利用水泥窯采用氣化方式處理城市生活垃圾

摘要:目前，我國大量城市生活垃圾已將部分城市包圍，每年的產生量并以平均5-8%的速度增長，生活垃圾的處理問題日益嚴重。而傳統的填埋法、堆肥法、焚燒法卻未能奏效，無法杜絕二次污染，尤其是關于垃圾焚燒法(發電)能否消除二噁英引起多方爭議，至今未有結論。用水泥窯協助處置生活垃圾將開拓處理生活垃圾的新思路，一些水泥企業正在積極研發處理生活垃圾的新技術。下面就海螺集團開發應用的CKK垃圾焚燒技術做一介紹。

1 概述

1.1城市生活垃圾概念

生活垃圾是指在日常生活中或者為日常生活提供服務的活動中產生的固體廢物以及法律、行政法規規定視為生活垃圾的固體廢物。城市生活垃圾主要由居民生活垃圾、街道保潔垃圾和單位垃圾組成，不同來源的垃圾，其成分和特性也不盡相同。

1.2中國城市生活垃圾現狀

目前，我國歷年垃圾堆存量已達60億噸，占用耕地5億平方米。全國660個城市中有200個城市陷入垃圾包圍之中。城市生活垃圾產生量以平均每年5-8%的速度增長，導致城鄉結合區域環境惡化，危及可持續發展。預計到2010年，城市生活垃圾產生量將達到2.64億噸，2030年為4.09億噸，2050年為5.28億噸。

1.3生活垃圾現行處理方法

目前垃圾處理方法主要有填埋、堆肥及焚燒處理三種方法。

填埋法。填埋法簡單、投資省。但由于我國垃圾填埋處理過于簡單，其處理方式存在以下缺點：一是浪費很多可回收資源，處理能力有限，占用了大量土地。二是僅靠垃圾自己的腐化反應使垃圾自己減少、消失，垃圾處理周期長。三是存在嚴重的二次污染，垃圾滲濾液和揮發氣體污染地下水、空氣，導致土壤沙化。

堆肥法。垃圾堆肥是垃圾中有機成分的處理技術，這一方法可以用于處理某些行業或生產中產生的高水分、富含有機物的垃圾，但不能處理所有種類的生活垃圾，且減容減量及無害化程度低，垃圾處理量少，經篩選后不適合堆肥的垃圾還需采用其他方法加以解決。由于堆肥質量差、缺乏應用市場。

焚燒法。焚燒處理技術的特點是處理量大，減容性好，無害化相對徹底，利用焚燒過程中產生的熱量可以能源化，是世界各發達國家普遍采用的一種垃圾處理技術。垃圾焚燒爐主要有爐排爐和流化床爐兩種。

1.4、利用新型干法水泥窯和氣化爐相結合的方法處理城市生活垃圾。

利用新型干法水泥窯和氣化爐相結合的方法處理城市生活垃圾(簡稱CKK系統)，是一種比以往的流化床燃燒方式更先進的焚燒形式。是一種將垃圾的一部分熱量用于燃燒，將剩余的可燃部分作為可燃氣體從爐中導出有效利用到水泥工藝中去的方式。

流化床氣化垃圾焚燒爐是在爐內鋪設一定厚度、一定粒度范圍的石英砂，通過底部布風板進入一定壓力和流量的空氣，將砂粒吹起、翻騰、浮動。流化床內氣—固混合強烈，傳熱傳質率高，單位面積處理能力大，具有極好的著火條件，垃圾入爐后即和灼熱的石英砂迅速處于完全混合狀態，垃圾受到加熱、干燥、氣化，爐內燃燒溫度控制在一定的范圍內。由于采用了氣化爐，有下列優點。

1、可回收有價值的資源物質。用低溫還原氛圍條件進行氣化處理，鐵?鋁以未氧化狀態得以回收，便于再利用。

2、實現穩定氣化。垃圾不完全燃燒，用低空氣比進行氣化處理。

3、便于排除不可燃物。氣化爐采用散氣管方式，便于排除不可燃物。

4、小型化。低空氣比運行，使爐床負荷增大(單位面積和時間內處理垃圾量大)，爐床面積較已往的爐小，實現小型化。

5、防止不可燃物質混入影響水泥質量。

6、不需要專設的污水處理處理系統。

7、不需要助燃燃料(助燃只用于啟動時)。

2 CKK系統技術方案簡介

垃圾由垃圾收集車運送到垃圾儲倉內儲存，用行車進行攪拌和均化，在破碎后繼續用行車進行攪拌和均化并將垃圾輸送至供料裝置，定量送至氣化燃燒爐中。投入至爐內的垃圾與爐內的高溫流動介質接觸，一部分通過燃燒向流動介質提供熱源，另一部分氣化后形成部分可燃性氣體送往分解爐內，經分解爐、預熱器處理及廢氣處理系統凈化后排出。同時，垃圾中的不燃物在流動介質中一邊沉降一邊移動，到了爐底部時從垃圾中進行分離排出，摻入到水泥生料中或作為混合材摻入到水泥中，有以下系統構成。

