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    水泥廠回轉窯和焚燒爐聯合處理城市生活垃圾技術和效果-水泥粉磨


    在城市生活垃圾無害化處理的衛生填埋、堆肥、焚燒3種方式中,2005年衛生填埋占85.78%,焚燒為9.90%。近幾年雖大力發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為引進或在此基礎上消化吸收的焚燒發電技術,由于我國垃圾水分高、灰分高、熱值低,使得垃圾焚燒發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燃料,灰渣要另行處理,廢氣中二?f英等有害氣體脫除系統復雜等一系列問題。發達國家也在審視垃圾焚燒發電技術的環境友好性,以現有工業協同處理廢物技術逐漸成為處理生活垃圾的新視點,F有工業處理固體廢棄物不僅能消除廢棄物對環境的污染,而且能為現有工業提供原料和燃料。水泥工業對固體廢棄物的處理所具有的環境友好性和投資及運行費用的經濟性已為世界各國公認。水泥工業處理和利用生活垃圾方面國內外已開發出多種技術,取得明顯的效果。如日本的水泥廠把垃圾焚燒廠焚燒生活垃圾時產生的灰渣、飛灰等廢物作為生產水泥的替代原料;歐美一些國家首先把生活垃圾制成衍生燃料(RDF)成品,水泥廠使用RDF作為替代燃料,由窯頭燃燒器噴入水泥窯內燃燒;還有些國家把生活垃圾先分成可燃物及不可燃物,不可燃物作為水泥生產的替代原料,可燃物作為水泥生產的替代燃料。以上水泥廠處理生活垃圾技術,均對垃圾進行復雜的預處理,處理成本仍居高不下,而且預處理過程存在相當的二次污染。簡化垃圾處理過程,直接焚燒原生垃圾,降低投資和處理成本,減少二次污染便是我們開發水泥窯和焚燒爐聯合處理城市生活垃圾的初衷。

    二、水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理垃圾技術
    該技術為在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒爐來聯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電后由水泥廠處理灰渣的技術,也不同于西歐對垃圾分選后直接由水泥窯處理的技術,而是根據我國人民生活水平的現狀,適合我國垃圾特性,吸收他們的長處,并克服其不足,我們自主創新的一項新技術。采用該技術,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。該技術已取得二項國家新型創新授權,發明創新(申請號:200610076668.X)也通過了審察。以該技術為依托的工業試驗系統于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燃燒,對水泥生產系統尚未表現出明顯影響。
    該技術不需要建設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合處理生活垃圾,工藝流程見圖1,圖中細線部分為原有水泥生產線,粗線部分為焚燒垃圾增加的垃圾儲存、輸送、焚燒部分,二部分通過風管在首尾處分別連接。
     
    圖1   聯合處理工藝流程圖
    處理過程敘述如下。
    垃圾由市政環衛部門的垃圾運輸車直接運到水泥廠,經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,進入回轉式垃圾焚燒爐,垃圾在熱風的作用下焚燒,垃圾焚燒產生的高溫煙氣(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凈化后排放。垃圾焚燒灰渣直接進入回轉窯作為水泥原料,結合于熟料之中。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,有機物腐敗產生的臭氣等有機氣體由排風機抽出,經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。
