水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物的碳減排分析

芮文潔，趙旭紅，徐晟銘，湯留強(qiáng)，嵇 磊（溧陽中材環(huán)保有限公司，江蘇 溧陽 213363）

0 引言

水泥工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，然而在為社會(huì)進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，水泥的生產(chǎn)也消耗了大量的資源和能源，產(chǎn)生了大量的溫室氣體CO2。水泥行業(yè)二氧化碳的排放量?jī)H次于電力行業(yè)，位于全國(guó)第二，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國(guó)水泥產(chǎn)量23.16億t，年碳排放約11.4億t；水泥工業(yè)碳排放量占整個(gè)工業(yè)碳排放量的20%，占全國(guó)碳排放量的12%，約占人類活動(dòng)所產(chǎn)生二氧化碳總量的5%[1-2]。

在水泥生產(chǎn)過程中燃料產(chǎn)生的CO2占碳排放總量的40%，而采用產(chǎn)生CO2少的其它礦物燃料和生物質(zhì)燃料替代常規(guī)燃料（如煤碳和石油焦），其產(chǎn)生的CO2比煤的CO2排放強(qiáng)度小20%～25%[3]。因而利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物，如生活垃圾、污泥、危險(xiǎn)廢物等，可大幅度降低CO2的排放量，是水泥企業(yè)碳減排的一條重要技術(shù)途徑。其中，危險(xiǎn)廢物中有機(jī)質(zhì)含量通常在55%以上，在水泥窯中煅燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，焚燒后的殘?jiān)饕枪桎X無機(jī)鹽，可作為水泥生產(chǎn)需要的硅鋁質(zhì)原料，危險(xiǎn)廢物中的有機(jī)成分和無機(jī)成分均能得到充分利用，因此危險(xiǎn)廢物可用作水泥生產(chǎn)替代燃料。但由于危險(xiǎn)廢物中有害元素易超標(biāo)，導(dǎo)致危險(xiǎn)廢物替代水泥窯燃料存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

本文以溧陽某水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過分析危險(xiǎn)廢物燃料替代率，核算危險(xiǎn)廢物預(yù)處理過程、水泥生產(chǎn)過程及協(xié)同處置過程的CO2排放量，以實(shí)際案例分析進(jìn)一步明確利用水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物的減排效應(yīng)。

1 協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物工藝

溧陽危險(xiǎn)廢物項(xiàng)目根據(jù)危險(xiǎn)廢物液態(tài)及固態(tài)/半固態(tài)兩種不同形態(tài)，對(duì)其分別進(jìn)行預(yù)處理。經(jīng)預(yù)處理后的危險(xiǎn)廢物由汽車輸送至水泥廠接收倉(cāng)，根據(jù)不同形態(tài)分別進(jìn)窯頭投料點(diǎn)和分解爐投料點(diǎn)。工藝流程圖見圖1。

圖1 協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物工藝流程圖

2 燃料替代

危險(xiǎn)廢物作為傳統(tǒng)燃料的替代率受處置量的限制。據(jù)調(diào)查，該項(xiàng)目的水泥廠未處置危險(xiǎn)廢物時(shí)，用煤量638.4 t/d，實(shí)測(cè)平均熱值27.10 MJ/kg；根據(jù)2018年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，危險(xiǎn)廢物處置量為87.1 t/d，實(shí)測(cè)平均熱值9.76 MJ/kg通過熱值換算得到危險(xiǎn)廢物折合實(shí)煤比例為0.36，可得到替代率為4.9%，替代率公式[4]：替代率=被替代煤量/替代前用煤量。

同時(shí)，危險(xiǎn)廢物作為替代燃料具有一定風(fēng)險(xiǎn)性，其替代率也受水泥熟料中有害物質(zhì)含量的限制，而熟料中有害物質(zhì)的投入量取決于入窯危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料中有害物質(zhì)的含量。在危險(xiǎn)廢物替代率為4.9%的工況下，分別對(duì)入窯物料中氯、氟、硫以及重金屬進(jìn)行分析核算。

（1）氯（氟）元素。入窯物料中氯（氟）元素按式（1）計(jì)算：

式中，C—入窯物料中氟元素或氯元素的含量，%；Cw、Cf和Cr—危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料中的氟元素或氯元素含量，%；mw、mf和mr—單位時(shí)間內(nèi)危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料的投加量，t/d。

在溧陽項(xiàng)目中mw、mf和mr分別取值87.1，606.9，7 440t/d；氯（氟）、硫元素含量取值參照表1，計(jì)算可得入窯氯元素0.019%，氟元素0.0001%。

表1 有害元素取值

（2）硫元素。本項(xiàng)目?jī)H從分解爐高溫區(qū)投加危險(xiǎn)廢物，因此危險(xiǎn)廢物和配料系統(tǒng)投加硫的總量的計(jì)算如式（2）所示。

式中，S—硫的投加量，mg/kg；SW、Sf和Sr—危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料中的硫含量，%；mW、mf和mr—單位時(shí)間內(nèi)危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料的投加量，t/d；mcil為熟料產(chǎn)量，本文選取5000t/d。計(jì)算可得入窯單位熟料硫元素1 271mg/kg。

（3）重金屬。危險(xiǎn)廢物、煤粉、生料中的重金屬含量以及物料投加速率決定了入窯重金屬投加量，重金屬的單位熟料投加量（mg/kg）計(jì)算見式（3）。

根據(jù)《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》HJ 662—2013，入窯物料中氯元素含量不應(yīng)大于0.04%，氟元素含量不大于0.5%，從窯尾高溫區(qū)投加的硫的總含量不應(yīng)大于3000mg/kg，由上述計(jì)算可得，在危險(xiǎn)廢物替代率為4.9%的工況下，入窯的有害元素均在標(biāo)準(zhǔn)限值以下，該種工況可行。

