用可燃廢棄物替代燒成燃料減排二氧化碳效果分析

□□何宏濤，鄒海峰

用可燃廢棄物替代燒成燃料減排二氧化碳效果分析

□□何宏濤，鄒海峰

用可燃廢棄物替代燒成燃料煤煅燒水泥熟料，可有效減排二氧化碳。本文首先介紹了可替代燒成燃料排放二氧化碳的計算方法，然后重點分析了用可燃性工業(yè)廢棄物和城市生活垃圾替代燒成燃料減排二氧化碳的效果，并對利用水泥回轉窯直接焚燒垃圾和在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾兩種方式減少CO2排放的效果進行了比較。關鍵詞：可燃廢棄物；替代燒成燃料；減排二氧化碳

1 前言

2005年2月16日《京都議定書》正式生效，清潔發(fā)展機制 （簡稱CDM）作為三個靈活履約機制之一被正式確定。CDM市場潛力巨大，根據有關專家估算，發(fā)達國家為完成其在《京都議定書》下的承諾，在2008～2012年的5年時間里，每年將需要通過CDM項目向發(fā)展中國家購買約2～4億噸CO2當量的溫室氣體，我國將是開發(fā)CDM項目潛力最大的國家之一。水泥工業(yè)溫室氣體排放的一個顯著特點是它不僅排放燃料燃燒產生的CO2，還排放原料中石灰石的主要成分碳酸鈣分解產生的CO2以及原料中碳酸鎂分解產生的CO2，因此受到政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別關注,水泥工業(yè)也因此成為我國開發(fā)CDM項目的主要工業(yè)部門。

用可燃性廢棄物替代燒成燃料煤煅燒水泥熟料，可有效減排二氧化碳?？扇夹詮U棄物主要有工業(yè)廢棄物和城市生活垃圾兩種[1]。其主要減排原理有三個：（1）在提供同樣熱量的情況下，因為可燃性廢棄物中含有碳的總量少于煤，故由可燃性廢棄物燃燒排出的CO2總量也少于煤。（2）與廢棄物焚燒處理方式相比，利用水泥窯焚燒可燃性廢棄物的熱量利用率更高。（3）利用水泥窯處置可燃性危險廢棄物可減少輔助燃料的消耗。

2 可替代燒成燃料排放二氧化碳計算

水泥工業(yè)越來越多地使用各種可替代燃料，這些可替代燃料主要來源于可燃性廢棄物。如果不用作可替代燃料，就必須采用其他處置方式，通常采用衛(wèi)生填埋和焚燒兩種方式?？商娲剂习◤U輪胎、廢油、廢塑料等化石燃料以及廢木材和污泥等生物質燃料?？商娲剂峡勺鳛榛剂系囊环N替代品。

2.1 生物質燃料排放二氧化碳

計算生物質燃料排放CO2的方法是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應的燃料排放因子的計算。其中，燃料消耗和燃料的低位熱值在工廠都是可以測定的。對于排放因子，可以參考世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會（WBCSD）編制的“燃料CO2排放因子缺省值”。各種生物質燃料每GJ低位熱值的排放因子列表如表1。

2.2 從可替代化石燃料排放的二氧化碳

計算可替代化石燃料排放CO2的方法是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應的燃料排放因子的計算。其中，燃料消耗和燃料的低位熱值在工廠都是可以測定的。對于排放因子，可以參考世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會（WBCSD）編制的“燃料CO2排放因子缺省值”。各種可替代化石燃料每GJ低位熱值的排放因子列表如表2。

從世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)理事會（WBCSD）編制的“水泥工業(yè)二氧化碳計算和報道標準”（CO2Accounting and Reporting Standard for the Cement Industry）[2]內容得知：因生物質燃料自身的特殊性，從生物質燃料（包括生物質廢物）燃燒直接排放的CO2不計入排放總量中。從可替代化石燃料燃燒直接排放的CO2應計入直接CO2排放總量中，CO2排放因子主要取決于可替代化石燃料的類型，因此各工廠可以建立自己的燃料排放因子清單。當工廠缺乏這些數據時，可以使用以上表格提供的缺省排放因子，這些是CSI通過測量和估算再匯總出來的。

