水泥窯協(xié)同處置工業(yè)固體廢物的研究進(jìn)展*

馬名妍，張澤新，李其彥，孫 艷，魏 薇，李英華

(吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

工業(yè)固體廢物是指工業(yè)生產(chǎn)活動所產(chǎn)生的固體廢物。根據(jù)對環(huán)境和人類生命的破壞程度，工業(yè)固體廢物分為一般工業(yè)固體廢物和危險廢物[1]。工業(yè)固體廢物具有長久性、持久性以及易于轉(zhuǎn)化為污染物的特點(diǎn)，會通過某種途徑對水、空氣、土壤以及生態(tài)環(huán)境造成破壞，從而對人類造成危害。而伴隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，工業(yè)固體廢物的產(chǎn)生量和種類日益增多，因此需要對工業(yè)固體廢物進(jìn)行合理的處理和處置。近年來，相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，減少工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量的同時，綜合利用率也在持續(xù)增加。2019年，我國196個大、中城市一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量達(dá)13.8億噸，綜合利用量占總量的55.9%；危險廢物產(chǎn)生量達(dá)4498.9萬噸，綜合利用量占總量的47.2%，但是距離國家“十四五”大宗固體廢物的綜合利用率達(dá)到60%的目標(biāo)還有一定的距離。所以，我國亟需加大投入，加強(qiáng)管理，持續(xù)推進(jìn)工業(yè)固體廢物的無害化，資源化和減量化。

1 工業(yè)固體廢物的處理處置現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來，西方許多發(fā)達(dá)國家的環(huán)保產(chǎn)業(yè)逐步興起。在工業(yè)固體廢物處理處置方面，經(jīng)過近40年的理論研究和大量的實踐得到很大的發(fā)展，對我國當(dāng)前工業(yè)固體廢物處理處置產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、環(huán)境管理質(zhì)量的提高起到了很好的借鑒作用[2]。

1.1 工業(yè)固體廢物的主要處理技術(shù)

根據(jù)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量及物質(zhì)流分析結(jié)果，我國對工業(yè)固體廢物進(jìn)行分類別處理[3]：

(1)物理處理技術(shù)：主要包括揀選、浮選、重選、磁選、摩擦以及彈跳分選等分離技術(shù)，對固體廢物進(jìn)行物理方法的處理。

(2)化學(xué)處理技術(shù)：主要用來處理無機(jī)廢棄物，如酸、堿、氰化物、乳化油以及重金屬廢液等，通過使用化學(xué)中和、氧化還原等化學(xué)手段對工業(yè)固體廢物進(jìn)行處理。

(3)固化穩(wěn)定化技術(shù)：主要用于處理不適合焚化或無機(jī)處置的廢物。為了實現(xiàn)減少固體廢物的毒性和運(yùn)輸?shù)哪繕?biāo)，一般將固體廢物包封或固定在惰性固體基質(zhì)中，以降低包含來自固體廢物的所有污染物的危害。

1.2 工業(yè)固體廢物的主要處置技術(shù)

固體廢物處置技術(shù)解決的是固體廢物的最終性質(zhì)問題，也是控制固體廢物污染的最終環(huán)節(jié)，比較典型的工業(yè)固體廢物處置技術(shù)有如下幾種[4]：

(1)焚燒處置技術(shù)：是通過焚燒廢棄物中的有機(jī)物，用以縮減廢棄物的體積，主要用于處理高熱值和高毒性的危險廢物。焚燒后廢物的體積可減少到原來的5%～20%，實現(xiàn)了廢物的無害化處理，但是耗能高效益差。

(2)高溫堆肥技術(shù)：是采用半坑式堆積法和地面堆積法堆置，這兩種方法都需要利用好氧微生物。高溫堆肥技術(shù)針對一般可降解有機(jī)固體廢物，可以實現(xiàn)資源化利用，但是效率低周期長。

(3)固體廢物熱分解技術(shù)：是指在無氧或缺氧條件下，使用可燃性工業(yè)固體廢物在高溫下進(jìn)行分解，最終成為可燃?xì)怏w的過程。該過程實現(xiàn)減量化的同時也可以實現(xiàn)資源再利用，但是投入產(chǎn)出比還不夠理想。

