固體廢物的工業(yè)窯爐協(xié)同處置進展

竹 濤，范詩晗，李芙蓉，劉海兵

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2. 生態(tài)環(huán)境部 固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京 100029）

人口的快速增長和城市化的快速發(fā)展對可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。一方面，能源消費的增加及其相關(guān)問題推動了對燃料和能源多樣化以及清潔和可再生能源技術(shù)的需求；另一方面，產(chǎn)生的固體廢物不斷增加，不僅需要適當(dāng)?shù)墓芾碚撸€需要更好的處理技術(shù)［1］。據(jù)統(tǒng)計，2021年，我國一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量達3.97 Gt，工業(yè)危險廢物產(chǎn)生量為86.536 Mt［2］，且固體廢物量呈逐年增長趨勢，因此，需要找到廢物處置和緩解能源短缺的有效途徑。

相關(guān)專家學(xué)者在固廢處置利用方面做了很多研究工作，但固體廢物的利用率仍有待提高。工業(yè)和信息化部印發(fā)的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》支持鼓勵企業(yè)實施燃料替代，推進再生資源高效循環(huán)利用，對固廢的綜合利用提出了新的目標(biāo)和規(guī)劃。工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物是指利用高溫工業(yè)窯爐將固體廢物與其他原料或燃料混合共同處置，利用廢物焚燒產(chǎn)生的熱能替代部分燃料產(chǎn)生的熱能，以達到廢物無害化處置和資源化利用的目的，是替代廢物焚燒和填埋的有效手段。與傳統(tǒng)固體廢物處理方法填埋和焚燒相比，工業(yè)窯爐協(xié)同處置具有很大優(yōu)勢，不僅可以從固體廢物中回收有用的能量值，大幅降低處理成本，還可減少最終送往填埋場的廢物量，甚至實現(xiàn)廢物的完全和安全銷毀，做到減污、降碳協(xié)同增效，全面提高資源利用效率［3］。

綠色循環(huán)低碳發(fā)展是當(dāng)今時代科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向，工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)正在蓬勃發(fā)展［4］。但該技術(shù)在我國起步較晚，相關(guān)標(biāo)準體系不夠完善，缺乏具體的政策指導(dǎo)。本文介紹了水泥窯、電廠燃煤鍋爐、鋼鐵冶煉窯爐、煤氣化爐等工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的現(xiàn)狀，指出了當(dāng)前存在的問題，并展望了該技術(shù)的發(fā)展方向。

1 工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物現(xiàn)狀

生態(tài)環(huán)境部等18部委聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”時期“無廢城市”建設(shè)工作方案》中提出，推動利用水泥窯、燃煤鍋爐等協(xié)同處置固體廢物。在2021年至2022年期間，我國主要的廢物處置企業(yè)已啟動了近20個協(xié)同處置項目。

1.1 水泥窯協(xié)同處置固體廢物

1.1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

水泥窯協(xié)同處置固體廢物是我國《國家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄（2020）》中的推薦性技術(shù)，是《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》等政策中鼓勵實施的節(jié)能措施，《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中也提出推動鋼鐵窯爐、水泥窯、化工裝置等協(xié)同處置固廢，并且《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中明確提出“鼓勵多產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用，推進大宗固廢綜合利用產(chǎn)業(yè)與上游煤電、鋼鐵、有色、化工等產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展”［4］。在滿足水泥生產(chǎn)對原料或燃料的基本特性要求，且不會對水泥生產(chǎn)過程、水泥產(chǎn)品質(zhì)量以及環(huán)境安全帶來不利影響的情況下，可在水泥生產(chǎn)中將城市垃圾、污泥、危險廢物等固廢作為替代原料或替代燃料參與煅燒，投入水泥生產(chǎn)中，避免了這些固廢的填埋和焚燒，是實現(xiàn)廢棄物減量化、資源化和無害化的有效措施。1974年，加拿大學(xué)者利用水泥窯處理化工廢料，證明了水泥窯協(xié)同處置的可行性；2000年，歐盟頒布了與水泥窯協(xié)同處置相關(guān)的《廢物焚燒指令》；目前水泥窯協(xié)同處置技術(shù)已在德國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)得到普遍推廣和應(yīng)用，其中荷蘭水泥生產(chǎn)的燃料替代率高達83%［5-6］。

