水泥協(xié)同處置生活垃圾的一種全新技術(shù)裝備

王家安，倪文龍

（1.江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南通 226623；2.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 210024）

水泥協(xié)同處置生活垃圾的一種全新技術(shù)裝備

王家安1，倪文龍2

（1.江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南通 226623；2.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 210024）

文章分析了現(xiàn)行垃圾處理技術(shù)的背景，介紹了一種雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯與水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處理生活垃圾工藝的工作原理、核心技術(shù)及創(chuàng)新點。根據(jù)試驗和研究，雙筒回轉(zhuǎn)窯與水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處理生活垃圾技術(shù)具有推廣應(yīng)用價值。

生活垃圾處置；雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯；水泥窯

1 項目背景

1.1 垃圾圍城嚴(yán)重污染環(huán)境

生活垃圾包括：廚余物、廢紙、廢塑料、廢織物、廢金屬、廢玻璃陶瓷碎片、廢渣土、糞便、庭院廢棄物，以及廢棄的家電、廢舊輪胎、綠化廢棄物等?！袄鴩恰闭谠絹碓蕉嗟某鞘猩涎?。即便是在北京這樣的現(xiàn)代化大都市，垃圾站露天焚燒，遮天蔽日，北京中心城區(qū)外，密密麻麻的非法垃圾填埋場已構(gòu)成北京市垃圾填埋場黃色的“七環(huán)”。

統(tǒng)計表明：中國的垃圾產(chǎn)量世界第一。2011年城市垃圾產(chǎn)生量在1.8億t，年遞增率8%。在全國1 636個縣城里，每年的垃圾產(chǎn)生量在5 000萬t左右。歷年來堆積的垃圾已經(jīng)超過60億t，侵占了300多萬畝土地，嚴(yán)重污染了水體、大氣、土壤，每年因垃圾造成的損失高達(dá)250~300億元。

1.2 “十二五”環(huán)保要求

“十二五”規(guī)劃提出：到2015年，主要污染物排放總量顯著減少；城鄉(xiāng)飲用水水源地環(huán)境安全得到有效保障，水質(zhì)大幅提高；全國城市生活垃圾無害化處理率達(dá)到80%，對垃圾簡易處理或堆放設(shè)施和場所進(jìn)行整治，對已封場的垃圾填埋場和舊垃圾場要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)、改造。鼓勵垃圾厭氧制氣、焚燒發(fā)電和供熱、填埋氣發(fā)電、餐廚廢棄物資源化利用，開展工業(yè)生產(chǎn)過程協(xié)同處理生活垃圾和污泥試點。各項環(huán)境保護(hù)工程（全社會環(huán)保投資需求約3.4萬億元），其中，垃圾處理投入在“十一五”總投 2 100億元基礎(chǔ)上再投 8 000億元，年遞增30%。

1.3 垃圾處理技術(shù)國內(nèi)外綜述

1.3.1 國內(nèi)現(xiàn)行垃圾處理技術(shù)

中國對生活垃圾的處理主要有衛(wèi)生填埋 （約65%）、焚燒（約5%）、生物堆肥（約5%）三種方式。衛(wèi)生填埋在理論上符合垃圾處理總則中的無害化、減量化，但并不符合資源化原則，不但侵占了寶貴的土地資源，浪費了垃圾中寶貴的可回收資源，而且對環(huán)境造成潛在影響和危害，是垃圾處理技術(shù)中最早期、最無奈的技術(shù)，是垃圾處理技術(shù)水準(zhǔn)滯后的表證。

垃圾焚燒減量化程度高、環(huán)保程度高，垃圾焚燒的余熱可產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電、供熱，能節(jié)約能源等，這些都與中國節(jié)能減排戰(zhàn)略相符合。如果全國垃圾完全焚燒利用，每年可節(jié)約3 600多萬t煤，減少9 400多萬t二氧化碳排放，既可促進(jìn)抑制全球氣候變暖，又為中國節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)建設(shè)做貢獻(xiàn)。在中國人多地少、能源緊缺、城市化進(jìn)程快速發(fā)展的現(xiàn)實情況下，垃圾焚燒并資源化利用，是符合國情最明智的選擇。

