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水泥窑协同处置危险废物技术发展和现状研究
 来源:《建筑学研究前沿》  作者:姚琪 
 
摘要:水泥窑协同处置危险废物技术已经是一种比较成熟的处理废弃物的常用技术,目前正成为各地缓解危险废物处置难题、促进循环经济发展的重要手段。在分析了水泥窑协同处置危险废物的特点、国内外研究现状的基础上,对水泥窑协同处置危险废物管理现状及存在问题进行了讨论。

关键词:水泥窑;协同处置;危险废物

危险废物(危废)是指列入国家危险废物名录或根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认定的具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性和感染性等一种或一种以上危险特性的固体废物。近年来,随着社会经济的发展,危险废物的种类、数量大幅攀升,后续处置和监管面临巨大压力。因焚烧、填埋处置资源匮乏,超期超量贮存形成的潜在环境安全隐患日趋加重。如何科学合理地处置这些废弃物,已经成为我国工业和经济健康稳定发展的关键。

水泥是满足人类住房和基础设施建设等基本需要的重要原料,在全球建筑业

中发挥着至关重要的作用,而水泥的生产伴随着高能耗。2004年,欧洲将610万吨不同类型的废弃物用作水泥窑中的燃料,有足够热量的废物燃料可以取代化石燃料,节约了有限的资源。用废弃物替代燃料的使用最大限度地提高了能源的回收,同时解决了这些废弃物对环境产生的不良影响[1-3]。近年来,水泥窑协同处置危险废物技术因具有处置对象广、处置数量大、处置成本低、无次生危废等优势,正成为国内外缓解废物处置能力不足困境、促进循环经济发展的重要手段。该技术在经济和环保两方面显示出了巨大优势,取得了良好的社会效益、环境效益和经济效益。

1. 水泥窑协同处置危险废物技术

1.1 水泥窑协同处置危险废物技术概述

水泥窑协同处置危险废物是当前水泥工业可持续发展的重要方向之一。不但可以节省新建危险废物集中处理设施的建设投资,还可以缓解当下我国危险废物处理压力和新建集中处理设施选址占地等问题。水泥窑协同处置技术已经是一种比较成熟的处理废弃物的常用技术,国内外已有广泛的研究和应用。水泥窑协同处置废弃物主要利用水泥熟料高温煅烧窑炉焚烧废弃物。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了废弃物的彻底减量化。

1.2 水泥窑协同处置危险废物技术特点

水泥窑协同处置危险废物具有环境无害化、处置危险废物能力强等特点,利用现有的水泥窑设施开展水泥窑协同处置危险废物,有其独特优势[4-6]:

(1)无害化处置效果好:停留时间长,水泥窑燃烧过程充分,焚烧状态易于稳定,有机物彻底分解,重金属有效固熔,有效抑制二噁英的形成、降低有毒有害物质的排放,环保优势明显。

(2)资源化利用程度高:废物可部分替代水泥生产使用的原燃料;可实现固体废弃物的资源化与再生化处理,生产过程协同资源化处理,成本较低,水泥窑协同处置单位投资额仅为新建/扩建专业焚烧炉的1/3左右,运营成本也显著低于专业焚烧炉,成本优势显著。

(3)焚烧空间大,大空间的水泥窑焚烧的应用充分保障了大量危险废物得到有效处置,还可以使危险废物在焚烧过程中始终保持稳定;焚烧温度高,一些难以分解的稳定有机物也会得到完全的分解处置,高温条件下,能使危险废物中的重金属固化并稳定留存于矿物燃料中。