我國自20世紀90年代開始水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的研究，2005年北京水泥廠建成了我國第一個水泥窯協(xié)同處置項目，隨著我國相關(guān)標(biāo)準和法規(guī)的不斷完善，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)得到較好應(yīng)用［7］。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)作為一種廢棄物處理手段，也可用于醫(yī)療廢物處置。2020年新冠肺炎疫情期間產(chǎn)生大量醫(yī)療廢物，南京中聯(lián)水泥有限公司利用水泥窯協(xié)同處置隔離區(qū)的生活垃圾和醫(yī)療廢物，處置量可達5～6 t/d。金隅冀東水泥（唐山）有限責(zé)任公司水泥窯協(xié)同處置污泥工程作為國內(nèi)最大的水泥窯協(xié)同處置污泥項目，日處理污泥能力達800 t，充分實現(xiàn)了變污泥為水泥、減少土地占用并將資源利用率最大化的目的。據(jù)統(tǒng)計，截至2022年底，全國共有360條水泥窯協(xié)同處置固廢項目，其中處置生活垃圾窯線83條，年處置能力達8 300 kt［8］。研究表明，利用水泥窯系統(tǒng)處置廢物，對大氣和水泥產(chǎn)品質(zhì)量基本沒有影響，可有效解決廢物無害化處置問題，緩解固廢處置壓力，對實現(xiàn)固體廢物處理的減量化、無害化和資源化具有十分重要的意義［9-12］。

1.1.2 污染物排放

固體廢物中含有大量的有毒有害物質(zhì)，水泥窯協(xié)同處置固體廢物過程中產(chǎn)生的污染物排放問題不容忽視。例如，在協(xié)同處置過程中不可避免地會產(chǎn)生二口惡英；由于固體廢棄物中還含有大量的氯、硫、重金屬等元素，在水泥窯協(xié)同處置過程中可能形成HCl、Cl2、SO2等氣體，造成管道設(shè)備腐蝕、結(jié)垢等問題，部分重金屬在水泥窯高溫環(huán)境下?lián)]發(fā)隨煙氣排入大氣中，危害周圍土地環(huán)境及農(nóng)作物，且研究認為高溫條件下硫、氯、堿等會影響重金屬的揮發(fā)特性［13］。本小節(jié)主要針對多氯代二苯并-對-二口惡英/多氯代二苯并呋喃（PCDDs/PCDFs，簡寫為PCDD/Fs）和重金屬兩類污染物進行分析。

1.1.2.1 PCDD/Fs

有研究認為，水泥窯協(xié)同處置固廢可以很好的遏制二口惡英的產(chǎn)生，降低污染物排放濃度，對于廢物中有機污染物具有很好的去除效果，并且可將有害重金屬固化［14］。垃圾焚燒帶來的二口惡英問題日益嚴重，而水泥窯協(xié)同處置對入窯飛灰中二口惡英的消減率可達99%［15］。LIU等［16］分析了水泥制造過程中原料與垃圾焚燒飛灰共燃過程中向大氣排放的PCDD/Fs水平，發(fā)現(xiàn)排放量低于歐盟對水泥窯的限值，水泥窯消除了進料中約94%的PCDD/Fs，表明利用水泥窯處理固體廢物是一種有前景的技術(shù)。CONESA等［17］使用固體回收燃料、汽車粉碎殘渣、污水污泥、廢輪胎以及肉和骨粉等廢物作為替代燃料，能源替代率約為40%，監(jiān)測水泥窯PCDD/Fs長期排放情況，發(fā)現(xiàn)全年的排放水平遠低于排放限值。YE等［18］取固化粉煤灰、電鍍污泥、工業(yè)廢渣3種典型固體廢物與水泥熟料協(xié)同處置，發(fā)現(xiàn)固體廢物協(xié)同處置對二口惡英的排放有一定影響，但仍處于較低水平。

