利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾及污泥技术

利用新型干法水泥窑协同处置生活垃圾及污泥技术2014-7-4中国海螺创业控股有限公司杨长青一、背景随着经济发展的水平不断提高和人们对环境保护的认识不断增强，环保问题、资源问题和可持续发展问题日益成为制约社会和经济发展的重要因素之一。生活垃圾和污泥的无害化处理是全球性难题，倍受社会各界的高度关注。目前我国城市生活垃圾堆存量已达76亿吨，每年还要产生1亿多吨城市生活垃圾，众多城市陷入垃圾包围之中。我国城镇污水处理厂年产生污泥量已达3000万吨，但大部分污泥只是简单脱水后外运弃置，只有很少一部分被规范处置。污泥含有污水中约50%的污染物，弃置后有再次污染水体、环境的风险，污泥的处理与处置也不容忽视。寻求生活垃圾和污泥科学、合适的处理方法，是建设环境友好型、资源节约型社会的必然选择。利用新型干法水泥窑协同处置固体废物技术可减少对不可再生能源的开发，具有工艺简洁、资源化程度高、处理过程卫生、安全、有效等特点，可达到垃圾和污泥减量化、资源化、无害化的处理目标。随着该类技术的成功开发和应用，以及国务院下发《关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》（国发〔2013〕41号）文件要求支持利用现有水泥窑无害化协同处置城市生活垃圾和产业废弃物。利用新型干法水泥窑处置生活垃圾、污泥技术将成为生活垃圾、污泥无害化处理的主要方法之一。中国海螺创业控股有限公司是一家港股上市公司（HK00586），参股海螺集团，主要从事节能环保、新型建材、装备制造、港口贸易等产业，公司一直致力于推动行业的技术进步和转型升级。在充分调研国内生活垃圾、污泥处理现状和国外先进处理技术的基础上，探索利用新型干法水泥窑协同处置固体废物技术，公司于2007年启动“利用新型干法水泥窑无害化处置生活垃圾系统的开发与应用”科研项目（以下简称“CKK项目”,CKK是ConchKawasakiKilnsystem的缩写），2010年完成该项目的研发工作，同年在安徽省铜陵市建成首套示范线，整体技术处于国际先进水平。继CKK项目成功开发应用后，公司又开发出污泥混烧处理系统，2011年9月第一套60t/d污泥处理系统在安徽省铜陵市成功投运。二、水泥窑协同处置生活垃圾技术1、主要工艺流程本项目首次将垃圾处理和水泥熟料烧成两个独立系统进行有机融合和无缝对接，创建一种新的垃圾处理方式。通过工程设计、工艺优化、系统集成等方法，解决了垃圾气化后的低温废气及灰分对水泥熟料烧成系统的影响，实现了利用水泥窑安全、稳定、无害化处理生活垃圾。生活垃圾通过收集车运送到垃圾坑内储存，用行车进行搅拌和均化，破碎后用行车送入垃圾供料系统，定量输送至气化炉中气化焚烧。投入炉内的垃圾与炉内高温流动介质（流化砂）充分接触，一部分通过燃烧向流动介质提供热源，另一部分气化后形成可燃性气体送往水泥窑分解炉内进一步焚烧。垃圾气化后气体中有害物质经分解炉焚烧分解，分解后的生成物被水泥窑内碱性物料吸收固化，剩下的废气经水泥窑尾废气处理系统净化后排出。垃圾中的不燃物在流动介质中不断沉降，到了炉底部时排出。从排出的炉渣中分离出金属，剩下的块状物料作为水泥原料进行配料。垃圾坑中的垃圾污水经过收集和过滤后，送入分解炉进行氧化分解，达到无害化处理的目的，其工艺流程如下图所示。子系统主要包括前处理及供料系统、垃圾气化系统、灰渣处理系统、垃圾污水处理系统、除氯系统等。主要设备有气化炉、回转式剪切破碎机、双梁桥式行车、除臭机、热风炉、磁选机、有色金属分选机、气体冷却器等。各个子系统工作流程介绍如下：（1）前处理及供料系统生活垃圾用密封运输车运送进厂，称重后进入全封闭卸料大厅，到达绿色指示灯下卸料门区域，卸料门自动打开，运输车将垃圾倒入全封闭的垃圾坑内。垃圾行车抓斗将垃圾坑内未经破碎的垃圾抓入垃圾料斗内，通过输送设备将垃圾输送到垃圾破碎机内，破碎后的垃圾回到垃圾坑，垃圾行车抓斗对破碎后的垃圾进行搅拌，使垃圾得到均化。