利用水泥窯采用氣化方式處理城市生活垃圾
摘要:目前，我國(guó)大量城市生活垃圾已將部分城市包圍，每年的產(chǎn)生量并以平均5-8%的速度增長(zhǎng)，生活垃圾的處理問(wèn)題日益嚴(yán)重。而傳統(tǒng)的填埋法、堆肥法、焚燒法卻未能奏效，無(wú)法杜絕二次污染，尤其是關(guān)于垃圾焚燒法(發(fā)電)能否消除二噁英引起多方爭(zhēng)議，至今未有結(jié)論。用水泥窯協(xié)助處置生活垃圾將開(kāi)拓處理生活垃圾的新思路，一些水泥企業(yè)正在積極研發(fā)處理生活垃圾的新技術(shù)。下面就海螺集團(tuán)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的CKK垃圾焚燒技術(shù)做一介紹。
1 概述
1.1城市生活垃圾概念
生活垃圾是指在日常生活中或者為日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢物以及法律、行政法規(guī)規(guī)定視為生活垃圾的固體廢物。城市生活垃圾主要由居民生活垃圾、街道保潔垃圾和單位垃圾組成，不同來(lái)源的垃圾，其成分和特性也不盡相同。
1.2中國(guó)城市生活垃圾現(xiàn)狀
目前，我國(guó)歷年垃圾堆存量已達(dá)60億噸，占用耕地5億平方米。全國(guó)660個(gè)城市中有200個(gè)城市陷入垃圾包圍之中。城市生活垃圾產(chǎn)生量以平均每年5-8%的速度增長(zhǎng)，導(dǎo)致城鄉(xiāng)結(jié)合區(qū)域環(huán)境惡化，危及可持續(xù)發(fā)展。預(yù)計(jì)到2010年，城市生活垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到2.64億噸，2030年為4.09億噸，2050年為5.28億噸。
1.3生活垃圾現(xiàn)行處理方法
目前垃圾處理方法主要有填埋、堆肥及焚燒處理三種方法。
填埋法。填埋法簡(jiǎn)單、投資省。但由于我國(guó)垃圾填埋處理過(guò)于簡(jiǎn)單，其處理方式存在以下缺點(diǎn)：一是浪費(fèi)很多可回收資源，處理能力有限，占用了大量土地。二是僅靠垃圾自己的腐化反應(yīng)使垃圾自己減少、消失，垃圾處理周期長(zhǎng)。三是存在嚴(yán)重的二次污染，垃圾滲濾液和揮發(fā)氣體污染地下水、空氣，導(dǎo)致土壤沙化。
堆肥法。垃圾堆肥是垃圾中有機(jī)成分的處理技術(shù)，這一方法可以用于處理某些行業(yè)或生產(chǎn)中產(chǎn)生的高水分、富含有機(jī)物的垃圾，但不能處理所有種類的生活垃圾，且減容減量及無(wú)害化程度低，垃圾處理量少，經(jīng)篩選后不適合堆肥的垃圾還需采用其他方法加以解決。由于堆肥質(zhì)量差、缺乏應(yīng)用市場(chǎng)。
焚燒法。焚燒處理技術(shù)的特點(diǎn)是處理量大，減容性好，無(wú)害化相對(duì)徹底，利用焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以能源化，是世界各發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的一種垃圾處理技術(shù)。垃圾焚燒爐主要有爐排爐和流化床爐兩種。
1.4、利用新型干法水泥窯和氣化爐相結(jié)合的方法處理城市生活垃圾。
利用新型干法水泥窯和氣化爐相結(jié)合的方法處理城市生活垃圾(簡(jiǎn)稱CKK系統(tǒng))，是一種比以往的流化床燃燒方式更先進(jìn)的焚燒形式。是一種將垃圾的一部分熱量用于燃燒，將剩余的可燃部分作為可燃?xì)怏w從爐中導(dǎo)出有效利用到水泥工藝中去的方式。
流化床氣化垃圾焚燒爐是在爐內(nèi)鋪設(shè)一定厚度、一定粒度范圍的石英砂，通過(guò)底部布風(fēng)板進(jìn)入一定壓力和流量的空氣，將砂粒吹起、翻騰、浮動(dòng)。流化床內(nèi)氣—固混合強(qiáng)烈，傳熱傳質(zhì)率高，單位面積處理能力大，具有極好的著火條件，垃圾入爐后即和灼熱的石英砂迅速處于完全混合狀態(tài)，垃圾受到加熱、干燥、氣化，爐內(nèi)燃燒溫度控制在一定的范圍內(nèi)。由于采用了氣化爐，有下列優(yōu)點(diǎn)。
1、可回收有價(jià)值的資源物質(zhì)。用低溫還原氛圍條件進(jìn)行氣化處理，鐵?鋁以未氧化狀態(tài)得以回收，便于再利用。
2、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定氣化。垃圾不完全燃燒，用低空氣比進(jìn)行氣化處理。
3、便于排除不可燃物。氣化爐采用散氣管方式，便于排除不可燃物。