對于一些如用過的輪胎和鋸灰等可替代化石燃料,他們既含有化石碳又含有生物質碳，在計算合理的排放因子時，應考慮化石碳在燃料中整個碳含量的份額比例。然而，這個份額的測量非常困難且昂貴，對于一些燃料是經常變化的。因此，在計算時，可采用保守的方法，即假設這些燃料中，化石碳占100%。

3 用可燃性工業(yè)廢棄物替代燒成燃料減排二氧化碳效果分析

3.1 國外國內用可燃性工業(yè)廢棄物替代燒成燃料的現狀及趨勢

工業(yè)廢棄物主要是指在工業(yè)生產過程中產生的廢棄物，如食品工業(yè)、造紙印刷工業(yè)、紡織印染工業(yè)、皮革工業(yè)、石油精煉工業(yè)、橡膠及塑料制品工業(yè)、家具工業(yè)等產生的廢輪胎、廢油脂、廢油墨、廢塑料、廢溶劑等，這些廢棄物具有較高的熱值，在水泥生產過程中，可以替代部分燒成燃料煅燒水泥熟料。

工業(yè)廢棄物用作水泥窯煅燒燃料已成為當今世界水泥工業(yè)發(fā)展的趨勢。目前世界上至少有100多家水泥廠用可燃廢棄物代替燒成燃料。這些可燃廢棄物又被稱為“二次燃料”。現在法國Lafarge公司利用可燃廢棄物代替礦物質燃料的代替率達55%左右；瑞士HOLCIM在比利時的濕法水泥廠中代替率達80%；設在德國的Lengfurt水泥廠2000年代替率達到40%左右，另一家立波爾窯生產線代替率達60%。丹麥FLS公司成立了專門把工業(yè)副產品和城市廢棄物加工成適合水泥工業(yè)代替燃料的加工廠，2001年生產3萬噸代替燃料，全部供給了FLS公司的阿爾堡水泥廠。根據有關方面對近年歐州部分水泥廠的調查，實施二次燃料利用的水泥廠其燃料代替率通常在20%～40%之間。目前中歐及北歐的德國、法國、瑞士、比利時、瑞典、奧地利等國家，其按全國熟料熱耗計算，二次燃料的代替率已達到了 30%～40%，荷蘭在1999年就達到了72%。近年來，這種替代率進一步上升。日本水泥工業(yè)對二次燃料的利用也相當活躍，而且具有面廣和量多的特點，美國的水泥工業(yè)利用二次燃料的工作也有很大進展。在利用工業(yè)廢棄物用作燃料方面，德國一直走在世界前列，2002年德國煅燒熟料所用一次燃料替代量超過33%，并計劃每年增加5%，個別水泥公司已接近80%。在2001年，德國用工業(yè)廢棄物作二次燃料的總量已達到了127萬噸，平均噸水泥利用43kg可燃廢棄物。

我國工業(yè)廢棄物作水泥窯煅燒燃料起步較晚，目前工業(yè)危險廢棄物用作燃料也僅在個別大城市水泥廠用，上海萬安實業(yè)總公司1996年開始該項工作，曾處理過二十多家企業(yè)產生的危險廢物，2000年處理危險廢物4000t，2001年達到5500t。北京水泥廠用2000t／d熟料生產線的水泥窯年處理1萬噸危險廢棄物，2006年上半年北京水泥廠用3000t／d生產線的水泥窯處理了2萬多噸危險廢棄物。我國水泥工業(yè)用工業(yè)廢棄物作二次燃料的量非常小，與國外先進水平差距很大。2003年用作二次燃料的量在10萬噸左右，平均噸水泥利用0.1kg。水泥工業(yè)可燃性廢棄物利用情況見表3。