表2 重金屬含量 mg/kg

3 碳排放計(jì)算

水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物，在實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物減量化的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了水泥熟料生產(chǎn)過程中燃料的替代，有效減少碳排放。以溧陽項(xiàng)目為實(shí)例，對(duì)水泥廠在生產(chǎn)過程中的碳排放進(jìn)行核算。

3.1 直接排放

直接排放主要分為碳酸鹽分解和燃料燃燒，其中碳酸鹽分解占熟料煅燒碳排放的60%。行業(yè)中通常按燒成熟料中的氧化鈣和氧化鎂計(jì)算生料中的碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2的排放量[5]，見公式（4）。

式中，M1—熟料質(zhì)量，t；Mckd—窯頭粉塵質(zhì)量，t；Mbpd—旁路放風(fēng)粉塵的質(zhì)量，t；m2—熟料中氧化鈣的比例，%；m3—熟料中不是來源于碳酸鹽分解氧化鈣的比例，%；m4—熟料中氧化鎂的比例，%；m5—熟料中不是來源于碳酸鹽分解氧化鎂的比例，%。

根據(jù)2018年生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，熟料年產(chǎn)量150萬t；窯頭粉塵質(zhì)量年產(chǎn)3.24萬t（108 t/d）；旁路放風(fēng)粉塵質(zhì)量年產(chǎn)3150 t（10.5 t/d）；熟料中氧化鈣、氧化鎂的比例分別是65.4%和1.6%。危險(xiǎn)廢物中能提供原料替代碳酸鈣碳酸鎂的成分比例較少，因此這部分減排效果不明顯，不進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

燃料燃燒是產(chǎn)生CO2的另一重要來源，燃料燃燒包括煤燃燒和替代燃料燃燒。根據(jù)2018年數(shù)據(jù)可知在不燒危險(xiǎn)廢物時(shí)，噸熟料標(biāo)煤耗為103.27 kg/t；燒危險(xiǎn)廢物時(shí)，噸熟料標(biāo)煤耗為101.95 kg/t。噸熟料標(biāo)煤耗下降1.32 kg/t，則處置危險(xiǎn)廢物年可節(jié)約標(biāo)煤1980t，可減排4 936.14 t的CO2。

3.2 間接排放

水泥熟料生產(chǎn)過程中間接排放主要來源電力消耗，其計(jì)算見公式（5）。

式中，R—熟料生產(chǎn)中的CO2排放量，t；Ei—熟料生產(chǎn)過程中電力消耗量，kWh；Eγ—水泥窯余熱發(fā)電的送電量，kWh；EF—全國(guó)電網(wǎng)平均排放因子，0.86 CO2/kWh。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，正常生產(chǎn)時(shí)噸熟料綜合電耗為58.19kWh/t，燒危險(xiǎn)廢物時(shí)噸熟料綜合電耗為56.02kWh/t。年產(chǎn)熟料150萬t，則可降低電耗325.5萬kWh，折合減少排放二氧化碳3245.24 t。

3.3 危險(xiǎn)廢物預(yù)處理碳排放

對(duì)危險(xiǎn)廢物預(yù)處理車間抓斗、破碎混合、除臭系統(tǒng)等進(jìn)行分項(xiàng)電耗計(jì)算，經(jīng)統(tǒng)計(jì)2018年危險(xiǎn)廢物預(yù)處理車間總電耗為319497 kWh，增加CO2的間接排放318.54 t。

3.4 危險(xiǎn)廢物焚燒產(chǎn)生的碳排放

水泥窯協(xié)同處置過程中會(huì)有部分CO2排放，根據(jù)IPCC國(guó)家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理辦法，借鑒固體廢物焚燒方法的計(jì)算公式[6]：

式中，MSW—廢棄物的處置量，t；CCW—廢棄物中碳含量比例，%；FCF—廢棄物中礦物碳比例，%；EF—完全燃燒效率，%。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，年處置危險(xiǎn)廢物2.06萬t，采用ICPP指南中推薦的下限值，即關(guān)鍵排放因子CCW、FCF、EF分別取33%，30%，95%，CO2的排放量為1928.03 t。

生產(chǎn)過程中涉及碳排放的環(huán)節(jié)整理見表3。

表3 協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物的碳排放量 t

危險(xiǎn)廢物中部分含有較高的熱值，例如廢有機(jī)溶劑，在協(xié)同處置的過程中，熱量貢獻(xiàn)給熟料燒成過程，減少了水泥窯自身燃料用煤。由表2可得，相較于預(yù)處理車間的電耗以及協(xié)同處置過程中危險(xiǎn)廢物焚燒產(chǎn)生的碳排放，煤耗降低帶來的碳減排作用更為明顯，在處置危險(xiǎn)廢物的過程中，年減排CO25 934.81t，折合1t危廢可減排0.288t二氧化碳。

4 結(jié)語

以溧陽項(xiàng)目為工程實(shí)例，通過對(duì)危險(xiǎn)廢物作為傳統(tǒng)燃料替代率以及在該替代率下入窯原料有害元素的核算，可確保在4.9%的替代率工況下，滿足入窯有害元素限值要求，符合投料標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)水泥窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物各個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放核算，可得到在4.9%的燃料替代率工況下，每噸危廢可有效減排0.288t二氧化碳。

利用水泥窯系統(tǒng)處置危險(xiǎn)廢物不僅充分利用了危險(xiǎn)廢物中的有效成分，替代燃料減排CO2，同時(shí)也可推動(dòng)當(dāng)?shù)匮h(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境質(zhì)量，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。