垃圾行车抓斗将搅拌后的破碎垃圾抓入破碎垃圾料斗内，破碎后的垃圾经过密封的双螺旋输送机定量的输送到气化炉中。（2）垃圾气化系统气化炉内部铺设有一定深度的石英砂，通过风机将全封闭的卸料大厅和垃圾坑中的垃圾臭气经过气化炉中部的散气管鼓入气化炉内，将炉内石英砂吹起成沸腾状态，启动时由热风炉加热空气将炉内石英砂加热至工作温度后，破碎后的垃圾喂入气化炉内，与500～550℃的高温、流动的石英砂充分接触，一部分垃圾通过燃烧向石英砂提供热量，维持气化炉内部温度，另一部分垃圾气化形成可燃性气体，送入水泥窑分解炉进一步焚烧。垃圾焚烧后产生的炉渣在重力作用下沉降到炉底，并随砂排出，石英砂通过砂循环装置进行循环利用，灰渣中的金属回收利用，剩下的灰渣作为水泥原料。在本过程中采用气化炉设备，耗用的空气量和产生的废气量小，避免对水泥窑生产运行的影响，实现设备小型化，减小布置空间，金属以游离态回收利用，散气管方式易于排渣。（3）灰渣处理系统气化炉内垃圾焚烧后的不燃物灰渣从炉底排出，采用水冷设备将温度从500℃降到300℃以下，经过磁选机分选出铁，再经过有色金属分选机分选出铝等有色金属，剩下的块状灰渣用作水泥生产的原料。（4）污水处理系统垃圾坑渗出的垃圾渗滤液主要成份是有机物，具有不耐热的特性，经过过滤后送入贮存槽，采用专用泵喷射到气化炉或水泥窑分解炉内，进行高温氧化处理，完全分解有机成分，实现无害化。针对垃圾含水率较高的地区，采用生物法处理污水，做到污水处理后达标排放。（5）除氯系统在垃圾气化过程中生成的二噁英，进入水泥窑分解炉内得到彻底分解。二噁英分解后的氯离子与分解炉内水泥原料分解生成的CaO反应形成稳定的2CaO•SiO2•CaCl2进入水泥窑内进行高温煅烧。在水泥窑窑尾烟室处设置除氯系统，抽取部分含氯粉尘气体，通过冷却系统急冷后用收尘设备回收粉尘，减小对水泥窑运行及产品质量的影响。2、技术核心装备—气化炉针对我国生活垃圾特点，气化炉的设计采用低空气比燃烧工艺，内部采用散气管、流化砂层结构，利用流化砂层的蓄热、传热功能，使生活垃圾在低温状态下能够稳定气化焚烧。利用气化炉焚烧温度相对较低（500～550℃）的优势，利用流化砂层对垃圾不断气化，一部分转换成可燃性气体从气化炉中导出送至水泥窑分解炉，一部分在炉内和流化砂层进行内循环，不需要其他热源即可达到气化炉内燃烧的稳定性。针对生活垃圾气化焚烧和入窑后无害化处理，CKK系统配套开发了破桥、防压实的垃圾防堵装置、垃圾供料装置、炉渣排出装置以及气体冷却和稀释冷却装置。3、垃圾处理系统与水泥窑接口技术的研究与开发采用CFD软件对喷旋管道式分解炉进行了数值模拟试验，对垃圾气体入口位置进行了模拟分析。为减小气化炉烟气进分解炉后对水泥窑系统工况的影响，对烟气进分解炉位置和角度进行了多次深入的分析研究和测试，包括运用计算机模拟分析，确定进分解炉烟气流速、烟气入口位置。根据上述研究，我们开发了一种水泥分解炉进气装置，其结构简单，且能将垃圾燃烧得到的可燃气化物输送至分解炉内的适当位置，既保证含有有害成份的垃圾可燃气化物在水泥窑分解炉中得到完全处理，又对分解炉设备的运行影响最小。通过对典型中心剖面温度云图分析表明：该位置对水泥窑生产运行影响最小，满足分解炉高温降解二噁英的要求，并发现垃圾低位热值高于850kcal/kg时，就能满足系统自身热平衡的要求。4、技术特点（1）对垃圾适应性强生活垃圾通过密闭垃圾车送入厂区，系统内设置一系列破碎、均化、计量、喂入设备，物流顺畅，处理彻底，能够顺利处理低热值的垃圾。（2）资源化程度高垃圾焚烧产生的热量可替代部分水泥窑燃料，采用分选设备分选出炉渣、金属，炉渣可替代部分水泥原料，游离态铁、铝等金属可分别回收。（3）处理流程简洁利用水泥窑烧成系统代替垃圾焚烧处理工艺的尾气净化系统，简化了处理流程，降低了相应投资。（4）对水泥窑生产无影响针对中国生活垃圾现状，采用气化炉技术，气化时空气消耗量小，产生废气量少，避免对水泥窑生产的影响。