固體廢物水泥窯共處置技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

隨著世界工業(yè)化和信息化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)廢棄物的排放量不斷增加，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生工業(yè)固體廢棄物7.84億t，其中危險(xiǎn)廢棄物1015萬(wàn)t，這些危險(xiǎn)廢棄物大都含有對(duì)人類(lèi)自身和賴(lài)以生存的自然環(huán)境有嚴(yán)重影響的重金屬元素，如何科學(xué)合理地處置這些廢棄物，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化和資源化，是全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

水泥工業(yè)作為我國(guó)基礎(chǔ)性原材料工業(yè)的支柱之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。水泥產(chǎn)量的高速增長(zhǎng)，有力地支撐了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，但同時(shí)受到資源、能源與環(huán)境因素的制約。利用固體廢物水泥窯共處置技術(shù)，既減小了固體廢物引起的環(huán)境負(fù)荷，又實(shí)現(xiàn)了固體廢物的資源化，為水泥生產(chǎn)提供了能源與資源。隨著生產(chǎn)工藝與技術(shù)的不斷改進(jìn)與環(huán)境保護(hù)法規(guī)的不斷完善，該項(xiàng)技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家的固體廢物處理中得到了廣泛的應(yīng)用。固體廢物水泥窯共處置技術(shù)在中國(guó)正處于起步階段，雖已得到重視，但在技術(shù)和相關(guān)法規(guī)等方面還存在著嚴(yán)重的不足。

1固體廢物水泥窯共處置技術(shù)

1.1固體廢物水泥窯共處置的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

固體廢物水泥窯共處置指的是在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中使用廢物，通過(guò)廢物來(lái)替代一次燃料和原料，從廢物中再生能量和材料。固體廢物水泥窯共處置為水泥工業(yè)和廢物的管理提供了更好的選擇方式。對(duì)水泥工業(yè)而言，可節(jié)省燃料和原料，有助于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的生產(chǎn);對(duì)廢物管理而言，這種廢物回收利用方式，無(wú)須建立專(zhuān)門(mén)的廢物焚化爐或廢物填埋場(chǎng)地，節(jié)省了土地資源與資金的投入。這種廢物處置方式從生態(tài)、社會(huì)和節(jié)約的角度對(duì)廢物管理進(jìn)行了優(yōu)化，是廢物處置方式的理想選擇。

根據(jù)水泥工業(yè)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備的要求，利用水泥窯處置廢物有以下特點(diǎn)^[1~3]:

(1)焚燒溫度高。水泥窯內(nèi)物料溫度一般高于1450℃，氣體溫度則高于1750℃，甚至可達(dá)更高溫度。在此高溫下，廢物中有機(jī)物將徹底的分解，去除率一般在99.99%以上。

(2)停留時(shí)間長(zhǎng)。廢物在水泥窯高溫狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間的停留，有利于廢物的徹底燃燒和分解。

(3)良好的湍流。水泥窯內(nèi)高溫氣體與物料流動(dòng)方向相反，湍流強(qiáng)烈，有利于氣固相的混合、傳熱、傳質(zhì)、分解、化合、擴(kuò)散。

(4)堿性的環(huán)境氛圍。水泥窯內(nèi)的堿性物質(zhì)可以中和廢物中的酸性物質(zhì)為穩(wěn)定的鹽類(lèi)(如，可中和強(qiáng)酸性的HCl類(lèi)煙氣)，非常適合處理各種有機(jī)廢物，特別是穩(wěn)定性強(qiáng)的含Cl有機(jī)物，有效抑制酸性物質(zhì)的排放，便于尾氣的凈化。

(5)固化作用。在水泥窯煅燒廢物的過(guò)程中，可將廢物中的絕大部分重金屬固化在熟料中，避免了重金屬的再度擴(kuò)散。

除此之外，水泥窯處置固體廢物還有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如:無(wú)廢渣排出、焚燒狀態(tài)穩(wěn)定、減少?gòu)U氣排放等，總之，水泥窯非常適合廢物的處置。

1.2廢物在水泥窯中的應(yīng)用

水泥窯可以處置的廢物包括工業(yè)廢渣(燃料渣、冶金渣、化工渣等)、城市垃圾(廢塑料、城市垃圾焚燒灰等)、各種污泥(污水處理廠(chǎng)污泥、下水道污泥、河道污泥等)、還有各種工業(yè)危險(xiǎn)廢物等。

根據(jù)廢物的成分與性質(zhì)，水泥生產(chǎn)過(guò)程中廢物的利用主要有以下幾種途徑:

(1)以替代原料形式在水泥窯上煅燒熟料。主要有燃料渣(包括粉煤灰、煤矸石、爐渣等)、冶金渣(包括高爐礦渣、鋼渣、赤泥等)、化工渣(包括堿渣、硫鐵礦渣、電石渣等)。

