工业窑炉协同处置城市固废局限性问题研究.pdf

论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期摘要院我国钢铁尧电力尧水泥等行业高温工业窑炉具有数量多尧分布广的特点袁具备协同处置城市固废的先天优势和直接条件遥 本文着重对水泥窑尧煤粉炉尧高炉熔分炉等工业窑炉协同处置固废技术进行了详细的阐述袁 并通过综述各行业工业窑炉协同处置城市固废技术应用现状尧 运行过程中存在的问题及出现问题的原因袁 总结了目前各行业工业窑炉协同处置固废技术中所存在的局限性和不足之处袁 对工业窑炉协同处置技术在经济性和环境效益方面作出评价袁 提出了需要进一步完善的内容和方向遥关键词院工业窑炉曰城市固废曰循环经济曰资源化利用引言随着我国经济的发展和工业化的不断推进袁城市固废的来源更加复杂多变袁 其产量同样呈逐年递增的趋势遥 截止 2020 年我国城市固废中年产量达 300 万 t 的固废种类已有 9 种袁其中包括一般工业固体废物尧城市生活垃圾等一般固废袁也存在工业危险废物尧医疗废物等危险固废袁总计堆积产量可达 44470 万 t袁预计 2025 年可达 55000 万 t1遥如此组分多变尧产量巨大的城市固废袁不但严重影响环境治理工作的开展袁 而且还存在危害人身健康的可能袁已逐渐成为不可忽视的问题遥 2017 年袁国家发改委等 14 部门联合发布的叶循环发展引领行动曳中提出了野推进生产系统协同处理城市及产业废弃物遥 冶而近些年来袁由化工行业提出并迅速发展的工业窑炉协同处置固废技术正是循环发展理念下的一项重要创新2遥工业窑炉协同处置技术利用工业窑炉地理分布广泛袁规模庞大且炉型可选的特点袁可以实现在完成工业指标的同时袁通过其 1000耀2000益的高温热环境条件和完整的污染物脱除系统袁 实现城市固废的无害化处理及资源化利用遥 然而袁在实际工业处置过程中袁 城市固废的复杂性和不同工业窑炉工艺特点的差异性袁 往往会导致热工过程的不稳定运行袁易造成窑炉内部结构损坏袁从而影响工业产品质量袁 更严重的可能会对工业运行带来危险隐患遥 因此袁本文对水泥窑尧燃煤锅炉尧高炉熔分炉尧炼钢转炉等工业窑炉内部工艺特点尧协同处置各类城市固废匹配程度及应用现状尧 工业经济性和环境效益进行了综述袁 分析各类工业窑炉运行过程中内部常见问题袁 结合不同城市固废自身特性与各类工业窑炉工艺条件分析协同处置匹配程度袁旨在明确协同处置中水泥窑尧燃煤锅炉尧高炉熔分炉尧 炼钢转炉等工业窑炉处置对应固废种类的经济性影响和环境效益袁 为后续工业窑炉协同处置技术研究提供参考遥1 工业窑炉协同处置技术应用现状1.1 城市固废基本特性城市固废成分复杂袁其物化特性尧热力学特性和污染物排放特性存在很大差异性遥 本文以图 1中所示典型固废为例袁 分析其基本特性情况遥城市生活垃圾3主要由餐厨垃圾尧木材尧纸张尧纺织品尧塑料和橡胶组成袁绝大部分为有机可燃组分袁工业窑炉协同处置城市固废局限性问题研究杜承明（天津商业大学机械工程学院天津300134）75 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期在工业过程中能够作为辅助燃料使用遥 市政污泥3组成成分以水和有机组分为主袁 有机组分中包含寄生虫虫卵尧微生物细菌尧有机污染物尧重金属离子等有害物质袁 处理不当会造成严重的环境问题甚至有危害人体健康的风险遥 而污泥中所含有机成分的可燃物质含量较高袁 其干燥基低位热值渊11MJ辕kg冤与贫煤尧劣质褐煤相当袁具有资源化潜力遥 垃圾焚烧飞灰中所包含的 Ca尧Si尧Al尧Fe 等成分不溶性物质可占总成分 70%袁 此类组成成分与优质石灰相近袁其化学性质与水泥熟料相似遥 废塑料绝大部分由石油制成袁主要成分为碳氢化合物袁属于高热值大分子材料袁具有耐酸尧耐碱等耐腐蚀特性袁常温下不易分解4遥1.2 