2011年4月19日，國務(wù)院批轉(zhuǎn)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市生活垃圾處理工作的意見》，成為垃圾處理行業(yè)扶持政策的發(fā)令槍。未來3~5年，垃圾處理產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入建設(shè)高峰期，生活垃圾收費政策將逐步落實，垃圾處理產(chǎn)值年均增長率至少達(dá)到30%。1.3.2水泥窯協(xié)同處置生活垃圾的優(yōu)勢

水泥窯協(xié)同處置生活垃圾具有資源化、無害化、減量化的突出優(yōu)勢，已被國際公認(rèn)為是最有效、最安全、節(jié)能、環(huán)保的廢棄物處置手段，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)不可或缺的環(huán)節(jié)。

水泥消費量和生產(chǎn)規(guī)模很大，水泥窯單機(jī)產(chǎn)能高，水泥工業(yè)對各種廢物的消納量巨大，可消納的種類多，適用范圍廣，發(fā)展?jié)摿κ挚捎^。水泥窯對各種可燃廢物有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，略作調(diào)整就既不影響水泥熟料的正常性能和質(zhì)量，也不會影響窯的正常操作運行。水泥窯內(nèi)溫度高（1 600℃），熱容量和熱慣性大，廢料在高溫區(qū)的停留時間長（5~15 s），有害成分均能被徹底分解，確保環(huán)境安全。廢物在水泥窯內(nèi)燃燒后的殘渣，其中若含硫、氯或某些重金屬等有害物質(zhì)，也都全部固熔在水泥熟料的晶格中不能再逸出或析出，沒有二次污染隱患。可燃廢物在水泥窯內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱能全部直接用于窯系統(tǒng)內(nèi)的氣固相或固熔相的熱交換過程，熱能傳遞交換效率高是垃圾焚燒爐發(fā)電的6倍以上。

1.3.3 國外水泥窯協(xié)同處置廢棄物現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物起步較早，自20世紀(jì)七十年代起，德國、日本、美國、瑞士、加拿大等發(fā)達(dá)國家已開始利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物。水泥窯協(xié)同處置廢棄物作替代燃料技術(shù)成為發(fā)達(dá)國家水泥行業(yè)節(jié)能減排的重要手段之一。發(fā)達(dá)國家有2/3的水泥廠使用替代燃料，各國水泥煅燒的燃料替代率見表1。

1.4 雙筒熱解窯項目應(yīng)運而生

表1 各國水泥煅燒的燃料替代率

近年來，一些發(fā)達(dá)國家提出垃圾無氧高溫燃燒的方案設(shè)計，利用垃圾中有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，無氧或缺氧條件下干餾，使有機(jī)物產(chǎn)生裂解，生成高熱值可燃?xì)怏w、液體和固體及少量金屬和渣，提高熱值利用率，且能從根本上解決二噁英的生成，同時減少空氣中有毒物質(zhì)的排放量，將重金屬固化并有效回收利用，有利于城市環(huán)境的發(fā)展。

江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司與鹽城工學(xué)院2008年共同承擔(dān)了江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目：大型水泥煅燒節(jié)能技術(shù)裝備的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。該項目已將垃圾焚燒水泥回轉(zhuǎn)窯作為回轉(zhuǎn)窯節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，獲江蘇省科技進(jìn)步三等獎，為江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性項目、國家工信部產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項目。