    該技術以冷卻水泥熟料熱風作為垃圾燃燒空氣,采用回轉式垃圾焚燒爐,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全部被利用,同時很好地解決了垃圾儲存時散發的臭氣等有機氣態物的污染,做到垃圾的資源化、無害化、無殘留物處理。
    三、天臺水泥廠試燒垃圾概況
    天臺水泥廠采用水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理原生城市生活垃圾,水泥生產系統為300t/d五級預熱器生產線。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取得創新權的回轉式垃圾焚燒爐,并配套了取得創新權的垃圾喂料機。生活垃圾由廣元市環衛處運輸隊從正運向垃圾填埋場的垃圾車臨時調來,可以說,垃圾為隨即抽取的新鮮綜合垃圾。焚燒穩定狀態時,水泥窯產量10.5t/h,垃圾焚燒量約2t/h,折合生產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℃。垃圾在焚燒爐內停留時間超過30分鐘,焚燒煙氣在爐內溫度大于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,通過調整分解爐的喂煤量來彌補垃圾熱值的波動,穩定分解爐溫度,系統未出現結皮等明顯影響生產的現象。由于資金限制,試驗配置的硬件設施做不到把垃圾灰渣直接送入回轉窯,現在把垃圾灰渣作混合材使用,垃圾中有害物質對水泥生產工藝和產品質量無影響。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境、水泥生產、產品品質的影響,并對比其它垃圾處理方式,研究其經濟性。
    四、水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理城市生活垃圾的友好性
    水泥生產使大量廢棄物變廢為寶并改善了水泥性能,如煉鐵的高爐礦渣和粉煤灰,它們的利用不僅使其本身變廢為寶,而且對水泥的安定性等品質起到明顯的改進作用。同樣。天臺水泥廠的試驗表明,水泥生產同樣能使城市生活垃圾變廢為寶。
    我國城市生活垃圾主要由廚余、紙、塑料、橡膠、衣物、木竹、落葉、玻璃、金屬及灰渣組成。統計資料表明,城市生活垃圾的熱值、水分、灰分平均分別在5000 kJ/kg、48%、25%左右。城市生活垃圾含有的熱量,較高國家十分重視通過垃圾焚燒的方式來回收。垃圾焚燒發電是常見的熱量回收方法,它存在噸投資費用和運行費用高,熱能利用率,灰渣要另行處理,廢氣中有害氣體含量高,處理系統復雜等缺陷。與垃圾焚燒發電相比,水泥工業處理城市生活垃圾具有明顯的優勢。
    水泥工業焚燒垃圾用新型干法窯處理,目的是利用垃圾的熱量節省燃料和垃圾燃燒后的灰渣替代原料,生活垃圾一般從分解爐以后的窯系統加入,在這里有大量的新生CaO和過渡性熟料礦物,對有害物質的不良作用有抑制作用?梢詼p低二?f英等有害氣體的排放。垃圾中還含有較多的重金屬離子,這些重金屬離子在水泥熟料形成的過程中大部分被包熔進去,有利于形成晶體缺陷,對提高熟料強度有利,同時,金屬離子參與的多元體系能降低熟料的燒成溫度,節省煤耗。水泥窯焚燒垃圾比焚燒垃圾發電爐和危險廢物焚燒爐溫度高,有良好的高堿性環境,對有害、有毒物質摧毀徹底,對大氣污染程度低。水泥窯尾采用袋除塵器會取得更好的效果。垃圾中的重金屬離子在水泥熟料形成的過程中被預先包熔一次,水化時再次封固,其溶出量應該更少。因此,水泥窯焚燒垃圾,產品制成的混凝土對水環境具有友好性?梢哉J為,垃圾中對熟料的燒成和產品質量無不利影響,妥善利用了垃圾的熱量和物質,消除垃圾對環境的污染,具有比其它焚燒方式更好的環境友好性。
    五、水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理城市生活垃圾的經濟性
