2013-06-04 11:16:44 来源:水泥人网

水泥回转窑处理工业(生活)垃圾技术研究

水泥人网】当前国民经济飞速发展,工业及生活垃圾的产生量迅速增加。工业(生活)垃圾的处理技术是国内外非常热门的研究开发领域,并将成为一个市场潜力巨大的产业。传统的垃圾处理方法是填埋,这样既占用了宝贵的土地资源,又污染了地下水。垃圾的焚烧对城市生活垃圾的处理不失为一种行之有效的措施,但它对有毒工业垃圾的处理并不能显现出任何优越性。相反由于垃圾焚烧炉的焚烧温度低(大多低于1500℃),很多有毒成分尚没有完全分解,而中低温度范围的垃圾在焚烧过程中会产生另外一种有毒成分——二恶英,这在大量应用焚烧炉处理生活垃圾的西方发达国家已经成为公众瞩目的焦点问题。大量的研究和实践表明,水泥回转窑燃烧温度高,物料在窑炉系统内的停留时间长,又处在负压状态下运行,工况稳定,不向外界排放废渣,因而对各种有毒性、易燃性、腐蚀性、反应性的有毒废弃物(包括固态、液态及气态)具有很好的降解作用,既不会污染空气,又不向外界排出废渣,其焚烧物中的残渣和绝大多数重金属都被固化在水泥熟料中,不会对环境产生二次污染,此课题的研究开发具有巨大的社会和经济效益。

1国内外概况

早在20世纪70年代发达国家就已开始采用水泥窑处置危险废弃物,如美国、德国、加拿大、日本、丹麦、奥地利、瑞士等。以美国为例,已有几十家水泥厂将危险废弃物作为替代燃料在水泥窑上进行焚烧处置,其替代量一般在20%~60%。目前欧洲的个别水泥厂替代率可达80%以上。

 韩国、巴西、墨西哥及我国的台湾省等工业并不是很发达的国家和地区,利用水泥回转窑处理可燃工业垃圾,替代传统化石燃料的比例也相当高。甚至在一些发展中国家,如印度尼西亚、泰国、摩洛哥、巴基斯坦及印度等国家也有相当数量的处理包括各种危险废弃物的水泥厂在运转。

美国及德国国家环境保护局对水泥回转窑的监测结果表明,水泥回转窑使用危险废弃物为替代燃料,不仅对环境没有危害,而且被列为现有最佳示范技术。根据日本麻省水泥株式会社的一份资料显示,日本在水泥窑上处置工业危险废弃物具有面广、量多的特点,目前已能处置包括生活污泥在内的多种危险废弃物。

国外利用水泥回转窑处理各种有毒有害废弃物有以下几种方式:一是从窑尾上升烟道喂入窑内;二是将废料加入窑尾预分解炉;三是直接从回转窑中部加入窑内;四是从窑头罩投入窑内;五是通过主燃烧器喷入窑内。从窑尾和窑中部喂入的方法相对较简单,对废料的预处理要求并不是很高。相对来说从窑头主燃烧器喷入窑内的方式,对废料的预处理系统要求较高。从窑头和窑尾喂入方式各有优缺点,窑头喂入对有害气体的焚烧率最高,从窑尾喂入固体物料在窑内的停留时间最长。

 国外利用水泥回转窑处理废弃物有非常严格的监测手段,主要监测废气中二恶英、硫的氧化物和氮的氧化物的排放量。另外还需对水泥熟料中重金属含量进行严格限制。

目前我国对危险废弃物的利用和处置水平较低。90年代中期开始建设利用焚烧生活垃圾来发电的垃圾站,很多城市都提出了建设垃圾电站的建议,并有相当数量的垃圾电站投入运营。目前建设一座日处理量1000t的垃圾电站投资大约在6-7亿元人民币,常规的垃圾焚烧炉由于焚烧温度低,有毒气体在炉内停留时间短,很容易造成不完全燃烧而产生二恶英,需要增加特别的废气净化装置,另外焚烧后的废渣还需特别处理。国家计委明确表明,严禁建设日处理300t以下的生活垃圾焚烧电站。国内的水泥企业,如上海建材集团、北京建材集团下属的几个水泥厂,首先进行了尝试,直接在水泥回转窑上进行了一系列的试验工作,取得非常有意义的试验结果并积累了宝贵的经验。但要仅仅靠小规模的试验,并不能形成向欧美发达国家那样大规模连续化的处理能力。为此南京水泥工业设计研究院从1999年开始正式立项、投资,对利用水泥回转窑处理可燃工业(生活)垃圾技术进行了较全面深入的探索和研究。一方面从工程角度进行开发,另一方面从机理上对废弃物的燃烧、有害气体的排放及对水泥熟料产质量的影响进行研究。2001年南京院与上海开能新技术有限公司合作,在广东东莞完成了利用回转窑焚烧废塑料及废皮革发电项目的设计和建设工作,该项目预计2003年初投入运行。

2主要研究、开发及试验工作内容

由于我国的工业垃圾种类繁多,分布散乱,工业垃圾的收集处理及与之相关的现代物流系统极不健全,不象欧美发达国家那样有比较完善的收集、加工处理及运输系统,因而目前本课题所作的工作主要限于可燃工业垃圾,如废旧塑料包装材料、皮革、化纤、汽车轮胎、树脂、溶剂、造纸黑液、城市污水处理厂污泥、废木块及一些有毒有害难以处理的工业固体及液体废弃物等。通过前期调研分析,在工业化比较发达的珠江、长江三角洲地区,存在大量废弃塑料及皮革制品的下脚料,堆积如山。另外我国的大中城市的污水处理厂剩余的污泥等,是最适合利用水泥回转窑进行规模化处理的工业可燃垃圾。随着我国汽车保有量的增加,废旧汽车轮胎数量越来越多,本课题的重点将集中在这三类工业垃圾上。