2 雙筒回轉(zhuǎn)窯熱解垃圾工藝簡介

雙筒回轉(zhuǎn)窯熱解垃圾工藝 （專利號：201210185915.5），屬環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，包括：雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯，水泥生產(chǎn)線，工藝連接管道等。其中：三次風(fēng)管道，接通熟料冷卻機(jī)與窯尾罩；復(fù)合燃?xì)夤艿?，接通水泥回轉(zhuǎn)窯與窯尾罩；復(fù)合燃?xì)夥至鞴艿?，接通灰渣返熱通道與窯尾罩的復(fù)合燃?xì)鈱?dǎo)出管；廢氣余熱管道，接通預(yù)分解爐的側(cè)進(jìn)熱風(fēng)口與窯頭罩的排出廢氣接口；垃圾渣管道，接通預(yù)分解爐的側(cè)進(jìn)料口與窯頭罩的垃圾渣出口。本發(fā)明應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置生活垃圾，特別適宜于在已有的水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線旁配置熱解垃圾的工藝，也適宜在已有的垃圾焚燒場實施本工藝技術(shù)改造。雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯熱水泥窯協(xié)同處置垃圾的工藝流程見圖1，回轉(zhuǎn)窯協(xié)同熱解垃圾工藝流程見圖2。

經(jīng)過前處理（分揀1、破碎2、烘干3）的生活垃圾進(jìn)入雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯4的熱解通道，與在灰渣返熱通道加熱至1 000℃左右，并與經(jīng)料勺、熱載體進(jìn)口通道6進(jìn)入熱解通道的垃圾灰渣混合，由于采用熱載體傳熱法，使垃圾快速升至850℃以上，垃圾在缺氧條件下被熱解為復(fù)合燃?xì)?（C1～C5的小分子鏈烴、H2、CO等）及碳狀物（含有殘?zhí)嫉幕以?；?fù)合燃?xì)鈴碾p筒回轉(zhuǎn)熱解窯的內(nèi)筒體7，并經(jīng)窯尾罩的復(fù)合燃?xì)鈱?dǎo)出管8導(dǎo)出，通過復(fù)合燃?xì)夤艿?，進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯的多通道燃燒器11，配氧燃燒，為水泥窯煅燒熟料供熱；垃圾熱解后的碳狀物在內(nèi)筒導(dǎo)料裝置的導(dǎo)料作用下移動到內(nèi)筒體尾端，由于階梯縮頸圓筒內(nèi)置阻料螺旋的阻料作用，迫使碳狀物經(jīng)階梯縮頸圓筒外圍的熱載體出口通道，進(jìn)入內(nèi)、外筒體間的灰渣返熱通道，在外筒導(dǎo)料裝置導(dǎo)料作用下，向筒體首端運動。

1.垃圾分摻裝置；2.破碎裝置；3.烘干裝置；4.雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯；5.外筒體；6.熱載體進(jìn)口通道；7.內(nèi)筒體；8.復(fù)合燃?xì)鈱?dǎo)出管；9.補熱燃燒通道；10.氯化裝置；11.多通道燃燒器；12.熱料冷卻機(jī)；13.水泥回轉(zhuǎn)窯；14.預(yù)分解；15.末級預(yù)熱器；16.首級預(yù)熱器。圖1雙筒回轉(zhuǎn)熱解窯熱水泥窯協(xié)同處置垃圾的工藝流程

圖2 回轉(zhuǎn)窯協(xié)同熱解垃圾工藝流程

同時，從熟料冷卻機(jī)出來的熱風(fēng)（水泥煅燒中俗稱“三次風(fēng)”，約1 000℃左右）通過三次風(fēng)管道、熱風(fēng)導(dǎo)入接口、熱氣體進(jìn)口進(jìn)入灰渣返熱通道，加熱碳狀物；同時，碳狀物中殘?zhí)荚凇叭物L(fēng)”中燃燒并供熱，碳狀物中殘?zhí)既急M，即為垃圾灰渣。

當(dāng)三次風(fēng)熱源及殘?zhí)既紵蛔阋允估以郎氐皆O(shè)計的工藝溫度（約1 000℃左右），則開啟補熱燃燒器，將復(fù)合燃?xì)鈴膹?fù)合燃?xì)夥至鞴艿缹?dǎo)入，配氧燃燒，熱氣體經(jīng)補熱燃燒通道、熱氣體進(jìn)口進(jìn)入灰渣返熱通道，為垃圾灰渣供熱到熱解工藝要求的熱載體工藝溫度；經(jīng)加熱的高溫灰渣在外筒導(dǎo)料裝置的導(dǎo)料作用下，返移到外筒體首端的溢渣環(huán)板時，被熱載體進(jìn)口通道的料勺掏取，進(jìn)入螺旋狀環(huán)管，由于螺旋狀環(huán)管的球閥的通料阻風(fēng)作用，保證熱解通道內(nèi)缺氧和少氧環(huán)境，使熱解得以持續(xù)。