4、小型化。低空氣比運(yùn)行，使?fàn)t床負(fù)荷增大(單位面積和時(shí)間內(nèi)處理垃圾量大)，爐床面積較已往的爐小，實(shí)現(xiàn)小型化。
5、防止不可燃物質(zhì)混入影響水泥質(zhì)量。
6、不需要專設(shè)的污水處理處理系統(tǒng)。
7、不需要助燃燃料(助燃只用于啟動(dòng)時(shí))。
2 CKK系統(tǒng)技術(shù)方案簡(jiǎn)介
垃圾由垃圾收集車運(yùn)送到垃圾儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存，用行車進(jìn)行攪拌和均化，在破碎后繼續(xù)用行車進(jìn)行攪拌和均化并將垃圾輸送至供料裝置，定量送至氣化燃燒爐中。投入至爐內(nèi)的垃圾與爐內(nèi)的高溫流動(dòng)介質(zhì)接觸，一部分通過(guò)燃燒向流動(dòng)介質(zhì)提供熱源，另一部分氣化后形成部分可燃性氣體送往分解爐內(nèi)，經(jīng)分解爐、預(yù)熱器處理及廢氣處理系統(tǒng)凈化后排出。同時(shí)，垃圾中的不燃物在流動(dòng)介質(zhì)中一邊沉降一邊移動(dòng)，到了爐底部時(shí)從垃圾中進(jìn)行分離排出，摻入到水泥生料中或作為混合材摻入到水泥中，有以下系統(tǒng)構(gòu)成。
2.1前處理及供料系統(tǒng)
前處理及供料系統(tǒng)是計(jì)量設(shè)施、儲(chǔ)存設(shè)施、破碎設(shè)施及輸送設(shè)施組成。進(jìn)廠垃圾車經(jīng)計(jì)量后送至卸料平臺(tái)，經(jīng)密封門卸入垃圾儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)，在垃圾儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)垃圾由行車進(jìn)行垃圾均化，然后喂入垃圾破碎機(jī)，破碎后的垃圾回到儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)，由行車喂入氣化焚燒爐的喂料倉(cāng)，詳見(jiàn)圖2-1。
大機(jī)破碎由專門的大塊垃圾破碎后送入垃圾儲(chǔ)存庫(kù)塊垃圾。
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圖2-1 前處理及供料系統(tǒng)圖
2.2垃圾焚燒系統(tǒng)
該系統(tǒng)由穩(wěn)定向氣化焚燒爐內(nèi)輸送垃圾的供料裝置及氣化垃圾的氣化爐組成。垃圾喂料倉(cāng)中的垃圾經(jīng)過(guò)密封喂料機(jī)、打散機(jī)均勻地喂入垃圾氣化焚燒爐內(nèi)。垃圾與蓄熱介質(zhì)接觸，一部分垃圾進(jìn)行氣化燃燒，燃燒產(chǎn)生熱量用來(lái)保持蓄熱介質(zhì)的溫度，使垃圾持續(xù)氣化;另一部分垃圾形成氣化產(chǎn)品輸出到水泥窯系統(tǒng)中進(jìn)行燃燒。
垃圾供料裝置通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的螺旋葉片，定量向氣化爐內(nèi)穩(wěn)定供料，形成穩(wěn)定的垃圾氣化過(guò)程。氣化焚燒爐爐內(nèi)壁砌筑耐火材料、防止高溫氣體對(duì)爐內(nèi)造成損傷，同時(shí)蓄熱保溫，提高熱效率，垃圾焚燒系統(tǒng)見(jiàn)圖2-2。
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圖2-2 垃圾焚燒系統(tǒng)圖
2.3不燃物處理系統(tǒng)
該系統(tǒng)是將垃圾燃燒后的不燃物由氣化爐排出，由能夠有效維持氣化爐的性能的排出裝置、各種輸送設(shè)備及分離裝置、砂循環(huán)提升裝置、砂儲(chǔ)存裝置構(gòu)成。
氣化爐內(nèi)垃圾燃燒后產(chǎn)生一定量的灰渣(不燃物)在流動(dòng)介質(zhì)中一邊沉降一邊移動(dòng)，沉到爐底部時(shí)通過(guò)砂分級(jí)裝置從垃圾中進(jìn)行分離排出。分離排出的灰渣通過(guò)磁選機(jī)、鋁分選機(jī)分離出鐵質(zhì)和鋁質(zhì)物品，剩下的灰渣(不燃物)送入儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存；以勺鰹樵纤偷缴夏サ难h(huán)斗提或做為混合材送入水泥粉磨系統(tǒng)，詳見(jiàn)圖2-3。
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圖2-3 灰渣處理系統(tǒng)圖