2.1前處理及供料系統

前處理及供料系統是計量設施、儲存設施、破碎設施及輸送設施組成。進廠垃圾車經計量后送至卸料平臺，經密封門卸入垃圾儲庫內，在垃圾儲庫內垃圾由行車進行垃圾均化，然后喂入垃圾破碎機，破碎后的垃圾回到儲庫內，由行車喂入氣化焚燒爐的喂料倉，詳見圖2-1。

大機破碎由專門的大塊垃圾破碎后送入垃圾儲存庫塊垃圾。

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圖2-1 前處理及供料系統圖

2.2垃圾焚燒系統

該系統由穩定向氣化焚燒爐內輸送垃圾的供料裝置及氣化垃圾的氣化爐組成。垃圾喂料倉中的垃圾經過密封喂料機、打散機均勻地喂入垃圾氣化焚燒爐內。垃圾與蓄熱介質接觸，一部分垃圾進行氣化燃燒，燃燒產生熱量用來保持蓄熱介質的溫度，使垃圾持續氣化;另一部分垃圾形成氣化產品輸出到水泥窯系統中進行燃燒。

垃圾供料裝置通過特殊結構的螺旋葉片，定量向氣化爐內穩定供料，形成穩定的垃圾氣化過程。氣化焚燒爐爐內壁砌筑耐火材料、防止高溫氣體對爐內造成損傷，同時蓄熱保溫，提高熱效率，垃圾焚燒系統見圖2-2。

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圖2-2 垃圾焚燒系統圖

2.3不燃物處理系統

該系統是將垃圾燃燒后的不燃物由氣化爐排出，由能夠有效維持氣化爐的性能的排出裝置、各種輸送設備及分離裝置、砂循環提升裝置、砂儲存裝置構成。

氣化爐內垃圾燃燒后產生一定量的灰渣(不燃物)在流動介質中一邊沉降一邊移動，沉到爐底部時通過砂分級裝置從垃圾中進行分離排出。分離排出的灰渣通過磁選機、鋁分選機分離出鐵質和鋁質物品，剩下的灰渣(不燃物)送入儲倉內儲存。灰渣可做為原料送到生料磨的循環斗提或做為混合材送入水泥粉磨系統，詳見圖2-3。

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圖2-3 灰渣處理系統圖

2.4供風系統

該系統由向氣化爐內提供燃燒空氣的供風系統及氣化爐產生的可燃氣體向分解爐輸送的管道系統組成，為保證垃圾坑內的臭氣味不外泄，需要抽垃圾坑內的空氣保證其負壓，抽取的空氣作為氣化爐的燃燒空氣同投入氣化爐內。氣化爐停運時，通過另設的一套除臭機，通過除臭機抽取綜合用房內臭氣凈化后排出室外，使綜合用房內的氣味不外泄。

2.5點火及喂煤系統

該系統是為將氣化爐起動、停止以及低熱值垃圾進行助燃而設置的裝置。焚燒爐的啟動依靠燃油熱風爐提供的熱風來加熱流化介質到一定溫度，再投入垃圾進行氣化燃燒。當垃圾熱值很低時需要加入適量的碎煤進行助燃，以保證垃圾的穩定燃燒，點火及喂煤系統詳見圖2-4。

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圖2-4 點火及喂煤系統圖

2.6垃圾污水處理系統

垃圾中的污水是濃度非常高的有機污水，按照通常的排水處理難以進行。垃圾儲庫滲出的污水經垃圾污水過濾器送入垃圾污水貯存槽，根據其主要成份是有機物，具有不耐熱的特性，采用密閉的泵將污水提升，向氣化爐內噴射，通過高溫水泥窯進行蒸發氧化處理，完全分解有機成分，實現無害化，實現生產污水為零排放。

垃圾污水處理系統見圖2-5。

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圖2-5 垃圾污水處理系統圖

2.7有害物質分離系統

該系統是將水泥生產的堿、氯等有害物質，排出系統外的裝置。在窯尾煙室部位，聚集有高濃度的堿、氯等元素，在此設抽取口抽出含高濃度有害物質的氣體，鼓入冷風對其進行快速冷卻，使其產生氯類結晶體，經過袋收塵收集下來，將有害物排出系統。收集下來的粉塵做為混合材摻入水泥中或另行處理，詳見圖 2-6。

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圖2-6 有害物質分離系統圖

三、水泥窯爐降解二噁英的機理

垃圾焚燒產生的二噁英等有毒物質，利用新型水泥干法采用氣化爐焚燒法完全可以控制在安全排放的范圍內，這是由新型干法水泥工業窯和爐的內部環境狀況和采用氣化爐處理工藝決定的。