 废旧塑料及皮革制品的下脚料,由于其形状不规则体积较大,水泥回转窑要利用这些废料,根据在水泥生产过程中不同地点,而需对此进行适当的加工处理。如果将废料喂入窑尾上升烟道,根据不同规格窑的长度和转速,废料的粒度最大可达500mm以上。如果废料是从窑头主燃烧设备喷入烧成带,这样废料的粒度最大只能到20mm,否则将会引起燃烧设备的堵塞,而且还会导致烧成带火焰过长,产生不完全燃烧,熟料烧失量增加,影响熟料质量。利用废塑料和废皮革作替代燃料,主要控制废塑料中氯化物含量,氯元素含量过高会导致窑尾上升烟道,预热器及分解炉内结皮堵塞。氯化物的存在可能会产生二恶英和呋喃排放量超标。

污水处理厂剩余的污泥,虽经过机械脱水处理,由于在处理污水过程中添加了大量的絮凝剂,污泥中仍含有大约50%~80%的结晶水泥。每公斤干基污泥中含有30%~60%的可燃挥发物,干基污泥的热值大约在10450~15884kJ/kg之间。因而对污泥的综合利用一般是先将污泥经过烘干机进行烘干成球,粒度控制在0~5mm,结晶水含量控制在20%以下,然后从窑头主燃烧器中喷入窑内。污泥中重金属含量比较高,用污泥替代燃料的比率主要根据熟料中重金属含量来决定。

汽车轮胎是由天然或合成橡胶经硫化加工处理,然后加金属丝及尼龙线成型制成。无论是天然橡胶还是合成橡胶都是一种由碳氢元素组成的高分子化合物,碳氢高分子化合物一般都有较高的发热量。汽车轮胎中的硫含量低于石油焦,氯含量低于烟煤,热值高于烟煤与石油焦相当。利用低成本的废轮胎作为水泥回转窑替代燃料,是非常适合的。利用汽车轮胎作为替代燃料煅烧水泥,基本上有两种方法。一是将轮胎用切碎机切割成碎块,粒度较小的一部分(一般< 20mm)可以从窑头燃烧器喷入窑内,较大块的碎片从窑尾烟室加入窑内。另一种方法是将整只轮胎从窑尾烟室或窑中加入窑内。对窑速较慢的湿法长窑一般都是从窑中采用特殊设计的装置加入生料分解带,对干法预热器窑一般都是将轮胎加入窑尾烟室。具体到某种窑型采用哪种方式主要取决于轮胎在窑内燃烧速度及停留时间。

对于上述比较典型的替代燃料的利用,首先应对以下工作进行开发研究:

(1)废塑料及皮革制品燃料预处理技术、工艺及装备的开发。

 (2)污泥烘干成球工艺及设备的开发研究。

(3)废旧汽车轮胎的破碎及喂入技术及设备。

 (4)上述三类工业垃圾燃烧特性及专用燃烧设备的研究。

(5)上述三类工业垃圾的高温热解特征及对水泥熟料的产质量影响的研究。

 (6)垃圾燃烧废气对水泥生产工艺,尤其是对窑尾预热器、上升烟道及分解炉内结皮堵塞的影响程度的研究。

3经济效益及社会效益

下面以某新型干法窑利用废塑料和废皮革的混合物作替代燃料为例,进行简单的经济效益分析。

(1)基本数据

  产量:4800t/d

熟料热耗:3051kJ/kg

烟煤:热值22990kJ/kg

二次燃料热值:29260kJ/kg

烟煤价格:300元/t

二次燃料价格:50元/t(仅限加工处理费用及运费)。

(2)二次燃料加工处理系统及窑头和窑尾改造投资

日处理200t二次燃料处理系统(包括破碎、输送及储存等)1000万元;

窑头窑尾技术改造(包括二次燃料储存、输送及燃烧系统等)800万元。

 (3)二次燃料替代率

 根据欧美发达国家水泥厂平均替代率取30%(包括窑头和窑尾)。

全用烟煤烧煤量:26545kg/h

少用烟煤量:7964kg/h

 二次燃料应用量:6257kg/h

 (4)经济效益

节省烟煤价值:2389元/h

二次燃料价值:313元/h

净节省燃料价格:2076元/h

每年净节省燃料费用:1494.72万元/a

项目投资:1800万元

 投资回报期:1.2042a

从上述简单分析可以看出,仅依靠替代烟煤带来的燃料节省差价,就可以在大约在14个月内,收回新增设备及对生产线作简单改造的投资。目前,国内水泥企业大多效益不好,基本上处于亏损或微利状态,其主要原因是由于成本过高及高额的税收。如果厂家能够利用一部分工业(生活)垃圾,降低燃料的成本,同时国家在税收上又给予优惠或免税,那么企业的经济效益将会大幅度提高。国内有很多水泥厂家希望利用此技术来改善企业的经营状况,对我国水泥新技术开发,国民经济的可持续性发展具有重要意义,同时也具有非常高的经济效益和社会效益。

 

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