綜上，水泥窯協(xié)同處置固廢時二口惡英的排放濃度較低，符合歐盟標(biāo)準，但發(fā)展中國家水泥窯協(xié)同處置固廢時二口惡英的排放濃度略高于發(fā)達國家（如表1所示，I-TEQ為國際毒性當(dāng)量），并且水泥生產(chǎn)過程中煙氣產(chǎn)生量巨大。隨著煙氣量的增大，二口惡英的生成量會顯著提高，協(xié)同處置固廢的水泥窯是二口惡英不可忽視的來源。因此，我國需要加強對污染物的監(jiān)測工作，對廢物進行預(yù)處理，從源頭上控制污染物的排放。

表1 水泥窯協(xié)同處置固體廢物時二口惡英的排放水平

1.1.2.2 重金屬

工業(yè)窯爐的高溫環(huán)境不僅可以消除二口惡英，還可以降低重金屬的遷移率，從而降低滲濾液中的重金屬濃度［25］。張俊麗等［26］將水泥固化/穩(wěn)定化技術(shù)與水泥窯協(xié)同處置對重金屬的固定效果進行比較，發(fā)現(xiàn)水泥窯協(xié)同處置對重金屬的固定效果優(yōu)于水泥固化/穩(wěn)定化，水泥窯協(xié)同處置可將大部分重金屬固定在熟料中，降低隨煙氣排入大氣的重金屬量。原材料和含有重金屬的燃料是水泥窯排放重金屬的主要來源，重金屬進入窯內(nèi)在高溫條件下會揮發(fā)或固化，通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)參與熟料的燒制過程。不同重金屬揮發(fā)的難易程度不同［19］，表2列出了具有不同揮發(fā)特性的重金屬的最終遷移位置。汞作為高揮發(fā)性重金屬，在很大程度上以氣態(tài)形式排放，水泥窯協(xié)同處置廢物時會加大汞排放超標(biāo)的壓力［25］。合肥水泥研究設(shè)計院利用新型干法水泥窯協(xié)同處置工藝處理垃圾焚燒飛灰，以不摻燒飛灰作為空白對照，結(jié)果顯示，無論是空白試驗還是試燒試驗，廢氣中汞的排放濃度均超過了《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準》（GB 30485—2013）中的限值0.05 mg/m3，且摻燒后汞的排放濃度達到0.11 mg/m3［27］。因此，應(yīng)限制替代燃料中進入系統(tǒng)的Hg含量，以達到降低摻燒后汞排放濃度的目的。SHIH等［28］研究發(fā)現(xiàn)：在燒結(jié)過程中，90%以上的Pb會在高溫下蒸發(fā)，Cu、Cr、Ni等低揮發(fā)性重金屬幾乎全部被截留在熟料中，不會對環(huán)境造成浸出危害；當(dāng)替代率增大到15%或以上時，原料混合物中Ni和Cr的質(zhì)量分數(shù)高于1%，此時，高含量的Ni和Cr可能會摻入熟料中，摻入的重金屬可能導(dǎo)致C3S多晶型的轉(zhuǎn)變、C3S的分解或新化合物的形成，改變原有熟料相。重金屬的含量決定了熟料燒制的最終產(chǎn)物，低含量的重金屬基本不會誘發(fā)新相生成。水泥窯協(xié)同處置過程中重金屬的揮發(fā)與固化不僅與處置方式、廢棄物種類、重金屬含量有關(guān)，還受廢棄物中微量組分的影響，在燒制過程中，揮發(fā)的重金屬易與氣氛中的微量元素反應(yīng)生成新的重金屬化合物，影響重金屬的揮發(fā)。張賓［29］研究了硫、氯、堿對重金屬遷移規(guī)律的影響，證明氯化物對重金屬Pb、Cu、Cd的揮發(fā)具有促進作用，使重金屬氧化物最終以氯化物的形態(tài)揮發(fā)，硫的存在可以提高對揮發(fā)性重金屬Pb和Cd的固化能力。

表2 水泥窯中重金屬的最終遷移位置

綜上，水泥窯協(xié)同處置固體廢物對環(huán)境的影響不容忽視，尤其當(dāng)廢物中含有大量的硫、氯、堿、重金屬等元素時更應(yīng)該引起重視，在水泥窯協(xié)同處置過程中，應(yīng)嚴格控制物料中硫、氯、堿以及重金屬含量。

