉协同处置固体废弃物具有天然的独特优势，是当前其他处置方法都无与伦比的。尤其是处置垃圾热盘炉（HOTDISC）和洪堡KHD 燃烧炉等的研发成功，水泥窑炉协同处置城市垃圾由离线式的处置变成了在线式的处置，使废物中热能的有效利用率由25%～35%提高到80%以上，甚至100%[2]。我国成都建筑材料工业设计研究院有限公司（CDI）研发的“多相态废弃物焚烧炉水泥窑协
同处置系统”，可以处置固态、液态和膏状态的各种废物，如城市生活垃圾、城市工业垃圾、一般常见的污泥、城市自来水和污水处理厂的污泥、垃圾衍生燃料RDF、废轮胎、废纸屑、废油墨、废油、废塑料、废织物、废家具等，对含热值高低的废物都可适应。这部分原生可燃废弃物就是只投入分解炉旁设置的热盘炉或KHD型燃烧炉内而不投入回转窑内，实际上也就等于直接投入到分解炉内。
水泥窑炉协同处置固体废弃物技术除了可以变废为宝，减少化石燃料的消耗、节省占地、改善
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城镇环，还可大大降低对环境和人体都极为有害的氮氧化物NOx的排放，对我国的节能减排，发展绿循环经济和水泥工业可持续发展等都具有十分重要的意义。
利用水泥窑炉协同处置城市垃圾和污泥等固体废弃物能够取得无害化、减量化、资源化、集约化的彻底效果，是由水泥窑炉在生产运行中具有以下特点和独特优势所决定的。
1  水泥窑炉协同处置固体废弃物的特点
我国现在水泥生产的窑型基本上都是先进的预分解窑，到2017年底水泥熟料生产线已达1 770条，5 000 t/d熟料规模及其以上的的水泥生产线条数占55.5%。预分解窑与其他水泥窑型的重要区别就是在窑尾多了一个分解炉，水泥窑炉生产运行的特点，在这里就是指水泥窑炉协同处置固体废弃物时与其
他焚烧炉相比所具有的一些特点。
1.1  处置温度高，确保二噁英彻底降解
通常说的二恶英，准确的说应是二噁英类（dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans）[1]。它是多氯代二苯-并-二噁英PCDDs和多氯二苯并呋喃PCDFs两类物质共210多种同素异构体的统称，其中PCDDs是两个苯核与两个氧原子结合而两个苯核中的一部分氢原子被氯原子取代后所形成的产物。
二噁英也称“戴奥辛（Dioxins）”，属于典型的持久性有机污染物POPs，是当前世界上最具毒性的有机物之一。其毒性是的130倍，是的900倍，故有“世纪之毒”之称。并且极易远程迁移和扩散，严重威胁着人类的健康安全，所以各个国家对其排放都有严格的限制。固体废弃物中较难降解的就是非常稳定而有毒有害的有机物二噁英，因而一般的垃圾焚烧技术很难杜绝二噁英的生成，存在二次污染问题。
对二噁英的生成条件说法不一，有的写为四条[3]，有的说成六条[4]，笔者认为主要是三条：一是需有生成的前体物存在；二是需有合适的温度，在具有催化作用金属铜铁离子Cu2+、Fe2+催化作用下，其生成温度不高，在250～600 ℃之间便可生成，最宜生成温度为300～325 ℃；三是需有较高浓度的氯源存在。
塑料制品中的氯就是二噁英生成的前体物，亟需处置的固体废弃物最大量的是城市生活垃圾，而城镇生活垃圾中塑料制品占有很大的比例，其含量基本都在15%左右，见表1。这就具备了二噁英生成的第一个条件。
水泥生产原料和固体废弃物中存有多种金属和重金属，铜和铁离子Cu2+、Fe2+都会存在，详见表2和表3。因此，二噁英在较低温度下就能够生成。这就是说，一般的焚烧生活垃圾技术为二噁英的生成提供了第二个条件。