2.4供風(fēng)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由向氣化爐內(nèi)提供燃燒空氣的供風(fēng)系統(tǒng)及氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)怏w向分解爐輸送的管道系統(tǒng)組成，為保證垃圾坑內(nèi)的臭氣味不外泄，需要抽垃圾坑內(nèi)的空氣保證其負(fù)壓，抽取的空氣作為氣化爐的燃燒空氣同投入氣化爐內(nèi)。氣化爐停運(yùn)時(shí)，通過(guò)另設(shè)的一套除臭機(jī)，通過(guò)除臭機(jī)抽取綜合用房?jī)?nèi)臭氣凈化后排出室外，使綜合用房?jī)?nèi)的氣味不外泄。
2.5點(diǎn)火及喂煤系統(tǒng)
該系統(tǒng)是為將氣化爐起動(dòng)、停止以及低熱值垃圾進(jìn)行助燃而設(shè)置的裝置。焚燒爐的啟動(dòng)依靠燃油熱風(fēng)爐提供的熱風(fēng)來(lái)加熱流化介質(zhì)到一定溫度，再投入垃圾進(jìn)行氣化燃燒。當(dāng)垃圾熱值很低時(shí)需要加入適量的碎煤進(jìn)行助燃，以保證垃圾的穩(wěn)定燃燒，點(diǎn)火及喂煤系統(tǒng)詳見(jiàn)圖2-4。
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圖2-4 點(diǎn)火及喂煤系統(tǒng)圖
2.6垃圾污水處理系統(tǒng)
垃圾中的污水是濃度非常高的有機(jī)污水，按照通常的排水處理難以進(jìn)行。垃圾儲(chǔ)庫(kù)滲出的污水經(jīng)垃圾污水過(guò)濾器送入垃圾污水貯存槽，根據(jù)其主要成份是有機(jī)物，具有不耐熱的特性，采用密閉的泵將污水提升，向氣化爐內(nèi)噴射，通過(guò)高溫水泥窯進(jìn)行蒸發(fā)氧化處理，完全分解有機(jī)成分，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水為零排放。
垃圾污水處理系統(tǒng)見(jiàn)圖2-5。
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圖2-5 垃圾污水處理系統(tǒng)圖
2.7有害物質(zhì)分離系統(tǒng)
該系統(tǒng)是將水泥生產(chǎn)的堿、氯等有害物質(zhì)，排出系統(tǒng)外的裝置。在窯尾煙室部位，聚集有高濃度的堿、氯等元素，在此設(shè)抽取口抽出含高濃度有害物質(zhì)的氣體，鼓入冷風(fēng)對(duì)其進(jìn)行快速冷卻，使其產(chǎn)生氯類結(jié)晶體，經(jīng)過(guò)袋收塵收集下來(lái)，將有害物排出系統(tǒng)。收集下來(lái)的粉塵做為混合材摻入水泥中或另行處理，詳見(jiàn)圖 2-6。
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圖2-6 有害物質(zhì)分離系統(tǒng)圖
三、水泥窯爐降解二噁英的機(jī)理
垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英等有毒物質(zhì)，利用新型水泥干法采用氣化爐焚燒法完全可以控制在安全排放的范圍內(nèi)，這是由新型干法水泥工業(yè)窯和爐的內(nèi)部環(huán)境狀況和采用氣化爐處理工藝決定的。
二噁英的基本概念。眾所周知，采用常規(guī)低溫(<800℃)城市廢棄物焚燒方法，極易形成惡毒性很強(qiáng)的有機(jī)多氯代二苯并噁英(PCDDS) 和多氯代二苯呋喃英(PCDFS)，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2-7。
圖2-7 “二噁英”的分子結(jié)構(gòu)圖(Doxin)
二噁英的生成機(jī)理復(fù)雜，下列情況可能導(dǎo)致二噁英的產(chǎn)生。
1、溫度范圍：200℃-500℃;2、不完全燃燒：CO濃度較高;3、潮濕有水蒸氣：H2O蒸氣 4、有氯源存在：Cl—濃度較高;5、有催化劑：Fe+3存在; 6、苯環(huán)類物和氯代物存在。
生活垃圾組分和HCl產(chǎn)生的關(guān)系
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垃圾處理中產(chǎn)生二惡英的氯源主要有
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含有氯原子的聚合物塑料
采用氣化的方式利用水泥窯爐的工藝特點(diǎn)能充分分解二噁英。