    城市生活垃圾的利用價值體現在熱能利用和物質利用兩方面。垃圾焚燒發電只能利用其替代燃料價值,其灰渣還必須付出成本去處理。水泥工業處置城市生活垃圾既利用了熱能,還利用了物質。水泥工業利用垃圾焚燒的熱能利用率比其他方式高,比垃圾焚燒發電至少高出50%以上。
    現有新型干法水泥窯處理城市生活垃圾,試驗表明,以水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理的方式,生產1噸熟料可處理垃圾0.2噸,以日產1000噸水泥熟料的水泥廠計算,每天處理城市生活垃圾200噸,處理城市生活垃圾噸投資7萬元,新增加投資1400萬元,低于衛生填埋投資,僅是垃圾焚燒發電單位投資的1/10。每年運行280天,處理垃圾5.6萬噸。處理每噸垃圾電耗20度,電費18元,全年電費100.8萬元。系統增加工人30人,每人年工資福利4萬元,計120萬元。處理垃圾部分設備年折舊,管理費等其它費用,每年花費100萬元。按投資利稅率20%計算,1400萬投資利稅總額為280萬元。處理垃圾支出費用合計600.8萬元。
    年處理垃圾5.6萬噸,工廠節省了燃料和原料。燃燒每噸含水分48%熱值5000kJ/?K的垃圾,考慮到低熱值燃料對高熱值燃料的替代率和焚燒爐的熱效率,相當于燃燒0.16噸原煤。1噸垃圾焚燒后約產生0.22噸灰渣代替水泥原料,相當于烘干后的粘土。若原煤每噸500元,烘干后的粘土每噸40元,垃圾熱量和灰渣的利用價值為:0.16×500+0.22×40=88.8元,即每噸垃圾利用價值88.8元,工廠節省燃料和原料費用5.6×88.8=497.28萬元。
    處理垃圾支出費用與工廠節省燃料和原料費用的差額為600.8-497.28=103.52萬元。處理噸垃圾成本為103.52/5.6=18.5元。
    該成本低于現行城市生活垃圾處理成本最低的填埋方式最低的35元/噸成本。若國家把垃圾焚燒最低處理成本90元/噸的一半補貼給處理垃圾的水泥廠,水泥廠處理1噸垃圾即可額外獲利45-18.5=26.5元。日產1000噸新型干法水泥窯生產線年處理垃圾5.6萬噸,可獲額外利潤148.4萬元
    若原煤價格上升,每噸垃圾利用價值也隨之升高,處理垃圾支出費用與工廠節省燃料和原料費用的差額減小,甚至工廠每年可從處理垃圾中獲取利潤?梢,燃煤價格愈高的地區,處理垃圾經濟效益愈高。再加上處理垃圾補貼資金,處理垃圾的效益相當可觀。
    新建5000t/d水泥廠處理城市生活垃圾,投資約6億元,年產水泥180~200萬噸,焚燒垃圾30萬噸。 水泥廠的產品按300元/噸計價,年產值最低為54000萬元。日處理1000噸的垃圾焚燒發電廠,按進口設備計算,投資也約6億元,垃圾焚燒發電廠上網電價按0.7元/度,年上網電量1億度,年產值為7000萬元?梢,投資水泥廠處理城市生活垃圾比投資垃圾發電廠年產值高出7.7倍。即使國產設備計算,日處理1000噸的垃圾焚燒發電廠投資要超過3億元,建設水泥廠處理垃圾,其投入產出比更佳。
    現在城市生活垃圾處理的運行費用由政府以各種形式補貼。若把現行對垃圾處理最低運行費用補貼給處理垃圾的水泥廠,政府為處理生活垃圾僅花費了最低補貼,而水泥廠處理垃圾多得到利益,水泥廠把多得的效益用于工廠的環境保護,將使水泥廠的生態環境更友好。
    六、結束語
    水泥工業處理城市生活垃圾采用,除水泥生產線用地外,不需要征用大量土地,沒有對地下水的污染,沒有固體廢棄物外排,對大氣的污染也可減到極輕的程度,是最徹底的處理方式,投資和運行費用低,投入產出比高,值得各地環保部門和市政部門采納。同時,水泥工業是高能耗、高資源消耗的產業,2007年全國水泥產量達13.5億噸,今后還要繼續增長,資源和能源消耗巨大。水泥窯和垃圾焚燒爐聯合處理垃圾,使固體廢物所具有的熱量和物資轉化為水泥工業的替代燃料和替代原料,達到了節約能源和廢物處理的雙重目的,達到政府和企業雙贏,環境和效益雙贏的目的。

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