工业窑炉协同处置技术应用现状1.2.1 水泥窑协同处置固废水泥窑协同处置技术最早出现在 20 世纪 70年代袁历经 50 余年的发展已经成为各种废物无害化处理和资源化利用的最有效途径之一袁 具有处理温度高尧处理量大尧无二次渣排放尧有毒物质可彻底降解尧 窑炉内碱性环境可有效抑制酸性气体和绝大部分重金属污染物排放的优势遥 水泥生产中对固体废物的利用处理方式主要分为 2 种5袁一种是以有机可燃组分为主袁 高热值的废弃物可作为水泥生产过程中的可替代燃料为水泥煅烧提供能量曰另一种是以无机组分为主袁可作为替代原料直接或间接投入水泥生产中袁 成为水泥生产中的一部分遥 欧美等国家早在 1974 年就开始对水泥窑协同处置方面袁 尤其是垃圾焚烧飞灰等危险固体废物的水泥固化处理领域开展研究袁 水泥行业协同处置固废种类目前已逐步发展到废轮胎废塑料尧油液危废尧含油污泥等多种危险废物遥 同时袁欧美等国的水泥窑协同处置固废技术在行业规范上已经形成了成熟的技术体系和管理体系遥 现阶段我国在这方面也进入了工业化运行的阶段袁 已基本掌握水泥窑协同处置市政污泥尧 一般工业固废和工业危险废物技术中的核心关键袁 并逐步建立行业规范袁形成完整的技术体系5遥1.2.2 燃煤电厂协同处置固废煤电行业煤粉炉炉温可达 1000耀1300毅C6袁具有燃烧迅速尧反应器内部容量大及效率高的优势袁其污染物控制系统主要包括低氮燃烧器尧SCR 脱硝装置尧静电除尘装置尧湿法脱硫装置等袁能够有效控制典型气相污染物 NOx尧SOx的排放遥 欧洲国家通过电厂燃煤锅炉协同处置固废的案例已有近100 个袁可协同处置的固废种类广泛袁涉及垃圾衍生燃料渊RDF冤尧农业废物尧有机酸尧废油和城市养殖业废弃物等6遥目前袁 我国对于利用现有燃煤电厂的煤粉炉和流化床等燃烧设备协同处置农林废弃物和市政污泥等有机组分含量较高的固体废物的研究和应用已经较多袁其中协同处置比例最高可达 10%遥同时袁现有研究表明袁燃煤锅炉在协同处置危险固废方面同样具有一定可行性遥 如袁肖海平7等人实验研究发现煤粉炉协同处理抗生素药渣袁 烟气中的Cr 和 As 浓度可达到国家污染物排放标准袁固体产物的主要重金属有害元素 Cr 和 As 浸出浓度远低于危废鉴定标准限值遥然而袁 目前燃煤锅炉协同处置固废的主流技术路线大多未能避免协同处置过程中固废干化释放的水蒸气进入锅炉炉膛或烟风系统袁 从而对锅图1城市固废年产量渊2020年冤生活垃圾市政污泥废塑料工业污泥含油污泥废轮胎垃圾飞灰油液危废医疗垃圾250002000015000100005000076 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期炉的高效和稳定运行带来严重的负面影响遥 同时袁燃煤锅炉炉温较其他工业窑炉要低一些袁 有害物质有时不能完全分解袁 其中酸性气体及碱金属元素对燃烧设备受热面会造成腐蚀危害遥 在污染物排放控制方面袁 燃煤锅炉大多需要依靠末端进行烟气净化控制袁这就需要根据所针对固废种类尧特点去做具有针对性的污染物控制措施遥1.2.3 钢铁行业协同处置固废钢铁行业窑炉具有高容纳度物质流能量流的突出优势袁能够对有价金属进行富集袁并可有效抑制二噁英等毒性物质的形成袁 在协同处置危险固废方面有很大的潜在优势遥1.2.3.1 烧结机协同处置固废烧结机的温度范围在 1100耀1500益8袁 炉内温度可使二噁英完全分解袁同时具备完整的脱硫尧脱硝尧除尘等污染物控制系统袁能够有效控制气相污染物排放遥 在烧结机协同处置固废技术中袁垃圾焚烧飞灰尧高炉瓦斯灰尧钢渣等固废原料可作为烧结助剂使用遥1.2.3.2 高炉熔分炉协同处置固废高炉熔分炉的温度范围在 1000耀2000益袁系统的高能量流能为物质流提供充足的热量袁 具备高容纳度袁且能够对有价金属元素进行富集9遥 同时袁炉内高温条件有效抑制了二噁英等毒害物质的形成遥 20 世纪 90 