二噁英的基本概念。眾所周知，采用常規低溫(<800℃)城市廢棄物焚燒方法，極易形成惡毒性很強的有機多氯代二苯并噁英(PCDDS) 和多氯代二苯呋喃英(PCDFS)，結構圖見圖2-7。

圖2-7 “二噁英”的分子結構圖(Doxin)

二噁英的生成機理復雜，下列情況可能導致二噁英的產生。

1、溫度范圍：200℃-500℃;2、不完全燃燒：CO濃度較高;3、潮濕有水蒸氣：H2O蒸氣 4、有氯源存在：Cl—濃度較高;5、有催化劑：Fe+3存在; 6、苯環類物和氯代物存在。
生活垃圾組分和HCl產生的關系

垃圾處理中產生二惡英的氯源主要有

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含有氯原子的聚合物塑料

采用氣化的方式利用水泥窯爐的工藝特點能充分分解二噁英。

一是遏制前體物產生條件及控制前體物產生。大量實驗表明，二惡英族類物在500℃時開始分解，到800℃，2、3、7、8—PCDD可以在 2.1s內完全分解，如果溫度進一步升高，分解時間將進一步縮短。利用現代水泥干法燒成系統，生活垃圾氣化后氣體喂入口溫度一般高達900℃-1000℃ 之間，且氣體在分解爐內的時間高達7s，固體物料的停留時間高達20s以上，可以有效分解二惡英。

二是消除或吸收產生的二惡英的氯源。水泥生料中的綜合cl-1離子的限量<0.015%;不會對窯系統的操作構成影響，而以 2CaO.SiO2，CaCl2(穩定溫度1084-1100℃)的形式被水泥生料裹挾到回轉窯內，氯酸鹽和鐵鋁酸鹽的溶劑型礦物中被帶出燒成系統。水泥窯中微量氯源自行控制過程如下：

進入系統氯很少，即：Cl-<0.015%。氯在熟料的形成過程中，形成含氯礦物CaO.SiO2.CaCl2(穩定溫度 1084-1100℃)被熟料帶出系統，不參與合成二惡英。

CaO+2HCl→CaCl2+ H2O

CaO+ SiO2+ CaCl2→CaO.SiO2.CaCl2

三是硫分對二噁英的產生有抑制作用。有關研究證明，燃料中或其它物料夾帶的硫分對二噁英的形成有一定的抑制作用：一則由于硫分的存在控制了 Cl-，使得Cl-以HCl的形式存在;二則由于硫分的存在降低了Cu的催化活性，使其生成了CuSO4;三則由于硫分存在形成了黃酸鹽酚前體物或含硫有機化合物(聯本并噻蒽或聯本并噻吩)，阻止了二噁英的生成。

四是水泥窯爐添加堿性氧化物足以控制二惡英的產生。對于一般焚燒垃圾的專用爐，向爐內噴鈣，即有利于吸收HCl控制氯源，較細的鈣又具有一定的吸附作用，達到鈍化金屬催化劑作用的目的，以抑制二噁英生成。而對于現代干法水泥燒成系統，其系統內部均勻分散著高濃度的石灰石粉(CaCO3，平均細度約35μm),且在高溫(800～900℃)下分解成CaO，使其更具有吸附性。

四、利用新型干法水泥窯采用氣化爐焚燒法處理城市生活垃圾系統的優點

海螺集團開發的城市生活垃圾處理技術，是新型干法窯和垃圾氣化焚燒技術的有機結合，該系統利用水泥窯穩定高溫環境完全降解垃圾焚燒產生的二噁英，實現無害化處理;系統采用特殊的供風系統和負壓操作，有效控制和處理臭氣，防止了臭氣排放;垃圾中的污水收集后采用密閉的泵將污水噴射到氣化爐內，通過高溫水泥窯進行蒸發氧化處理，完全分解有機成分，實現無害化和污水零排放;焚燒時利用垃圾自身熱量實現自然，一般不需要燃料，且垃圾燃燒的熱能可替代水泥熟料生產所需要的部分燃料，灰燼用作水泥原料，無廢棄物排出;對水泥生產及產品品質不產生任何影響;工藝流程簡單，設備全部實現國產化，且水泥生產設備可替傳統代垃圾焚燒所需的部分設備，節省了投資。

利用新型水泥干法采用氣化爐焚燒法處理城市生活垃圾，可以將城市生活垃圾完全處理，做到了垃圾處理的“無害化、減量化、資源化”，是我們借鑒國外先進技術，結合我國國情，研發出的適合我國國情的先進的垃圾處理技術。它的開發和成功運用，是水泥工業發展循環經濟、打造綠色環保產業的有益途徑。
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