隨著水泥工業(yè)處置廢棄物的技術發(fā)展和國家資源、能源及環(huán)保政策的不斷提升，為解決工業(yè)廢棄物的堆放處置等環(huán)境問題和更好地解決水泥工業(yè)能源利用問題，今后我國水泥工業(yè)可燃性廢棄物的利用率會不斷提高。

表3 水泥工業(yè)可燃性廢棄物利用情況[3]

表4 實施替代燃料前后CO2排放對比

3.2 用可燃性工業(yè)廢棄物替代燒成燃料減排二氧化碳的效果

根據水泥熟料煅燒工藝及設備分析，因機立窯煅燒特性導致廢物起火、初期燃燒不良和VOC及POPs排放超標，故機立窯不能利用可燃性工業(yè)廢棄物。在工業(yè)廢棄物作為燃料的應用中，預分解窯工藝更具優(yōu)勢。一些塊狀或粒狀的廢棄物（燃料），可直接投入預熱器分解爐系統(tǒng)的高溫部位，然后入窯煅燒。此類廢棄物有廢輪胎、木柴、廢塑料等。一些可以磨制成粉狀或液體的工業(yè)廢棄燃料，如石油焦、廢機油、廢溶劑等，均能通過特殊設計的燃燒器在分解爐和回轉窯內燃燒。對于不能和大氣直接接觸的有毒有害液態(tài)廢棄物，可密閉在容器內，經噴射裝置噴入窯內煅燒。

用可燃性工業(yè)廢棄物替代水泥工業(yè)用傳統(tǒng)的礦物質燃料，可一定程度上減少燒成用燃料煤，從而減少CO2的排放。

下面以1000t／d、2000t／d、5000t／d三種常見規(guī)模為例對燃料替代前后CO2的排放變化進行估算，其中，一次燃料替代率按15%計算，熟料燒成熱耗按國內各規(guī)模平均熱耗計算，煤的低位熱值為23000kJ／kg，每噸煤產生2.38噸CO2。對于可替代燃料CO2排放計算，由上第2節(jié)可知，從生物質燃料燃燒直接排放的CO2不計入排放總量中，設可替代化石燃料提供能量占50%，根據我國水泥行業(yè)和可替代燃料組成的實際情況，可替代燃料的排放因子取值為80kgCO2／GJ。具體計算見表4。

從表4可看出，用可燃性工業(yè)廢棄物替代燒成燃料煤，單條1000t／d生產線年減排0.93萬噸CO2，單條2000t／d生產線年減排 1.98萬噸CO2，單條 5000t／d生產線年減排4.65萬噸CO2，減排比例約為9.3%,減少CO2排放的效果比較明顯。

按2008年預分解窯的熟料總產能約6億噸進行減排總量分析，熟料燒成熱耗取3260kJ／kg，一次燃料替代率為15%，如熟料總產能30%的生產線采用可燃性工業(yè)廢棄物，則每年減排CO2量為：60000×30%×（0.338－0.307）=558萬噸。

4 用城市生活垃圾替代燒成燃料減排二氧化碳效果分析

我國城市生活垃圾年產生量已達1.5億噸，年增長率達9%，少數城市已達到15%～20%。這些數量龐大的生活垃圾嚴重污染著城市及城市周圍的生態(tài)環(huán)境 ，給國民經濟造成重大損失。如何處理和利用城市生活垃圾成為世界各國十分重視的問題。先進國家對垃圾的處理經驗說明，焚燒垃圾利用其熱能或物質是目前使垃圾減量化、無害化和資源化的有效途徑。采用焚燒的方法利用垃圾熱量或物質一般有兩種方式，一種是焚燒垃圾發(fā)電，另一種是現有工業(yè)部門把垃圾作為替代燃料或利用其物質。從熱量替代率、適應性、處理成本、經濟性等來綜合比較，后一種方式更加先進合理。其中，水泥工業(yè)處理城市生活垃圾最具優(yōu)勢。

首先簡單分析一下我國城市生活垃圾的性質。我國城市生活垃圾主要由廚余、紙、塑料、橡膠、衣物、木竹、落葉、玻璃、金屬及灰渣組成，含有一定的熱量。我國主要城市生活垃圾熱值見表5，我國部分城市生活垃圾工業(yè)分析見表6。