由垃圾发电厂所焚烧飞灰的成分分析结果可见，氯化物或者说氯离子浓度达到了20%左右，见表3，表明生活垃圾中具有较高浓度的氯源存在，构成了二噁英生成的第三个主要条件。
通过上述，知道了二噁英类有机污染物在利用水泥窑炉协同处置固体废弃物时确实含量会增多，需要严加控制。显然，光知道了需要控制还不够，还必须知道有效降解的条件。
大量的试验研究表明，二噁英类有机物在500℃时便开始分解，到800 ℃时2、3、7、8－TCDD可以在2.1 s时间内完全分解。当温度进一步提高，则分解时间还会进一步缩短。显然，采用水泥窑炉协同处置可燃废弃物就具有抑制二噁英生成的充分条件，因为它完全符合“3T+E”的控制要求。3T中的“1T”是指水泥窑炉运行时物料和气流的温度（Temperature）高；“2T”是指烟气在高温环境中的停留时间（Time）长；“3T”是指水泥窑炉内气流流动具有强烈的湍流（Turbulance）特征；“1E”是指水泥能让下面滴水到爆的说说
窑炉在运行时具有足量的空气（Excess Air）供给等。由此可见，水泥窑炉的生产运行完全满足了环保需要的控制要求。水泥回转窑内的温度很高，水泥熟料的烧成温度一般都在1 350～1 550 ℃，白水泥熟料的烧成温度更高，可达1 600 ℃。窑内的气流最高温度一般都在1 700 ℃以上，有的可达2 100 ℃，见图1所示[5]。窑尾分解炉底部或者其下部上升烟道中的温度，一般都在900～1 100 ℃之间，远高于800 ℃。这就是说，水泥窑炉系统内的气体在900～2 100 ℃环境中，其停留时间至少可长达20多秒，这就保证了二噁英等难降解的有机物完全燃烧和彻底分解。国内外的检测均表明，主要有机物的有害成分焚毁率可达99.999%以上[6]，见表4。欧盟25国部分水泥厂在2004年的二噁英排放统计数据示于图2中，绝大多数水泥厂二噁英在标况下的排放浓度均低于0.1 ng TEQ/Nm3，标况下的平均值仅为0.01 ng TEQ/Nm3。可见废弃物加入对二噁英的排放无多大影响，这是因为水泥生产过程中存在高温、气固停留时间长能
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表1  某县城生活垃圾组分及其特性分析
图2  欧盟25国部分水泥厂2004年的二噁英排放统计图
形设备，所处置固体废弃物的量与水泥生料量相比
都是很小的一部分，一般只占生料量的5%～10%左
右。而熟料本身所占据的窑横截面积也仅在10%左
右，所以处置焚烧固体废弃物的空间很大。因此，
不仅可以接受处置大量的废物，而且还可以维持
表4  主要环保指标检测结果
均匀而稳定的处置焚烧气氛。现以一条设计能力为5 000 t/d熟料Φ4.8 m×（72～74）m预分解窑为例，每天喂入窑内的生料和煤粉等物料量共约10 000 t/ d，一般处置可燃废弃物能力450～500 t/d，仅为其4.5%～10%左右，显然，热容量很大，热力强度也很高。由额外加入的可燃废弃物对可能引起系统内物流、气流、温度场、压力场等各种操作参数波动冲击的承受能力很强，对不同性能可燃废弃物的适应性也很强，足以保证工况稳定和正常生产，基本上对熟料质量和性能不会产生影响，也不会妨碍窑的正常运行。
1.3  停留时间长，消毒彻底
可燃废弃物中有毒有害物的彻底焚毁除了需要一定的高温以外，在其高温处的停留时间或者通过时间也是一个必要条件。一般情况下，可燃废弃物中有毒有害有机物的焚毁时间约需2 s左右。气体在分解炉内的停留时间可高达4～7 s，焚烧残渣在炉中高温下的停留时间一般可长达20～30 min，物料在窑