年代德国和日本首先开发了炼铁高炉协同处置废塑料尧轮胎尧污泥等固废的技术遥近年来袁Melendi S 等10研究了炼铁高炉协同处置废弃塑料制品和润滑油对工业炼铁的影响袁 结果表明协同处置造成炼铁的品质波动可以忽略不计袁同时此类高热值固废可作为辅助燃料袁能够有效减少化石燃料的使用曰Assis CFCD 等11研究发现生物质固废可作为高炉的替代燃料袁 且具有较好的燃烧效果袁节约了燃煤资源曰中国钢研科技有限公司和武汉钢铁公司通过建立炼铁回转窑协同处置电解锌渣示范工程袁 研究发现了协同处置过程中 Zn尧Cd 的挥发特性及挥发规律袁 为钢铁行业协同处置过程重金属的迁移转化提供依据8遥1.2.3.3 转炉协同处置固废炼钢转炉温度范围在 1500耀2500益袁高温可使有机物充分分解遥 根据转炉的结构特点袁固废在协同处置过程中可分别作为替代原料和燃料参与工业反应遥 转炉炉内碱性环境可有效抑制酸性气体的排放袁防止炉内出现酸性腐蚀现象遥 目前袁关于转炉协同处置技术的研究主要集中在协同处置废旧油漆桶尧含油固废方面遥2 工业窑炉协同处置技术局限性问题水泥尧电力尧钢铁行业工业窑炉运行工况如表1 所示遥2.1 水泥窑水泥窑主要在氧化环境下运行袁 因此在运行过程中当原料 Cl尧S尧 重金属等有害元素含量较多时袁筒体金属层可能会遭到腐蚀袁从而影响水泥窑的稳定运行13遥 水泥窑筒体内部主要分为预热段尧放热反应段尧烧成段和冷却段袁温度波动较大袁温差可达到 500益遥流动烟气在低温位置遇冷易凝结成固态和液态袁从而容易产生结圈现象遥 回转窑结圈现象主要出现在分解炉和预热器的位置袁 烟气凝结形成块状物掉落袁从而造成窑炉内部堵塞袁影响窑炉稳定运行遥 因此袁水泥窑协同处置技术在处表1工业窑炉运行工况炉型运行工况水泥窑预热带 800耀900益曰煅烧带 1200耀1350益曰冷却带800耀900益曰回转窑在距窑头约 14m 处袁气体温度达到最高值袁 约为 1760益袁 物料温度约为1465益袁随后气体和物料温度沿筒体轴向方向逐渐下降袁 到达窑尾处时分别降至约 1028益和856益12钢铁行业窑炉高炉 1400益袁转炉 1700益袁中间金属化球团的反应温度在 1400耀1500益袁排出煤气温度为 1500益鼓风是氮气和氧气的混合物袁 氧气含量 100豫效果最好8煤粉炉炉内温度在 800耀2200益之间袁 燃烧火焰中心1500益袁 尾 部烟 道的 温 度 从 1000益降低 到130益袁排烟温度基本保持在 120耀150益袁空白工况下炉内温度在 1380耀1420益之间波动遥 炉膛处于负压状态袁一般在原20 至原200Pa 之间677 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期表2各行业工业窑炉适宜协同处置固废种类细分窑炉类型固废种类高炉熔分炉垃圾焚烧飞灰煤粉炉市政污泥尧城市生活垃圾流化床垃圾焚烧飞灰尧城市生活垃圾水泥回转窑垃圾焚烧飞灰尧市政污泥尧城市生活垃圾尧废轮胎废塑料尧医疗垃圾炼钢转炉油液危废理范围上具有很大的局限性遥 协同处置过程中添加固废时袁对于高 S尧高 Cl尧重金属元素含量较高的固废应谨慎添加并严格控制投入量袁 同时当固废组成成分中含有易凝结物质时袁应谨慎投加遥2.2 高炉熔分炉根据图 2 所示袁 熔分炉大多采用矩形竖式炉型袁中间反应温度在 1400耀1500益范围内袁具备喷吹穿透性强尧热量利用率高尧熔炼快等优势8遥 但高炉熔分炉的污控系统仅局限于除尘方面袁 对酸性物质尧S尧Cl 等没有相应的防控措施袁易造成窑炉设备的损害遥 利用高炉协同处置固废在保证钢铁品质的同时袁气相污染物的防控也必须得到重视遥 因此袁对于钢铁行业协同处置技术袁所添加的固废可溶性盐离子尧S尧Cl 含量必须严格控制袁烟气污染物防控系统也需要得到进一步的完善遥2.3 煤粉炉煤粉炉是一种燃料同空气一同进入燃烧室内进行燃烧的室燃炉袁通常采用煤粉作为燃料遥 