2.国内外研究现状

2.1. 国外研究及应用现状

水泥窑协同处置危险废物技术作为一种固体废物处置技术在不断完善。在欧美等发达国家,经历几十年的生产实践,证明这条技术路线是环境安全、经济可行、技术可靠的。早在上世纪70年代,国外就开始水泥窑协同处置固废的研究,1974年,加拿大某水泥厂进行可替代燃料和垃圾飞灰等危险废物固化的研究。美国环境保护署在20世纪80年代就提出水泥窑协同处置固废,1994年美国有37家水泥厂用此技术处理了300万吨危险废物。德国是世界上较早利用水泥窑处置固废的国家,2002年固废代替燃料的替代率已高达35%,替代燃料的数量和种类近年不断扩大,除生活垃圾废弃物外,还有污泥、生物质燃料、废塑料、废轮胎等;其水泥行业二次燃料应用方面有较快的发展,2009年其二次燃料替代率为58.4%,2010年升至61.2%,2013年则高达80%。荷兰是目前世界上水泥行业使用燃料代替率最高的国家,2007年其燃料替代率高达85%。比利时、瑞士、奥地利、挪威和捷克燃料替代率在50%左右。2004年,联合国环境规划署和世界工商理事会公布的《有关持续性有机污染物(POPs)的报告》关于“水泥工业中POPs的形成与释放”的主要内容和结论是:水泥窑协同处置废弃物时,在水泥熟料煅烧的过程中极少或不会产生二噁英/呋喃;对可燃废弃物中可能带入的持续性有机污染物在水泥窑的工艺生产过程中99.99%都会被氯化分解,焚毁去除;可燃废弃物中带入的重金属大部分被固化在熟料矿物的晶体结构中或水泥的水化产物中,形成不溶解的矿物质。自此,水泥窑协同处置废弃物的可行性得到权威证明,在欧美各国被大面积采用。近年,欧盟《废弃物框架指令》规定了废物管理原则,要求“废物处理不得危害人了健康和损害环境,尤其不得对水源、大气、土壤、植物或动物造成风险,不得产生噪声或异味等,并且不得对乡村或特殊价值的地点产生负面影响”;同时,还明确指出,用于水泥行业协同处置的废弃物必须经分类和预处理后,协同处置才切实可行;协同处置厂必须制定废物分选标准,以保证工厂在预处理时能符合操作与产品质量要求。欧盟《废弃物焚化指令》还要求水泥厂协同处置时应实现在线监测,协同处置过程中的大气排放和水排放必须对NOX、CO、粉尘量、重金属元素等进行定量测量。

2.2 国内研究及应用现状

国内大型水泥企业在协同处置废弃物方面已经做了大量的探索。北京水泥厂是国内第一条运营协同处置废弃物的企业,于1998年初步尝试利用水泥回转窑处置废油墨渣、树脂渣、油漆渣、有机废液等危险废物,建成了全国第一条处置工业废弃物环保示范线,成功将废弃物处置技术与水泥熟料煅烧技术相结合,企业从2008年建成运营至2015年底,已累计消纳各类废弃物共60万吨,包括生活垃圾、污泥、污染土及各类有机废弃物等。随后,随着我国现有城市及周边地区基本上新型干法水泥生产线的普及,2005年10月,由天津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。另外,浙江、湖北、西安等地一些水泥企业也已经开展了利用水泥窑协同处置危险废物工作的实践。国内一些大型水泥企业集团在利用水泥窑协同处置生活垃圾、污泥、危险废物等方面积累了大量经验,为水泥窑协同处置危险废物行业规范提供了技术支持。

2.2.1. 入窑固体废物预处理技术研究现状

水泥窑协同处置过程中,在利用固体废物作为替代原料、燃料的同时,固体废物中含有的氯、硫、碱金属等元素也会对协同处置过程及后期资源化利用产生一系列影响。《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ662-2013)也规定了入窑重金属及氯、氟、硫等元素的最大允许投加量限值,指导企业通过严控废物来源、加强预处理、合理设定掺配比等预处理方式,保证水泥的正常生产和熟料质量符合国家标准。

胡芝娟[7]研究开发了针对污水处理厂污泥的干化预处理系统,并在广州越堡水泥有限公司、北京水泥厂进行了应用推广。芦澍等采用实验室模拟试验,对水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰处置技术中水洗预处理工艺及后续污水处理工艺进行了研究。

试验考察了不同水洗方式、不同水洗比例(液固比为1,3,5,7,9,11)及水洗次数、添加改性剂等条件下飞灰中氯离子的去除效果;并对后续污水处理单元进行了初步研究。结果表明:水洗单元采用逆流二次漂洗对氯离子去除效果明显优于其他水洗方式,并节约用水量50%;在液固比为3:1进行洗灰时,对氯离子的去除率能到达90%以上,进一步增大液固比氯离子去除率没有显著提高;在后续污水处理单元中,通过中和、混凝、沉淀、过滤工艺,可以有效的去除重金属、钙离子含量,满足后续脱盐结晶单元要求[8]。

2.2.2水泥窑协同处置危险废物污染物迁移规律研究现状

水泥窑协同处置危险废物重金属的流向包括:被熟料固化、随窑灰排出、随烟气、粉尘带出。窑灰如入窑回收利用,则不会对环境造成影响,而对环境存在潜在危险的是由烟气、粉尘带出而进入大气的重金属。所以利用水泥窑处置废弃物过程,无论在煅烧过程还是水泥产品的使用过程中,需要控制入窑固体废物中污染物成分对生产系统、烟气排放、产品质量的影响,避免重金属的迁移、浸出行为对周边环境造成危险。