1.2 電廠燃煤鍋爐

1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

燃煤電廠在我國電力供應(yīng)中占主導(dǎo)地位，滿足了全國64%以上的電力需求，據(jù)預(yù)測，到2023年煤炭對全國電力供應(yīng)的貢獻仍將超過50%［30］。固體廢物在材料和能源回收方面具有巨大潛力，將固體廢物與煤共燃，使廢物轉(zhuǎn)化為能源，以達到資源最大化、廢物最小化的目的［31］。燃煤鍋爐中用于協(xié)同處置固體廢物的爐型主要為煤粉鍋爐和流化床鍋爐。

近年來，我國電廠鍋爐協(xié)同處置一般固體廢物已有應(yīng)用，全國約數(shù)十個項目，協(xié)同處置的固體廢物類別主要包括污泥、藥渣、生物質(zhì)廢棄物、垃圾衍生燃料等。LU等［32］對流化床鍋爐中城市生活垃圾與煤的共燃特性進行了實驗測試和建模分析，研究顯示，將城市固體廢物作為替代燃料，30%的替代率是可行的。2017年，中國石化荊門石化公司利用現(xiàn)有的流化床鍋爐摻燒含油污泥，且鍋爐所產(chǎn)生的一般工業(yè)固體廢物均得到有效的回收利用或處置。2018年，河南華潤電力古城有限公司成為我國首個火電廠協(xié)同處置危險廢物企業(yè)，將藥渣與原煤摻燒，每年可處理利用藥渣150 kt；2020年該單位擴建協(xié)同資源化綜合利用危險廢物項目50 kt/a，可替代原煤用量30.9 kt/a，實現(xiàn)了社會、經(jīng)濟、環(huán)保效益的共同提升［33］。2020年，伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司利用自有煤粉鍋爐協(xié)同處置煤化工生化污泥和焦油煤粉，煤粉鍋爐內(nèi)部的高溫環(huán)境為協(xié)同處置固體廢物提供了可能，通過共同處置實現(xiàn)了綜合治理的協(xié)同增效。

1.2.2 污染物排放

燃煤鍋爐協(xié)同處置技術(shù)不僅可以從固體廢物中回收能量，還可以有效減少污染排放，并且生物質(zhì)與煤炭的協(xié)同利用已被證明是減少溫室氣體排放的有效方法［34］。目前國內(nèi)外對燃煤鍋爐協(xié)同處置技術(shù)的研究主要包括兩部分：一部分是運行工況的研究，一部分是污染物排放的研究［35］，如表3所示。在實際運行中，鍋爐可通過調(diào)整配風(fēng)情況，使燃料充分燃燒，消除有毒有害物質(zhì)，從而使污染物排放得到有效控制；但富集的重金屬可通過各個節(jié)點排放，有機污染物也可能無法徹底分解。本小節(jié)針對PCDD/Fs和重金屬兩類污染物分別展開敘述。

表3 電廠燃煤鍋爐協(xié)同處置固體廢物的研究方向

1.2.2.1 PCDD/Fs

鍋爐燃燒過程中二口惡英的生成情況相當(dāng)復(fù)雜，減少二口惡英排放需要控制溫度大于850 ℃、氧氣體積分數(shù)大于6%、停留時間大于2 s，以達到分解二口惡英的目的［36］。預(yù)處理后的污泥可與煤炭一起作為燃料在鍋爐中燃燒，解決了污泥由于熱值低不能進行穩(wěn)定單燃燒的問題，并且可以去除污泥中大量的有毒有害物質(zhì)［37-39］。目前，在全國范圍內(nèi)大規(guī)模污泥處理的案例還很少。張建龍［40］研究了燃煤鍋爐協(xié)同處置污泥的二口惡英排放水平，濕污泥處理能力為250 t/d，分別在未摻混污泥和摻混污泥工況下進行試驗，其中摻混燃燒過程中二口惡英排放的I-TEQ濃度為0.032 6 ng/m3，略高于未摻燒工況下的0.021 9 ng/m3，但仍符合相關(guān)標(biāo)準，說明摻混對環(huán)境質(zhì)量的影響較小，有機物可以得到較為徹底的降解。污泥的供能比控制在煤炭發(fā)電量的10%以內(nèi)，燃燒效果不會受到影響，各種污染物的排放量能夠滿足排放標(biāo)準要求［41］。楊占斌［42］研究了煤粉鍋爐在空白工況和協(xié)同處置工況（摻燒廢活性炭）下PCDD/Fs的排放情況，結(jié)果顯示，兩種工況下PCDD/Fs濃度均低于相關(guān)標(biāo)準限值，煤粉鍋爐協(xié)同處置廢物并未增加二口惡英的排放風(fēng)險。