由表5和表6分析得出，我國城市生活垃圾的熱值、水分、灰分分別在5000 kJ／kg、48%、25%左右，與先進國家生活垃圾相比，我國城市生活垃圾明顯存在熱值低、水分高和灰分高的特征。

元素分析是用化學方法測定去掉外部水分的垃圾中主要組分的含量。對于焚燒處理，主要元素為碳、氫、氧、氮、硫、氯。常見城市生活垃圾干燥基的主要成分的元素分析見表7所示。

水泥工業(yè)有利用城市生活垃圾熱量和物質的基本條件，水泥窯直接焚燒垃圾也得到各國的重視。用水泥窯焚燒固體廢棄物，在國外早已開展，最初是基于利用廢棄物的熱量，以降低水泥生產成本，后來出于環(huán)保的要求而進行。焚燒物有輪胎、橡膠、塑料、皮革等,其中水泥工業(yè)處理城市生活垃圾有兩種方式：（1）垃圾直接入水泥回轉窯焚燒。垃圾焚燒的熱量被水泥熟料燒成利用，灰渣直接用作生產水泥熟料的原料，但是其處理方式要求垃圾的熱值高、水分低，而且處理量小，對于熱值低、水分高的城市生活垃圾往往經過預處理制成衍生燃料，過程較復雜。該方式的技術可行，在國內暫無應用實例。（2）在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)來處理原生城市生活垃圾。該工藝技術和關鍵設備，合肥水泥研究設計院已申請了一項發(fā)明專利(已通過初審)和兩項實用新型專利（已取得授權）。該技術采用水泥生產中冷卻水泥熟料的熱空氣作為城市生活垃圾焚燒的燃燒空氣，垃圾在回轉式焚燒爐焚燒后的熱煙氣引進水泥窯尾系統(tǒng)為水泥生料分解提供熱量，垃圾焚燒后的灰渣作為水泥混合材或直接進入水泥回轉窯作為生產水泥熟料的原料。該方式可有效適應我國原生城市生活垃圾水分高、灰分高、熱值低的特點，在四川廣元天臺水泥廠試用中取得了成功。下面從這兩種處理方式分別分析CO2的減排效果。

4.1 垃圾直接入水泥回轉窯焚燒方式的CO2減排

因垃圾焚燒的熱量被水泥熟料燒成利用，相當于減少了燒成熟料用燃料煤，從而減少CO2的排放。下面以1000t／d、2000t／d、5000t／d三種常見規(guī)模為例，對利用水泥回轉窯直接焚燒垃圾的CO2的減排情況進行估算。熟料燒成熱耗按平均熱耗計算，一次燃料實際替代率按7%計算，煤的低位熱值為23000kJ／kg, 每噸煤產生2.38噸CO2，由此可計算出生產噸熟料用煤排放CO2的量。在焚燒垃圾時，CO2排放包括煤燃燒排放和垃圾焚燒排放，其中，根據上面所述，從生物質燃料燃燒直接排放的CO2不計入排放總量中。以1000t／d生產線規(guī)模為例進行分析計算，生活垃圾的熱值取5000kJ／kg，垃圾水分Mad取48%，垃圾對煤的同熱量有效替代率約80%[4]（已考慮垃圾水分對燒成熱耗的影響），為便于計算，結合表7的數據，生活垃圾干燥基化石燃料含量取30%，碳元素含量取50%。生產噸熟料需要收到基垃圾量Qar＝（23000× 142×7%）÷(5000×80%)＝57.16kg, 干燥基垃圾量Qd＝Qar(100－Mad)／100＝29.72kg，干燥基垃圾中化石燃料的含碳量Cd＝29.72×30%×50%＝4.46kg,由化學方程式C＋O2＝CO2可計算，垃圾中化石燃料排放16.35kgCO2。具體計算見表8。