德国水泥所在1条3000t/d的四级旋风预热器窑上,实际测量了烟气中的重金属含量,表明高沸点的不挥发重金属如Cu、Cr、Ni等,90%以上都能被生料吸收,直接进入熟料;难挥发的重金属,如Pb和Cd等,在水泥熟料煅烧过程中,首先形成硫酸盐和氯化物,这类化合物在700℃~900℃温度范围内冷凝,在窑和预热器系统内形成内循环,很少带出窑系统外,外循环量很少。中国建筑材料科学研究总院兰明章[8]等人,通过掺加不同重金属含量的废弃物,室内模拟煅烧熟料,研究了金属元素在水泥熟料中的固化率。结果指出:重金属在实验室模拟煅烧条件下的固化率分别为:Cr 83.8%、Co 86.1%、Ni 86.5%、Cu 74.3%、Zn 74.3%、Cd 88.1%、Pb 86.3%、As 89.3%。

室内模拟熟料煅烧污染物迁移转化规律结果各不相同,部分元素固化率差别较大,重金属在水泥熟料煅烧过程中形成化合物的特性将直接影响固化率,这些易挥发化合物的生成与原燃料的组成,特别是原燃料中的碱和氯密切相关,重金属容易以挥发性氯化物和碱盐的形式挥发出来。

此外,重金属在实际生产中的固化率小于实验室模拟煅烧时的逃逸率。在实际生产中,不挥发的元素通过固相反应或经过液相形成熟料矿物相或者进入熟料矿物晶格内,少量挥发性元素则随烟气继续逃逸,在低温区冷凝下来,只有极少部分能以蒸汽状态或附着在微细粉尘上随烟气排出;此外,窑系统内大量CaCO3、CaO和碱的存在,形成一个高碱性气氛,有利于吸收废气中的酸性气体,降低某些元素的挥发性并提高其冷凝温度;水泥窑系统还有一套高效的除尘系统和高温废气再利用的粉磨烘干系统,极有利于回收在高温区挥发的微量元素;这些都能提高重金属的吸收率。而在实验室模拟煅烧条件下,高温炉中的气流是开放式的,挥发的重金属化合物直接排放,因此,实验室模拟煅烧时重金属的逃逸率偏大[9,10]。

3.水泥窑协同处置危险废物管理现状及存在问题

近年来,国家出台了一系列鼓励、促进水泥窑协同处置危险废物项目建设的政策和规范。从政策上,2014年国家发展改革委等7部门联合发布了《关于促进生产过程协同资源化处理城市垃圾及产业废弃物工作的意见》,明确提出要重点推进利用现有水泥窑协同处理危险废物的理念。从技术标准上,2010 年发布了《水泥窑协同处置工业废物设计规范》,2013 年发布了《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ662-2013)、《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(GB30485-2013)、《水泥工业大气污染物排放标准》(GB4915-2013),规定了协同处置固体废物水泥窑的设施技术要求、设备建设要求、入窑废物特性要求、运行技术要求、污染物排放限值、生产的水泥产品污染物控制要求、监测和监督管理要求;2016年12月《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》积极推进水泥窑协同处置固体废物技术装备和污染防治技术的进步,体现注重全过程污染防治,确保环境风险得到有效控制,使废气、废水稳定达标排放,危险废物得到安全处置;2017年5月《水泥窑协同处置危险废物经营许可证审查指南(试行)》发布,针对水泥窑协同处置危险废物设施的特点,细化了水泥窑协同处置危险废物的具体审查要点,用于规范水泥窑协同处置危险废物经营许可证的审批工作。

水泥窑协同处置危险废物技术的应用在我国起步较晚,在产业政策、技术政策和管理要求等方面均有待于建立和完善。由于废物来源复杂、处置过程环节多,水泥企业在利用水泥窑协同处置过程中对可能出现的二次污染问题考虑不够全面。我国水泥窑协同处置危险废物产业的发展仍存在技术和管理方面的问题,另外还缺乏国家相应的激励机制,应完善相应的技术规范,加大政策扶持力度,各地要结合区域规划、现有处置措施、危险废物的产量及来源做好推进。

4.结语

随着我国经济的快速发展,环境问题日益加剧。水泥窑协同处置危险废物对缓解我国危险废物处置压力有重要意义,而且在很大程度上减少能源的消耗,符合国家循环经济的可持续发展理念。但是目前在我国仍处于初始阶段,仍然存在技术和管理方面的问题,应加强新技术研发,完善相应的规范和标准,加强监督管理。

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作者单位:

南京大学环境学院

南京大学环境规划设计研究院股份公司





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