(2)以替代燃料的形式在水泥窯上煅燒熟料。主要是高熱值的有機(jī)廢物，如廢輪胎、廢橡膠、廢塑料、廢油等。

(3)將廢物以混合材的形式摻到熟料中磨制成水泥。

2 固體廢物水泥窯共處置的主要原則

使用替代性燃料和原料能減少?gòu)U物對(duì)環(huán)境的影響，能安全處置廢物，減少?gòu)U物處理費(fèi)用，為水泥工業(yè)節(jié)省成本，為社會(huì)節(jié)約資源。但是，利用水泥窯處置廢物必須遵守一些基本的要求和原則。

(1)替代性燃料和原料應(yīng)滿(mǎn)足一定的要求，必須經(jīng)過(guò)性質(zhì)及組分的分析，對(duì)于適合處理的廢物做出限定，確保水泥生產(chǎn)的正常運(yùn)行以及水泥產(chǎn)品的質(zhì)量。如果它有可能增加有害物質(zhì)的排放或?qū)θ梭w健康產(chǎn)生不利影響，則不予使用。使用替代性燃料和原料的公司應(yīng)該有一個(gè)關(guān)于使用傳統(tǒng)燃料和原料的長(zhǎng)期、良好的跟蹤記錄。

(2)限制污染物的排放。在水泥生產(chǎn)中處置廢物，必須保證進(jìn)入空氣中的排放物不高于采用傳統(tǒng)原料、燃料生產(chǎn)時(shí)所排放的廢物濃度。因此，必須對(duì)系統(tǒng)的排放進(jìn)行嚴(yán)格限制，設(shè)置收塵裝置和在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備。根據(jù)具體情況的不同，采用連續(xù)監(jiān)控和間斷監(jiān)控。

(3)水泥廠(chǎng)的經(jīng)營(yíng)者在接受任何替代性燃料和原料之前，必須知道其來(lái)源和產(chǎn)地，所有替代性燃料和原料在使用之前都必須進(jìn)行測(cè)試。替代性燃料和原料的收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存必須符合一定的安全要求。工廠(chǎng)必須制定、執(zhí)行足夠的應(yīng)急計(jì)劃，并告知所有員工。工廠(chǎng)必須有計(jì)劃良好并且實(shí)用的質(zhì)量控制系統(tǒng)。

(4)國(guó)家應(yīng)建立適當(dāng)?shù)姆珊鸵?guī)章制度，并將其融入到整個(gè)環(huán)境保護(hù)和廢物管理的立法中。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)使用替代燃料和原料的潛在影響，確定替代燃料和原料的基準(zhǔn)，制定廢物的排放標(biāo)準(zhǔn)及可使用廢物種類(lèi)的選擇。

3 國(guó)內(nèi)外水泥窯共處置廢物的現(xiàn)狀

3.1發(fā)達(dá)國(guó)家水泥窯共處置廢物的現(xiàn)狀

日本的水泥工業(yè)從資源貧乏和填埋地不足的國(guó)情出發(fā)，重視廢物的綜合利用，貫徹可持續(xù)發(fā)展的方針。日本的水泥年產(chǎn)量1億t以上的企業(yè)共有20家，全國(guó)水泥工廠(chǎng)共有36個(gè)。20世紀(jì)90年代，日本水泥工業(yè)已從其它產(chǎn)業(yè)接受大量廢棄物和副產(chǎn)品，逐漸采用的廢棄物有鑄造業(yè)的鑄型廢砂、重油燃渣、廢機(jī)油、廢塑料、廢木材等。到2001年，每噸水泥的廢物利用量已達(dá)355kg，廢物利用總量達(dá)到2800萬(wàn)t(見(jiàn)表2)^[4]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，德國(guó)水泥工業(yè)中燃料替代率保持了迅猛增長(zhǎng)勢(shì)頭(見(jiàn)圖1)，2002年達(dá)到了35%，替代燃料總使用量達(dá)到126.9萬(wàn)t，替代原料的使用量也達(dá)到了668.4萬(wàn)t^[5]。

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20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，美國(guó)利用水泥窯處理危險(xiǎn)廢物發(fā)展迅速。1994年美國(guó)共有37家水泥廠(chǎng)或輕骨料廠(chǎng)用危險(xiǎn)廢物作為替代燃料燒制水泥，處理了近300萬(wàn)t危險(xiǎn)廢物，占美國(guó)500萬(wàn)t危險(xiǎn)廢物的60%。全美國(guó)液態(tài)危險(xiǎn)廢物的90%在水泥窯進(jìn)行焚燒處理。法國(guó)、挪威、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家也利用水泥窯焚燒廢物，并不斷的提高工藝技術(shù)，提高替代燃料和原料的比率。

3.2中國(guó)利用水泥窯處置廢物的現(xiàn)狀

中國(guó)水泥企業(yè)利用固體廢棄物生產(chǎn)水泥已有近百年的歷史。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)一直從事水泥窯共處置生產(chǎn)和研究方面的嘗試，如上海萬(wàn)安企業(yè)在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)水泥窯焚燒危險(xiǎn)廢物;北京水泥廠(chǎng)利用水泥窯處置固體廢物方面也進(jìn)行了試燒試驗(yàn)，并取得了一定的成果。但總體而言，我國(guó)利用水泥窯處置廢棄物的研究和生產(chǎn)仍處于起步階段。