内的通过时间也不会低于15 min。由此可见，都远远超过废弃物中有害成分所需的焚毁时间，因而可燃废弃物及其中的有害成分和病原菌等都会得到彻底的焚毁。因为可燃废弃物在高温下的停留时间长，所以消毒彻底。
1.4  处置能力大，减容效果好
城市生活垃圾和城市污泥等可燃固体废弃物在水泥窑炉内的处置量与其他焚烧法处置相比是很大的，一般可占到投料量的5%～8%。减容效果十分显著，焚烧处置可使城市生活垃圾的体积减少80%～90%[7]。处置可燃固体废弃物的能力与水泥生产线的规模有关，规模越大的水泥生产线处置可燃废弃物的能力越强，但预处理线的设计规模最大为1 000  t/d，对于大城市和特大城市可多点建多条预处理线，应达日产日清的目的。文献[8]给出了满足不同人口规模的城市生活垃圾经济化处理要求，详见于表5和表6。
同喜同喜1.5  水泥生产系统运行时为碱性气氛，确保环境安全
水泥窑炉内的火砖、物料、窑皮等均是碱性材料，因而生产时整个窑炉系统均呈碱性气氛。与投入的可燃废弃物产生的酸性气体SOx、NOx等能够进行反应，被中和吸收，因而可以完全抑制酸性
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能源化学工程
表5  不同城市规模应匹配城市生活垃圾单线预处理系统能力表表6  不同城市规模与单线预处理能力和水泥生产线规模的匹配表
气体的排放。同时没有任何废渣排出。除水银Hg 和铊Tl以外绝大部分的金属和重金属都会与物料结合形成一些矿物固化在水泥熟料的晶格中，不会发生渗析现象，可燃废弃物中的任何有害的物质都将被长时间的高温完全消解或熔融，因此彻底地消除了一般焚烧炉排出燃烧废气所产生的二次污染，能够确保环境的安全。
劳动与社会保障专业就业前景从1990年至今，全世界450多条水泥窑已协同处置了各种各样的可燃废弃物约3.6亿t。经过了成千上万次第三方检测的数据与2010年挪威科学院的SINTEF报告相互印证，更加证实了水泥窑炉协同处置可燃废弃物完全可以确保环境安全。
挣钱1.6  水泥窑炉系统生产时负压运行，消除二次污染
水泥窑炉系统生产时负压运行，烟气在系统的终端经除尘器净化后排入大气中。系统中无正压环节，因此不会产生烟气的外逸和粉尘的泄漏现象，特别是可避免可燃废弃物所产生臭气的外逸，这就从根本上消除了水泥窑炉在协同处置可燃废弃物过程中对环境所造成的二次污染及对人身的侵害。1.7  水泥窑炉内的气流运动具有强烈湍流特征，提高焚烧效率
水泥窑炉内的气流运动具有强烈的湍流特征，可促进气固两相的混合更加均匀完全，使其达到均质化，有利于可燃废弃物的分解，提高焚烧效率。随着水泥熟料的不断卸出和烟气的不断排出，可燃废弃物的分解便会以稳定的速度连续进行，提高焚烧效率。
1.8  水泥窑炉排出的废气是绝对安全的烘干介质
低碳环保小窍门
水泥窑炉排出带有一定热量的废气或者经生料磨烘干生料的余热，完全可以作为干燥可燃废弃物的热源。这时的废烟气氧含量都低于4%，是绝对安全的烘干介质。分析表明，设计能力1 000 t/ d熟料预分解窑水泥生产线所排出的废气可以干化100万t的城市污泥[9]。
2  水泥窑炉协同处置固体废弃物的独特优势
由于水泥窑炉生产线在生产水泥熟料运行时具有以上特点，所以在协同处置固体废弃物时便与其他焚烧法处置相比存在4个方面的独特优势。2.1  节能更显著
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