2 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是一種非常有效的固體廢物處理處置技術(shù)，可以應(yīng)用于各種固體廢物，如生活垃圾、市政污泥、礦渣、工業(yè)油泥等，尤其適用于規(guī)模較大的工業(yè)固體廢物。通過水泥窯協(xié)同處置，具有高熱能的固體廢物可以代替燃料，含有礦化物質(zhì)的固體廢物可替代部分水泥原材料，實現(xiàn)固體廢物“三化”的同時，達(dá)到減少不可再生資源使用的目的。

2.1 新型水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的特點(diǎn)

新型水泥窯協(xié)同處理技術(shù)不僅具有專業(yè)焚化爐的基本特征，還具有如下技術(shù)特點(diǎn)[5-7]：

(1)溫度高。水泥窯爐中溫度約為1650～1800 ℃，傳統(tǒng)的專業(yè)焚化爐無法達(dá)到該溫度。固體廢物中有害的成分可以在高溫下完全焚化，甚至穩(wěn)定的有機(jī)物也可以完全分解。

(2)停留時間長。物料從窯尾到窯頭的總停留時間超過 30 min，大于1300 ℃的時間超過6 s，因此固體廢物滯留在窯中的時間更長。由于停留時間長且與空氣接觸，從而使固體廢物能夠分解得更加徹底充分。

(3)空間大。一般回轉(zhuǎn)窯體通常直徑為3～5 m，長度為 45～100 m，較大的焚燒空間保證了水泥窯中相對穩(wěn)定、均勻和連續(xù)的焚化條件，具有更大的固體廢物處理能力。

總之，新型水泥窯協(xié)同處置技術(shù)可以保證工業(yè)固體廢物處置的效率大幅度提高。

2.2 與傳統(tǒng)工業(yè)固體廢物處置技術(shù)的比較

與傳統(tǒng)工業(yè)固體廢物處置技術(shù)相比，水泥窯協(xié)同處置的優(yōu)勢顯而易見[8-10]。

(1)技術(shù)優(yōu)勢：水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是直接利用水泥窯生產(chǎn)水泥工藝的高溫，且溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)焚燒裝置的溫度。另外，該技術(shù)能夠在不影響水泥生產(chǎn)的同時完成大規(guī)模固體廢物的綜合處置和利用。

(2)成本優(yōu)勢：水泥窯協(xié)同處置主要包括原始場地和生產(chǎn)線的改造，添加預(yù)處理設(shè)備、投料和其他設(shè)備，以及以資源利用為基礎(chǔ)的聯(lián)合處理場所。投資少，建設(shè)周期短。只需要在原有的水泥廠作部分設(shè)施和流程的改動，不需要新開發(fā)一部分用地。水泥窯協(xié)同處置同類廢物的成本比焚化和垃圾掩埋的價格便宜得多，具有明顯的價格優(yōu)勢，因此更加受廢物產(chǎn)生單位的歡迎。

(3)環(huán)保優(yōu)勢：水泥窯協(xié)同處置的高溫使得絕大部分有機(jī)物完全分解，并減少二噁英的產(chǎn)生機(jī)會，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；焚燒后固體殘余物得到完全處理，不產(chǎn)生額外的固體廢物；處置后的大多數(shù)重金屬固化在水泥熟料中，使得窯尾廢氣中的重金屬排放量很少。該技術(shù)還可以實現(xiàn)部分替代原料，或者替代部分燃料，從而減少不可再生資源的消耗和能耗。

水泥窯協(xié)同處置雖然優(yōu)勢明顯，也存在一些約束條件，在產(chǎn)業(yè)化之前需要進(jìn)行充分論證。首先，水泥生產(chǎn)受產(chǎn)業(yè)政策、市場供求，北方地區(qū)還會受到冬季市場影響，尤其是危險廢物的處理主要取決于水泥窯協(xié)同處理的區(qū)域。其次，與一部分發(fā)達(dá)國家相比，我國在技術(shù)規(guī)格和法律法規(guī)方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)。如，固體廢物中Cl、S和重金屬的含量過多會對水泥窯生產(chǎn)穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量帶來一定影響；缺乏高效率分揀技術(shù)和污染物分類和開發(fā)集合技術(shù)；固體廢物燃燒的效率有待提高，從而影響了對水泥窯有毒物質(zhì)排放等等，需要進(jìn)一步加強(qiáng)水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的系統(tǒng)研發(fā)。另外，從水泥加工企業(yè)本身的角度來看，現(xiàn)有許多企業(yè)尚未建立起規(guī)模體系，存在研發(fā)能力差、實踐經(jīng)驗少、專業(yè)技術(shù)人員缺的條件不足[11]。