煤粉炉运行过程中煤样经磨煤设备粉碎后袁 随着气流喷入炉膛内进行燃烧遥 整个燃烧过程在炉膛内以悬浮状态进行6遥 锅炉受热面腐蚀是煤粉炉协同处置技术中的关键问题袁锅炉内部高温环境下袁物料中所含硫化物尧 氯化物及还原性气体易对表面造成较为严重的腐蚀袁影响窑炉的稳定运行遥 对于煤电行业协同处置技术袁 需重点关注研究固废中产生的酸性气体及还原性金属对燃烧设备受热面腐蚀与燃煤飞灰品质的影响遥3 工业窑炉协同处置技术经济环境评价在先前的水泥尧钢铁尧电力等行业工业窑炉协同处置应用中袁 各行业协同处置的固废细分品种如表 2 所示遥3.1 工业窑炉协同处置技术经济性评价水泥行业协同处置技术起步较早袁 行业较为成熟袁 是目前应用最为广泛的工业窑炉协同处置技术之一遥 根据目前的研究来看袁垃圾焚烧飞灰尧粉煤灰等无机组分含量较大袁 且化学性质与石灰相近的固废可作为水泥生产中的补充原料袁 能够通过水泥窑得到较好地处置遥 从经济性来看袁垃圾焚烧飞灰通过水洗工艺脱除可溶性氯盐后飞灰中的氯离子含量可降至 1%以下袁同时水泥窑中的高温碱性环境可以有效分解飞灰中的剩余有害物质袁 所形成的水泥熟料中有害元素含量符合国家标准 GB 30485-2013袁 在经济层面能够为企业带来附加利益5遥 煤电行业协同处置技术主要针对有机组分含量高的高热值固废遥 固废原料可作为窑炉辅助燃料进行利用袁既实现了无害化处理袁又节约了化石能源袁 为该行业带来较为可观的经济效益遥 但当所处置固废中 S尧Cl 等有害元素含量较高时袁协同处置过程产生的酸性气体尧碱金属等污染物会对锅炉受热面造成腐蚀袁 从而影响锅炉效率图2高炉内部结构不松动的焦炭渗透层呆滞区滴落带软熔带块状带焦矿熔渣铁水78 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期渊下转第 85 页冤和运行遥 因此袁现阶段还未明晰协同处置过程中烟气多组分污染物的排放特性袁 无法形成严格的标准规范袁不能做到有针对性的防控措施遥 钢铁行业窑炉协同处置技术工序繁琐袁 在协同处置过程中易造成钢铁产品品质波动袁从而影响主流程生产遥同时袁 由于钢铁行业窑炉污染物控制系统仅包含除尘部分袁限制了可协同处置固废的种类袁不能带来足够的产品增值和经济效益遥 这些问题降低了钢铁企业的意愿和兴趣袁 导致实际长期运行的协同处置工程项目很少遥3.2 工业窑炉协同处置技术环境效益目前袁 水泥窑协同处置技术已经形成相应行业标准尧技术规范袁在烟气污染物排放方面有着严格的指标遥 如袁叶水泥窑协同处置固体废物技术规范曳渊GB 30760-2014冤规定了水泥窑协同处置固废的鉴别和检测尧处置工艺技术和管理要求尧入窑生料和水泥熟料重金属含量限值及水泥可浸出重金属含量限值尧检测方法及检测频次等14曰叶水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范曳渊HJ 662-2013冤规定了利用水泥窑协同处置固废污染物控制方面的环境保护技术要求袁适用于危险废物尧生活垃圾尧市政污泥等固废在水泥窑中的协同处置15遥 钢铁行业目前国内宁钢炼钢厂转炉协同处置铁皮桶项目年处置量可达 4500t袁在协同处置过程中气相侧非甲烷总烃的最大占标率为 0.04%袁 二噁英的最大占标率为 0.41%袁 最大落地浓度距离污染源146m曰排放落地浓度符合相关标准袁验证了钢铁行业协同处置技术在污染物控制方面的可行性遥 因而袁 现阶段钢铁行业协同处置技术所需的只是确立相应固废协同处置标准袁并形成技术规范遥 煤电锅炉自身污染物控制防治体系非常完善袁 能够有效控制绝大多数气相污染物的排放遥 国内燃煤锅炉协同处置技术已有相关报道袁 华能清能院利用循环流化床锅炉同时处理生物质和固废袁 运行过程环保测试表明各气相污染物排放均满足相关环保标准遥 