燃煤發(fā)電站煙氣中的PCDD/Fs濃度非常低，但PCDD/Fs的總排放量不可忽視，因為煤炭消耗量大，氣體排放量大，因此，應(yīng)將PCDD/Fs的排放系數(shù)加以量化，以估算PCDD/Fs的總排放量［43］。

1.2.2.2 重金屬

我國危險廢物中含量多、危害大的是揮發(fā)和半揮發(fā)性重金屬元素，影響重金屬揮發(fā)和固化的主要因素是溫度和時間，同時，堿度對重金屬揮發(fā)和固化也具有一定的影響。楊占斌［42］利用高溫管式爐模擬煤粉鍋爐協(xié)同處置固廢，研究了CaO和SiO2對Pb、Zn、Cd、As等4種重金屬揮發(fā)率的影響，從整體上看，堿性化合物對重金屬具有一定的固化作用。煤和生物質(zhì)共燃可降低微量元素釋放到自然環(huán)境中的風(fēng)險［44］。WANG等［45］選用不同生物質(zhì)與煤共燃，研究了生物質(zhì)中金屬氧化物和揮發(fā)性物質(zhì)對砷釋放的影響，發(fā)現(xiàn)礦物金屬（Na、K、Mg、Ca、Al和Fe）與有機硅在共燃過程中對砷的釋放起著重要作用，生物質(zhì)的添加可抑制煤燃燒過程中砷的釋放。污泥是一種有吸引力的能源燃料，其熱值與低級燃料相當(dāng)［46］。DONG等［47］在嘉興市某電廠的工業(yè)循環(huán)床鍋爐中進行了制革廠污泥與煤炭的共燃試驗，發(fā)現(xiàn)排放的顆粒物被控制在低水平，焚燒廢物時有毒有機化合物排放量非常低，且重金屬排放濃度也低于我國和歐盟標(biāo)準的限值，即使是袋式除塵器前的濃度。

因缺乏基礎(chǔ)理論的支撐，我國電廠燃煤鍋爐協(xié)同處置固廢技術(shù)的應(yīng)用和推廣受到制約，但發(fā)展?jié)摿薮?。利用固體廢物與燃煤鍋爐中的煤炭共燃，將固體廢物轉(zhuǎn)化為固體燃料，從廢物中回收能量，能夠在很大程度上減少廢物并節(jié)省煤炭資源的消耗，促進能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.3 鋼鐵冶煉窯爐

與電廠燃煤鍋爐、水泥窯相比，鋼鐵冶煉窯爐同樣具備協(xié)同處置固體廢物的特征，鋼鐵行業(yè)中燒結(jié)爐、轉(zhuǎn)爐、高爐、回轉(zhuǎn)窯爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)底爐等多種高溫窯爐均具備協(xié)同處置固廢的潛力［48］。1995年，德國一家鋼鐵企業(yè)進行了最早的鋼鐵冶煉窯爐協(xié)同處置廢塑料試驗。美國鋼鐵業(yè)利用鋼鐵冶煉窯爐協(xié)同處置塵泥類危險廢物，有效減少了燃料的使用［49］。我國在鋼鐵冶煉窯爐協(xié)同處置固廢方面也做了相關(guān)研究。廣東韶鋼松山股份有限公司某協(xié)同處置項目，利用轉(zhuǎn)爐和轉(zhuǎn)底爐協(xié)同處置危險廢物，處理量可達180 kt/a，包括廢活性炭20 kt/a、鋼廠煙塵灰110 kt/a以及廢鐵質(zhì)包裝桶50 kt/a。劉劍平等［50］利用轉(zhuǎn)爐容量大、焚燒溫度高等特點協(xié)同處置廢油漆涂料桶，其中的有機物被徹底分解，殘留廢鋼可進入鐵水中作為原料補充，處置過程中污染物排放水平低，固廢中重金屬浸出濃度低于國家相關(guān)標(biāo)準限值。利用鋼鐵冶煉窯爐協(xié)同處置危險廢物是實現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的手段之一，但目前該技術(shù)協(xié)同處置的危險廢物類別還很有限，在一定程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用［47］。