目前中國(guó)水泥廠(chǎng)對(duì)廢物的利用主要局限于原料替代方面。目前國(guó)內(nèi)絕大部分的粉煤灰、礦渣、硫鐵礦渣等都在水泥生產(chǎn)中得到了利用和處理。2004年我國(guó)水泥產(chǎn)量9.70億t，混合材摻加量達(dá)2.43億t(見(jiàn)表3)，混合材料主要是礦渣、粉煤灰、石灰石、煤矸石、鋼渣、沸石等。上海、北京、廣州等城市很早以前就開(kāi)始了"水泥工業(yè)處置和利用可燃性工業(yè)廢物"問(wèn)題的研究和工業(yè)實(shí)踐。但是，中國(guó)水泥工業(yè)在燃料替代方面尚處于摸索階段。

中國(guó)有關(guān)水泥窯共處置技術(shù)的相關(guān)政策法規(guī)尚未建立，企業(yè)的生產(chǎn)完全處于自發(fā)狀態(tài)，環(huán)境保護(hù)部門(mén)和企業(yè)也處于無(wú)法可依、無(wú)據(jù)可循的處境。急需制定各項(xiàng)環(huán)保法規(guī)以及各項(xiàng)質(zhì)檢規(guī)范，保證技術(shù)的健康發(fā)展。

4 固體廢物水泥窯共處置的發(fā)展前景

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)水泥窯共處置技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)情況，代表了水泥窯共處置技術(shù)的最新發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(1)不斷改進(jìn)工藝。采用新工藝和新設(shè)備，降低能耗，在保證水泥質(zhì)量的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)對(duì)各種廢物的適應(yīng)性，擴(kuò)大可利用廢物的范圍。

(2)減少生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。通過(guò)改進(jìn)工藝和使用在線(xiàn)檢測(cè)儀器，減少各種污染物的排放，實(shí)現(xiàn)零污染，擴(kuò)大替代原料和燃料的用量比例，減少石灰石等天然資源的用量，節(jié)省燒制水泥所消耗的原料及能量。

(3)擴(kuò)大利廢范圍。廣泛的利用各種城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物，擴(kuò)大替代原料和燃料的種類(lèi)，以減輕廢物對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。

對(duì)于西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，水泥窯共處置技術(shù)存在的必要性已日益表現(xiàn)在其對(duì)廢物的處理技能上，其水泥工業(yè)本身的經(jīng)濟(jì)效益已不重要，然而對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家，水泥廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益仍是頭等大事，不過(guò)水泥工業(yè)利用廢棄物的優(yōu)勢(shì)仍激勵(lì)我們研究和利用水泥窯共處置技術(shù)，并已得到了國(guó)家和企業(yè)的重視，且處于發(fā)展的良好勢(shì)頭。今后，我國(guó)水泥窯共處置技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)建立相關(guān)的法律法規(guī)

a.制定污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。利用水泥窯處置固體廢物，可能產(chǎn)生額外的或更高的污染物排放，因此需要對(duì)系統(tǒng)排放的氣體進(jìn)行嚴(yán)格的限制，增加必要的在線(xiàn)測(cè)量裝置和收塵設(shè)備。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為:重金屬的含量(Hg、As、Pb、Cr、Mn、Ni、Cd等)，二惡英/呋喃，總氯等。

b.制定廢棄物的使用標(biāo)準(zhǔn)。廢棄物在使用前必須經(jīng)過(guò)分析檢驗(yàn)，主要分析項(xiàng)目有:重金屬(mg/kg)、氰化物、總氯、PCB等各種可引起環(huán)境污染和影響水泥質(zhì)量的元素和物質(zhì)。

c.建立相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和審批許可制度，建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)處理工藝等。

(2)開(kāi)發(fā)利廢新技術(shù)

a.固體廢棄物水分、成分分析、控制技術(shù)以及所需新型分析、控制設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)。

b.固體廢棄物的預(yù)處理設(shè)備與技術(shù)。為了提高廢物處理效率，保證水泥的安全生產(chǎn)，必須對(duì)某些廢物進(jìn)行預(yù)處理。

c.喂料方式與位置的研究。包括替代原料、替代燃料和混合材料。

(3)擴(kuò)大利廢范圍的研究

當(dāng)前中國(guó)利用水泥處置和利用的廢物種類(lèi)與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的不同。發(fā)達(dá)國(guó)家在水泥廠(chǎng)主要利用廢橡膠制品、廢輪胎、廢塑料、廢油、廢溶劑、污泥、廢木料等作為替代燃料。目前，中國(guó)的廢輪胎、廢礦物油等尚未得到有效控制，水泥廠(chǎng)處置和利用的主要是印刷廠(chǎng)的廢油墨，化學(xué)工業(yè)的有機(jī)溶劑和廢液、廢油漆、廢酸、廢堿等。為了擴(kuò)大水泥窯處置廢物的種類(lèi)以及維護(hù)水泥企業(yè)利廢工藝的長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，勢(shì)必要增加利廢的范圍與數(shù)量。

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