（5）高效处理二噁英水泥窑系统的分解炉内温度高达900℃左右，垃圾气化气体燃烧时间长达7秒以上，气化炉中产生的二噁英在分解炉中完全分解，再与高温、高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的水泥碱性物料充分接触，有利于吸收氯离子，控制氯源，避免二噁英类物质的二次生成。（6）有效控制恶臭垃圾坑和处理厂房采用全密封结构，且用通风机将垃圾坑内产生的垃圾臭气抽出送入气化炉内燃烧，使垃圾坑处于负压状态，避免了垃圾恶臭的扩散。另外，还配置了除臭机，当气化炉和水泥窑停止运行时，将垃圾坑内臭气抽出净化后排出，防止垃圾臭气的污染。（7）无害化处理污水垃圾坑渗出的垃圾渗滤液喷射到气化炉或水泥窑分解炉内进行高温氧化处理，完全分解有机成分，实现无害化。（8）安全固化重金属在垃圾气化过程中生成的二噁英，在水泥窑分解炉内进行有效分解。二噁英分解后的氯离子在预热器内被水泥生料充分吸收，形成稳定的2CaO•SiO2•CaCl2进入水泥窑内煅烧。在水泥窑窑尾烟室处设置除氯系统，抽取部分含氯粉尘气体，通过冷却系统急冷后用收尘设备回收粉尘，消除对水泥窑运行及产品质量的影响。三、技术认可情况2010年7月以来，项目通过开发已有7项发明专利授权，8项实用新型及1项外观设计授权，1项计算机软件著作权取得登记。2011年该项技术通过科技成果鉴定，达国际先进水平。项目开始实施后，获得全球可再生能源领域最具投资价值的十大领先技术“蓝天奖”提名奖，并先后获国家工程咨询成果、建材行业工程设计一等奖。2010年4月，首套示范线在安徽省铜陵市试运行；2012年11月，第二套垃圾处理系统在贵州省贵定县投运，两项目自投运后运行情况良好。目前在贵州省遵义市、贵州省清镇市、甘肃省平凉市、重庆市忠县、广东省阳春市、云南省保山市等地多个CKK项目正在建设，另有10余个项目正在计划实施中。四、环保及社会效益CKK项目为社会公益类项目，技术水平属世界首创、国际先进。我公司现阶段已建、在建和计划实施的近20个项目垃圾无害化处理总规模达6000t/d，年处理能力约200万吨，年节约土地资源约5000亩（垃圾堆高按10m计）。铜陵海螺利用水泥窑协同处理生活垃圾示范项目自2010年4月投产以来，已处理生活垃圾40多万吨，彻底解决了铜陵市74万人每天产生的生活垃圾问题。铜陵海螺利用水泥窑协同处理污泥处理系统自2011年9月投产以来，已处理污泥18000多吨，摆脱了污泥无害化处理难的困扰。垃圾焚烧过程中产生的二噁英类物质得到有效降解，德国EurofinsGfAGmbH实验室检测，二噁英排放浓度最高仅为0.0376ngTEQ/m3，优于GB30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》规定的限值：0.1ngTEQ/m3，没有二次污染，且建设投资小，占地少，体现了显著的社会、环境效益。五、水泥窑协同处置污泥技术1、概述污泥处理的主流工艺卫生填埋会占用大量土地资源，由于污泥中部分重金属含量接近或者超过了我国农用污泥中污染物控制标准，部分限制了污水处理厂污泥的农业应用。且国内生活污水和工业废水大多合并处理，使生活污泥的成分非常复杂，特别是重金属和持久性有机污染物的含量较高，堆肥的方法不能去除有毒有害物质容易造成二次污染。干燥的污泥是一种低热值的燃料，平均每吨污水污泥可产生16.65～20.93MJ的热量。污泥的处置与资源化的结合，必将成为城市污水污泥唯一的最终出路。2、主要技术方案2011年9月公司成功开发出污泥混烧处理系统，在安徽省铜陵市建成投运一套60t/d污泥处理系统，该系统旨在利用水泥工业新型干法窑处置城市生活垃圾的基础上混合焚烧处理生活污泥。针对县级城镇每天产生的污泥量不大的情况下，将脱水污泥送入CKK系统气化炉内与垃圾进行混烧。一般合适的混烧比例为污泥约占10～20%。工艺系统主要配置污泥料斗、污泥取出装置、污泥输送泵、污泥喂料装置及输送管道。当需要处理污泥量较大时，可将含水率80%左右的脱水污泥直接送入水泥窑尾烟室或分解炉内进行焚烧处理。技术上与上述混烧项目相应部分相同，不同的是通过输送管道将污泥输送至水泥窑尾烟室或分解炉内部进行焚烧处理，根据污泥处理