2.3 水泥窯協(xié)同處置工業(yè)固體廢物的發(fā)展

隨著水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的發(fā)展，使之在工業(yè)固體廢物利用領(lǐng)域涌現(xiàn)了越來越多的應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家，水泥窯協(xié)同處置儼然已經(jīng)成為固體廢物和危險廢物處置的主要措施之一。德國最早利用水泥窯協(xié)同處置和垃圾發(fā)電產(chǎn)生能源來處理焚燒垃圾，另外水泥工業(yè)的燃料替代率也呈現(xiàn)增長趨勢。同時固體處置產(chǎn)業(yè)鏈也很完善，從企業(yè)固體廢物中分離出來熱量高的廢棄物，用以燃燒、破碎、再輸送到水泥廠，以減少焚燒時燃料的使用率。日本的水泥工業(yè)在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)從其他產(chǎn)業(yè)納入大量的廢棄物和副產(chǎn)品，逐漸采用的廢棄物有鑄造業(yè)的鑄型廢砂、重油廢渣、廢棄油、廢塑料、廢木材等[12]。目前，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家普遍采用的處置技術(shù)，大概有三分之二的水泥廠可以進(jìn)行固體廢物的協(xié)同處置。

在國內(nèi)，北京水泥廠有限公司1988年建立了首個工業(yè)危險廢物環(huán)境保護(hù)示范基地，成為我國第一家使用水泥回轉(zhuǎn)窯處理油墨、樹脂、油漆等有機(jī)危險廢物的公司[13]。湖北華新水泥股份有限公司2010年建成了利用水泥窯協(xié)同處置三峽庫區(qū)漂浮物項目,日接受處理能力1000 m3，年處理能力達(dá)30萬m3，為三峽庫區(qū)提供了安全又環(huán)保的終端處理[14]。在一些先進(jìn)的領(lǐng)域，水泥窯協(xié)同處置技術(shù)已迅速發(fā)展，促進(jìn)固體廢物處置技術(shù)設(shè)備的開發(fā)和污染控制技術(shù)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，環(huán)境保護(hù)部于2016年發(fā)布了《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術(shù)政策》，在全國范圍內(nèi)推廣水泥窯協(xié)同處置危險廢物的應(yīng)用[15]。目前已有多家水泥生產(chǎn)企業(yè)獲得危險廢物經(jīng)營許可證，擴(kuò)展了協(xié)同處置固體廢物的種類和能力。如，江西亞東水泥有限公司2018年開始利用水泥窯協(xié)同處置造紙廢棄物，2019年申請新增協(xié)同處置危險廢物5萬t/a[16]；吉林金隅環(huán)保科技有限公司2016年提出了利用現(xiàn)有4500 t/d水泥熟料生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置工業(yè)固體廢物，2019年7月申請增加危險廢物種類到17大類，年處置規(guī)模為6萬t[17]；江蘇溧水天山水泥企業(yè)2021年建成了年處置10萬t的水泥窯協(xié)同處置危險廢物項目[18]。這些項目的投產(chǎn)真正實現(xiàn)了一般工業(yè)固體廢物和危險廢物的規(guī)模化處置，正在成為解決我國工業(yè)固體廢物的主力軍。

3 結(jié) 語

水泥窯的協(xié)同處置為工業(yè)固體廢物的無害處理和資源綜合利用打開了一種新的方式，實現(xiàn)了工業(yè)固體廢物的“三化”處置，符合我國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，因此有必要積極開展這項技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。為推廣這項技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中，政府還需要提供政策支持，同時也需要考慮到相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)，促進(jìn)水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的推廣和應(yīng)用。