對于常見的鋼鐵冶煉窯爐，其協(xié)同處置固體廢物的情況總結(jié)如下。

1）燒結(jié)爐。處置垃圾焚燒飛灰、高爐灰、污泥、廢催化劑等。中冶長天國際工程有限責(zé)任公司通過試驗研究，證明了燒結(jié)協(xié)同處置垃圾焚燒飛灰的可行性。飛灰可以作為燒結(jié)過程的熔劑，燒結(jié)過程中溫度可達1 300 ℃以上，具有與高溫熔融相似的環(huán)境，促進二口惡英分解。但進入爐中協(xié)同處置的固廢揮發(fā)分不能過高，含過高F、Cl、K、Na等元素易導(dǎo)致篦條腐蝕、糊堵。

2）高爐?？商幹脧U塑料、廢布料、廢橡膠、污泥、稻殼、甘蔗渣、桉樹皮等固廢。寧波鋼鐵有限公司工業(yè)爐窯協(xié)同處置金屬表面廢物項目是全國首例運用該技術(shù)處置危廢的試點項目，主要協(xié)同處置鐵皮桶，處置量4 500 t/a。爐料經(jīng)加熱、還原、熔化、脫硫等一系列物理化學(xué)過程，最后生成生鐵、爐渣、煤氣等。該技術(shù)對外來雜質(zhì)的承受限度較低，高濃度的F、Cl等元素易導(dǎo)致管道腐蝕。

3）轉(zhuǎn)爐。處置焦油渣、含油污泥、廢油漆涂料桶、保溫棉等。寶武集團環(huán)境資源科技有限公司利用轉(zhuǎn)爐協(xié)同處置除塵布袋、含油濾布、保溫棉等廢棄物。寶鋼股份煉鋼廠利用轉(zhuǎn)爐處理廢油漆涂料桶，涂料中的有機物高溫分解，鐵元素進入鐵水中成為煉鋼原料的一部分，但異味問題較難控制［42］。

4）焦?fàn)t。處置焦油渣、生化污泥、廢油漆桶、鋼渣、醫(yī)療廢物等。山東榮信集團焦?fàn)t協(xié)同處置危險廢物項目，處理量達50 kt/a。焦化有機固廢中的長鏈烷烴和芳香烴組分具有黏結(jié)作用，可作為黏結(jié)劑與煤粉充分混合，制得型煤，然后作為煉焦配煤的一部分進入焦?fàn)t煉焦，通過焦?fàn)t高溫炭化［51］。該技術(shù)存在預(yù)處理技術(shù)不成熟、VOCs治理不完善、二次污染等問題［51］。

5）轉(zhuǎn)底爐。處置含鋅粉塵、含鉻廢渣、廢舊活性炭、含鐵固廢等。寶鋼湛江鋼鐵含鐵固廢處置中心利用轉(zhuǎn)底爐處理含鐵固廢，實現(xiàn)了含鐵廢棄物的廠內(nèi)循環(huán)利用和無害化處置。但高濃度F、Cl等元素易導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。