灰渣返熱通道中返移到外筒體首端的溢渣環(huán)板的高溫灰渣，一部分進(jìn)入熱解通道作熱載體，另一部分經(jīng)溢渣出氣口、垃圾渣出口、垃圾渣管道、側(cè)進(jìn)料口進(jìn)入預(yù)分解爐14，作為水泥煅燒的原料?；以禑嵬ǖ乐械母邷?zé)煔饨?jīng)溢渣出氣口、排出廢氣接口、廢氣余熱管道、側(cè)進(jìn)熱風(fēng)口進(jìn)入預(yù)分解爐，加熱從上一級旋風(fēng)預(yù)熱器15進(jìn)入預(yù)分解爐的物料，替代原水泥煅燒工藝中的“三次風(fēng)”，熱物料與煙氣從預(yù)分解爐上排氣口進(jìn)入預(yù)熱器，氣固分離，固體粉料進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯13窯尾部繼續(xù)煅燒成熟料。

上述工藝形成了水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同熱解生活垃圾，實現(xiàn)垃圾資源化利用和零污染排放。

項目的特色和創(chuàng)新：

（1）將生活垃圾無氧或缺氧高溫?zé)峤?，可得高熱值的?fù)合燃?xì)猓⒊浞掷酶邷責(zé)峤獾膹?fù)合燃?xì)獾娘@熱，直接進(jìn)入多通道燃燒器，比垃圾直接焚燒發(fā)電具有更高的熱值利用率。

（2）采用回轉(zhuǎn)窯熟料冷卻的三次風(fēng)（1 000℃左右）加熱垃圾熱解的碳狀物，既可充分利用碳狀物中殘?zhí)甲鳠嵩矗挚衫酶邷責(zé)彷d體快速加熱垃圾實現(xiàn)850℃以上的高溫?zé)峤?，從根本上避免二惡英生成條件。

（3）采用固體熱載體法熱解垃圾，比外熱式熱解爐換熱效率高得多。

（4）垃圾熱解產(chǎn)物之一復(fù)合燃?xì)庥脕盱褵嗪蜑闊彷d體補熱；熱解產(chǎn)物之二的碳狀物中殘?zhí)荚偃紵臒嶂涤米鳠彷d體熱源；燃盡殘?zhí)嫉幕以鳠峤饫臒彷d體，多余熱灰渣進(jìn)入預(yù)分解爐作為水泥生產(chǎn)過程的熱原料，全被資源化利用，無二次污染；垃圾熱解灰渣量少（約20%），容易滿足且不影響熟料整體強(qiáng)度的安全摻入量條件，因而無須另行調(diào)整水泥配料工藝。

（5）垃圾中難處理的微量重金屬元素通過水泥混凝土固化在建筑結(jié)構(gòu)中，可實現(xiàn)無害化處理。

3 研發(fā)目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 垃圾無氧高溫?zé)峤夤に嚪桨傅难芯?/p>

內(nèi)容包括：垃圾高溫?zé)峤饪尚行匝芯?；熱解熱源取自回轉(zhuǎn)窯煅燒熟料余熱的可行性研究；熱解熱源采用固體熱載體法直接加熱垃圾的可行性研究。

目標(biāo)：回轉(zhuǎn)窯煅燒熟料余熱作為熱解垃圾的一次熱源成為可行，用固體熱載體法熱解垃圾成為可行。

關(guān)鍵技術(shù)：固體熱載體法熱解垃圾工藝方案的設(shè)計與研究。

3.2 垃圾無氧高溫?zé)峤夤に噮?shù)的優(yōu)化

主要是熱解氣體組份與熱解溫度、時間的關(guān)系；熱解氣體組份與總熱值的關(guān)系；二氧芑、呋喃氧茂等有毒物質(zhì)可靠杜絕的熱解溫度和時間。

目標(biāo)：垃圾無氧高溫?zé)峤夤に噮?shù)優(yōu)化，保證可靠杜絕二惡英等有害氣體條件下，有盡可能高的熱值產(chǎn)出投入比。

關(guān)鍵技術(shù)：杜絕二惡英的環(huán)境條件與高熱值燃?xì)馍蓷l件的相容性研究。

3.3 垃圾高溫?zé)峤馇疤幚砑夹g(shù)裝備研發(fā)