一是遏制前體物產(chǎn)生條件及控制前體物產(chǎn)生。大量實(shí)驗(yàn)表明，二惡英族類物在500℃時(shí)開(kāi)始分解，到800℃，2、3、7、8—PCDD可以在 2.1s內(nèi)完全分解，如果溫度進(jìn)一步升高，分解時(shí)間將進(jìn)一步縮短。利用現(xiàn)代水泥干法燒成系統(tǒng)，生活垃圾氣化后氣體喂入口溫度一般高達(dá)900℃-1000℃ 之間，且氣體在分解爐內(nèi)的時(shí)間高達(dá)7s，固體物料的停留時(shí)間高達(dá)20s以上，可以有效分解二惡英。
二是消除或吸收產(chǎn)生的二惡英的氯源。水泥生料中的綜合cl-1離子的限量<0.015%;不會(huì)對(duì)窯系統(tǒng)的操作構(gòu)成影響，而以 2CaO.SiO2，CaCl2(穩(wěn)定溫度1084-1100℃)的形式被水泥生料裹挾到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，氯酸鹽和鐵鋁酸鹽的溶劑型礦物中被帶出燒成系統(tǒng)。水泥窯中微量氯源自行控制過(guò)程如下：
進(jìn)入系統(tǒng)氯很少，即：Cl-<0.015%。氯在熟料的形成過(guò)程中，形成含氯礦物CaO.SiO2.CaCl2(穩(wěn)定溫度 1084-1100℃)被熟料帶出系統(tǒng)，不參與合成二惡英。
CaO+2HCl→CaCl2+ H2O
CaO+ SiO2+ CaCl2→CaO.SiO2.CaCl2
三是硫分對(duì)二噁英的產(chǎn)生有抑制作用。有關(guān)研究證明，燃料中或其它物料夾帶的硫分對(duì)二噁英的形成有一定的抑制作用：一則由于硫分的存在控制了 Cl-，使得Cl-以HCl的形式存在;二則由于硫分的存在降低了Cu的催化活性，使其生成了CuSO4;三則由于硫分存在形成了黃酸鹽酚前體物或含硫有機(jī)化合物(聯(lián)本并噻蒽或聯(lián)本并噻吩)，阻止了二噁英的生成。
四是水泥窯爐添加堿性氧化物足以控制二惡英的產(chǎn)生。對(duì)于一般焚燒垃圾的專用爐，向爐內(nèi)噴鈣，即有利于吸收HCl控制氯源，較細(xì)的鈣又具有一定的吸附作用，達(dá)到鈍化金屬催化劑作用的目的，以抑制二噁英生成。而對(duì)于現(xiàn)代干法水泥燒成系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)部均勻分散著高濃度的石灰石粉(CaCO3，平均細(xì)度約35μm),且在高溫(800～900℃)下分解成CaO，使其更具有吸附性。
四、利用新型干法水泥窯采用氣化爐焚燒法處理城市生活垃圾系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
海螺集團(tuán)開(kāi)發(fā)的城市生活垃圾處理技術(shù)，是新型干法窯和垃圾氣化焚燒技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，該系統(tǒng)利用水泥窯穩(wěn)定高溫環(huán)境完全降解垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理;系統(tǒng)采用特殊的供風(fēng)系統(tǒng)和負(fù)壓操作，有效控制和處理臭氣，防止了臭氣排放;垃圾中的污水收集后采用密閉的泵將污水噴射到氣化爐內(nèi)，通過(guò)高溫水泥窯進(jìn)行蒸發(fā)氧化處理，完全分解有機(jī)成分，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化和污水零排放;焚燒時(shí)利用垃圾自身熱量實(shí)現(xiàn)自然，一般不需要燃料，且垃圾燃燒的熱能可替代水泥熟料生產(chǎn)所需要的部分燃料，灰燼用作水泥原料，無(wú)廢棄物排出;對(duì)水泥生產(chǎn)及產(chǎn)品品質(zhì)不產(chǎn)生任何影響;工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且水泥生產(chǎn)設(shè)備可替?zhèn)鹘y(tǒng)代垃圾焚燒所需的部分設(shè)備，節(jié)省了投資。
利用新型水泥干法采用氣化爐焚燒法處理城市生活垃圾，可以將城市生活垃圾完全處理，做到了垃圾處理的“無(wú)害化、減量化、資源化”，是我們借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，研發(fā)出的適合我國(guó)國(guó)情的先進(jìn)的垃圾處理技術(shù)。它的開(kāi)發(fā)和成功運(yùn)用，是水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、打造綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)的有益途徑。
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