1.4 煤氣化爐

煤氣化是煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N清潔產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)中的基礎(chǔ)和核心。進入21世紀，煤與固體廢物共氣化的提出使氣化技術(shù)更加環(huán)保［52］。根據(jù)原料與氣化氣的接觸方式不同，煤氣化爐可分為固定床、氣流床、流化床3種，氣化爐對原料具有極強適應(yīng)性，具備協(xié)同處置危險廢物的能力［53］。內(nèi)蒙古伊泰化工有限責(zé)任公司利用現(xiàn)有粉煤氣化裝置及水煤漿氣化裝置協(xié)同處置污水處理站產(chǎn)生的生化污泥，處理量6 720 t/a，最終可將有機成分及所含水分轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夂投趸?，實現(xiàn)了固體廢物的資源化利用。LI等［54］對德士古水煤漿氣化爐協(xié)同處置煤液化殘渣過程中有機污染物的排放特征和環(huán)境風(fēng)險進行了研究，結(jié)果表明，污染物排放濃度有所增加，但總毒性當(dāng)量濃度仍遠低于相關(guān)標(biāo)準限值，協(xié)同處置過程中環(huán)境風(fēng)險較低。李雪冰［55］對德士古水煤漿氣化爐協(xié)同處置危險廢物過程中有機物的降解效果進行了試驗研究，測定了特征污染物濃度，結(jié)果顯示，危險廢物處置過程未改變PCDD/Fs和重金屬在廢水、廢氣及固體廢物中的分配趨勢，未增加PCDD/Fs和重金屬的排放風(fēng)險，污染物濃度均未超過限值。

協(xié)同處置固體廢物是煤氣化爐發(fā)展的主要方向之一，目前該技術(shù)已有少量工程應(yīng)用，但國內(nèi)外現(xiàn)有研究中處置廢物的種類相對較少，缺乏對煤氣化爐協(xié)同處置廢物的系統(tǒng)研究［56-57］。

2 工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物存在的問題

在“無廢城市”建設(shè)背景下，國家大力推進固體廢棄物減量化和資源化利用，因此，借助工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物將其對環(huán)境的影響降至最低，具有十分重要的意義。在工業(yè)窯爐使用過程中，其較高的溫度、較長的停留時間、高水平的湍流和強熱流等特征使其具備消除污染物的能力，固體廢物無論是作為補充燃料還是替代其他原材料都為消除廢物同時回收能源和材料提供了一種選擇，這使得燃料的選擇多種多樣，特別是具有熱值和物質(zhì)價值的不同類型的廢物衍生燃料。但目前工業(yè)窯爐協(xié)同處置仍存在一些問題，而現(xiàn)有研究尚不能完全解決這些問題，相關(guān)法律法規(guī)也不夠完善，對實際應(yīng)用缺乏指導(dǎo)。

2.1 基礎(chǔ)研究不充分

在我國，工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物的應(yīng)用尚處于起步階段，基礎(chǔ)研究不夠充分。固體廢物中含有大量的有毒有害物質(zhì)，雖然工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物過程中二口惡英排放濃度低于相關(guān)標(biāo)準限值，但煙氣的大量排放，使得二口惡英排放對環(huán)境影響的問題不容忽視。腐蝕是影響窯系統(tǒng)使用壽命的主要因素之一，Cl、Na、K、S、堿金屬以及有毒的微量重金屬等的耦合作用可能導(dǎo)致窯系統(tǒng)的腐蝕和堵塞，且含量越高腐蝕越嚴重［58-59］。腐蝕會破壞窯內(nèi)部的承載結(jié)構(gòu)，甚至造成安全事故。據(jù)統(tǒng)計，2015年到2017年，國內(nèi)水泥窯筒體出現(xiàn)炸裂的案例不少于10起［60］。祝建中等［61］研究了高溫條件下堿金屬氯化物NaCl和KCl對不銹鋼材料的腐蝕機理，結(jié)果表明，NaCl和KCl會加快不銹鋼材料的腐蝕，高溫條件下堿金屬氧化物與不銹鋼材料中的熔出物生成的新物相，與堿金屬氯化物形成低熔點的共熔物后，可在金屬材料表面形成液相，加強物相間的傳質(zhì)，造成腐蝕情況惡化。此外，協(xié)同處置相比建材生產(chǎn)需要更精細地控制過程，這使得鋼鐵冶煉窯爐對燃料的承受限度較低，協(xié)同處置的廢物類別有限，在行業(yè)中未形成規(guī)模化應(yīng)用。