包括:分揀裝置、粉碎裝置、烘干裝置的設(shè)計。目標(biāo)：提高垃圾熱解熱值、垃圾熱解的可行性和可靠性。

關(guān)鍵技術(shù)：垃圾粉碎設(shè)備，烘干熱源借用水泥煅燒低溫余熱。

3.4 垃圾高溫?zé)峤庋b備研發(fā)

充分利用項目組曾在油泥油砂油頁巖綠色提油項目中已有的研發(fā)成果以及大型回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)有制造技術(shù)優(yōu)勢，研發(fā)垃圾高溫回轉(zhuǎn)熱解的裝備；研究垃圾在回轉(zhuǎn)熱解（干餾）窯爐中的運動特性，設(shè)計計算高溫回轉(zhuǎn)熱解（干餾）爐的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，研究熱解垃圾灰渣作為熱載體在外筒體再加熱，再進(jìn)入熱解內(nèi)筒與垃圾熱交換的運動特征；研究熱載體中殘?zhí)荚诨剞D(zhuǎn)窯三次風(fēng)進(jìn)入后完全燃燒的可行性；研究料氣進(jìn)出干餾爐的密封；研究減少干餾爐熱損失，提高熱效率的優(yōu)化技術(shù)。

目標(biāo)：完成高溫?zé)峤饧夹g(shù)的核心裝備研發(fā)。

關(guān)鍵技術(shù)：垃圾進(jìn)熱解窯內(nèi)筒的料氣密封、固體熱載體進(jìn)出熱解窯內(nèi)筒的料氣密封；熱解氣導(dǎo)出及密封；回轉(zhuǎn)內(nèi)外筒體間的支承及熱脹冷縮的影響。

3.5 垃圾渣對熟料強(qiáng)度影響的研究

垃圾熱解后除形成燃?xì)馔?，還有固體碳和少量金屬（包括重金屬）及灰渣雜質(zhì)，需要研究灰渣組份對水泥強(qiáng)度的影響系數(shù)，是正影響還是負(fù)影響，產(chǎn)生強(qiáng)度負(fù)影響顯作用的臨界摻加量。

目標(biāo)：尋求不顯然影響熟料強(qiáng)度或不需要復(fù)雜調(diào)整配料工藝的垃圾渣的最大加入量。

關(guān)鍵技術(shù)：不同灰渣組份對水泥強(qiáng)度的影響系數(shù)。

4 節(jié)能減排技術(shù)指標(biāo)

（1）垃圾經(jīng)分揀、破碎、烘干后剔除無熱值利用價值的無機(jī)物及難碎料，粒度小于15 mm；水分控制小于5%。

（2）每噸水泥消納垃圾0.2 t（前處理后）。

（3）二惡英排放濃度小于0.1 ng-TEQ/m3。

（4）每噸熟料節(jié)省標(biāo)煤15 kg以上。

5 結(jié)論

試驗和研究表明，雙筒回轉(zhuǎn)垃圾窯與水泥回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處理生活垃圾具有垃圾無害化減量化資源化處理和水泥節(jié)能的綜合效益，極具推廣應(yīng)用價值。

This paper analyzes the background of the present garbage disposal technology,and introduces the working principle,core technologies and innovations of the garbage co-processing disposal process with the double-cylinder rotary kiln and the cement rotary kiln.Based on the test and research,the above technology has a good application value.

garbage;double-cylinder rotary kiln;cement kiln

王家安（1957-），男，大專，正高級工程師，建材機(jī)械專業(yè)。

蔚清）（

2013-12-21）