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從表8可看出，利用水泥回轉窯直接焚燒垃圾可替代部分燒成燃料煤，單條1000t／d生產線年減排0.24萬噸CO2，單條2000t／d生產線年減排0.48萬噸CO2，單條5000t／d生產線年減排1.05萬噸CO2，減排比例平均約為2.3%,減少CO2排放的效果不明顯。

4.2 在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾方式的CO2減排

對于該垃圾處理方式，垃圾在回轉式焚燒爐焚燒后的熱煙氣引進水泥窯尾系統(tǒng)為水泥生料分解提供熱量，相當于減少了分解爐用燃料煤，從而減少CO2的排放。下面以1000t／d、2000t／d、5000t／d三種常見規(guī)模為例，對在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾的CO2的減排情況進行估算，按照垃圾焚燒熱能利用的理論計算。該方式的一次燃料實際替代率正常在20%左右，設定一次燃料實際替代率為20%，生活垃圾的熱值取5000kJ／kg，另外，熟料燒成熱耗按平均熱耗計算，煤的低位熱值為23000kJ／kg，每噸煤產生2.38噸CO2,其他同4.1節(jié)參數和計算方法，具體計算結果見表9。

從表9可看出，在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾方式，生活垃圾可替代部分燒成燃料煤，減排比例平均約為6.4%,減少CO2排放的效果比較明顯。由表8和表9比較分析，采用水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾的方式比利用水泥回轉窯直接焚燒垃圾的方式減排效果明顯。

如采用該處理方式，按2008年預分解窯的熟料總產能約6億噸進行減排總量分析，熟料燒成熱耗取3260kJ／kg，燒成燃料替代率取20%，如熟料總產能20%的生產線采用該方式，則每年減排CO2量為：60000× 20%×（0.338－0.317）＝252萬噸，年焚燒垃圾量約為1960萬噸。

5 結語

（1）用可燃性廢棄物替代燒成燃料煤煅燒水泥熟料，可有效減排二氧化碳，可燃性廢棄物主要有工業(yè)廢棄物和城市生活垃圾兩種。

（2）可替代燃料包括廢輪胎、廢油、廢塑料等化石燃料以及廢木材和污泥等生物質燃料。計算該化石燃料和生物質燃料排放CO2的方法是基于燃料消耗、燃料的低位熱值和相應的燃料排放因子的計算。

（3）用可燃性工業(yè)廢棄物替代燒成燃料煤，CO2減排比例約為9.3%,減少CO2排放的效果較明顯。

（4）利用水泥回轉窯直接焚燒垃圾可替代部分燒成燃料煤，一次燃料實際替代率按7%計算，減排CO2比例約為2.3%,減少CO2排放的效果不明顯。在水泥回轉窯旁設置垃圾焚燒系統(tǒng)處理垃圾方式，一次燃料實際替代率按20%計算，減排CO2比例約為6.4%,其減排效果比直接處理明顯。

[1]何宏濤,袁文獻.水泥生產中減排二氧化碳措施和效果分析[J].中國水泥，2005，3.

[2]CSI.CO2Accounting and Reporting Standard forthe CementIndustry.WBCSD.2005，6.

[3]曾學敏.水泥工業(yè)能源消耗現狀與節(jié)能潛力[C].2006中國國際水泥峰會論文集.

[4]何宏濤,袁文獻,毛志偉.城市生活垃圾熱能利用分析[J].水泥，2005,9.

Results Analysis on Carbon Dioxide Reduction by Using Waste Fuel

HE Hong－tao,ZOU Hai－feng
(Hefei Cement Research and Design Institute,Hefei,Anhui,230051)

Carbon dioxide can be reduced effectively by using waste fuel to burning cement clinker.The author first introduced the design method for carbon dioxide reduction by using waste fuel, then gave results analysis on carbon dioxide reduction.Comparison is made also by the author on directly incinerate living wastes, or setting waste incineration system on the side of cement rotary kiln.

Combustible waste;Alternative fuel; Carbon dioxide reduction

book=33,ebook=7

TQ172.44

A

1001－6171（2010）04－0033－05

??肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051；

2009－11－18； 編輯：趙 蓮