2.2 規(guī)范與標(biāo)準體系不完善

2013年，國務(wù)院印發(fā)《循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃》，明確提出推進水泥窯協(xié)同資源化處理廢棄物，之后陸續(xù)出臺了各項相關(guān)政策、標(biāo)準和技術(shù)規(guī)范。2015年，六部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點工作的通知》，表示鼓勵支持利用水泥窯協(xié)同處置固體廢物，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，降低能源資源消耗，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。目前，我國水泥窯協(xié)同處置固體廢物的相關(guān)政策標(biāo)準體系較為完善，規(guī)定了入窯協(xié)同處置固體廢物的特性要求，以及污染物排放應(yīng)滿足的標(biāo)準要求。我國水泥窯協(xié)同處置固體廢物的相關(guān)政策標(biāo)準如下：1）政策，包括《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術(shù)政策》《關(guān)于開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點工作的通知》《水泥工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》《水泥工業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》；2）標(biāo)準，包括《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》（HJ 662—2013）、《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》（GB/T 30760—2014）、《水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢物設(shè)計規(guī)范》（GB 50634—2010）、《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50757—2012）、《水泥窯協(xié)同處置垃圾工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50954—2014）、《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準》（GB 4915—2013）、《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準》（GB 30485—2013）、《水泥工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準》（DB13/ 2167—2020）。

但我國尚未頒布鍋爐協(xié)同處置固體廢物的專用污染控制標(biāo)準，故首先應(yīng)執(zhí)行鍋爐相關(guān)污染控制標(biāo)準，包括《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準》（GB 13271—2014）和《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準》（GB 13223—2011）。電廠燃煤鍋爐、鋼鐵冶煉窯爐和煤氣化爐共處置固體廢物技術(shù)缺乏基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，制約了其推廣和應(yīng)用，協(xié)同資源化處理固體廢物受到較大限制。同時，我國固體廢物的協(xié)同處置在能力、區(qū)域和種類上存在不平衡，受制于工業(yè)窯爐的位置，并缺少國家、地方及行業(yè)相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準，導(dǎo)致廢物收集、貯運等不規(guī)范，污染控制不到位等，在工藝技術(shù)、污染物排放控制等方面均有待提升。

2.3 小結(jié)

工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的優(yōu)缺點對比如表4所示［6，42，47，59，62-63］。

表4 工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的優(yōu)缺點

3 結(jié)語和展望

通過工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物實現(xiàn)綜合治理的協(xié)同增效，將極大地促進經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。但固體廢物成分復(fù)雜，富集大量有毒有害物質(zhì)，雖然工業(yè)窯爐協(xié)同處置廢物過程中二口惡英含量低于相關(guān)標(biāo)準限值，但大量煙氣的排放使得二口惡英排放對環(huán)境的影響問題不容忽視。同時，廢物酸性或堿性過高可能導(dǎo)致系統(tǒng)裝置腐蝕、堵塞，并且氯離子、重金屬等也可能會對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用。針對工業(yè)窯爐協(xié)同處置技術(shù)目前存在的問題，提出以下未來發(fā)展方向以供參考。

a）改進水泥窯入窯預(yù)處理技術(shù)；研究Cl、Na、K、S、堿金屬以及重金屬等耦合作用下的腐蝕機制，降低處置過程中對工業(yè)窯爐的腐蝕風(fēng)險；對設(shè)備進行科學(xué)有效的防護，延長設(shè)備使用壽命；擴大鋼鐵冶煉窯爐協(xié)同處置范圍。

b）按照相關(guān)要求，定期對場所和設(shè)施周邊的大氣、土壤、地表水和地下水等進行采樣監(jiān)測，以判斷工業(yè)窯爐協(xié)同處置過程是否對環(huán)境造成二次污染，提升固廢資源化利用和無害化處置水平。

c）建立健全工業(yè)窯爐協(xié)同處置固體廢物環(huán)境污染防控體系，完善相關(guān)標(biāo)準體系，完善環(huán)境保護措施，頒布相關(guān)的政策法規(guī)，推動跨區(qū)域協(xié)同處置固體廢物，推動行業(yè)技術(shù)進步和環(huán)境健康發(fā)展。