因此袁现阶段煤电行业协同处置技术所需的同样是形成自己的行业标准和技术规范遥结语综上所述袁在现有政策引导下袁工业窑炉协同处置城市技术具有巨大的潜力袁在经济性尧环保效益方面都具有正面影响遥 现存的主要问题是技术和产业化体系不够完善袁 由于不同行业工业窑炉所具备工艺特性需要对应处置适宜特性的固废袁因此需要对相关工业的协同处置技术进行规范化处理袁应向水泥行业一样形成处置标准袁严格规定污染排放遥 同时袁如何完善产品化体系袁增加经济效益袁提高相关企业袁尤其是钢铁行业相关企业的意愿和兴趣袁 增加长期运行的协同处置工程项目也是需要更进一步研究的内容和方向遥 工业窑炉协同处置城市固废行业的健康发展袁需要技术尧工艺尧模式尧政策的综合支撑袁因而未来技术尧标准成熟后的工业窑炉协同处置固废技术袁 将能成为我国固废资源化的重要途径遥参考文献1 再协.2020 年全国大尧中城市固体废物污染环境防治年报J.中国资源综合利用,2021,39(01):4.2 刘四威,陈慧,周志江,等.工业窑炉协同处置固体废物产业现状分析及发展建议J.能源与节能,2021(07):137-140.3 Agar DA,Kwapinska M,Leahy JJ.Pyrolysis ofwastewater sludge and composted organic fines frommunicipal solid waste:laboratory reactor characteris-ation and product distributionJ.Environmental enceand Pollution Research,2018,25(12):1-9.4 侯爱松,周雪梅.废塑料在垃圾资源化中的合理性应用J.环境与可持续发展,2008(04):19-21.5 刘飞,方磊.水泥窑协同处置固废技术展望C/中国建材检验认证集团股份有限公司,首都科技条件平台中国建材集团研发实验服务基地.第六届国内外水泥行业安全生产技术交流会论文集.出版者不详,2019:179-181.79 论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!论文.jpg not exist!叶资源节约与环保曳2023 年第 8 期6 杨占斌.煤粉炉协同处置固体废物典型污染物释放特征研究D.长春:吉林建筑大学,2019.7 肖海平,李昕耀,蒋炎飞,等.煤粉炉协同共处理抗生素药渣 Cr尧As 的迁移特性J.化工进展,2021,40(12):6916-6924.8 刘飞.钢铁行业典型烧结机污染物排放特征比较研究D.北京:中国环境科学研究院,2020.9 李俊方.高炉炼铁过程数据驱动建模及智能优化D.杭州:浙江大学,2022.10 Melendi S,Diez M A,Alvarez R,et al.Plasticwastes,lube oils and carbochemical products assecondary feedstocks for blast-furnace coke produc-tion J.Fuel Processing Technology,2011,92(03):471-478.11 Assis C F C D,Tenorio J A S,Assis P S,et al.Ex-perimental Simulation and Analysis of AgriculturalWaste Injection as an Alternative Fuel for BlastFurnaceJ.Energy&Fuels,2014,28(11):7268-7273.12 李爱莉,考宏涛,郭涛,等.回转窑内气体和物料温度分布的研究J.材料导报,2012,26(24):108-111+128.13 陈应强,冯华军,沈东升,等.硫尧氯尧碱金属元素对工业固废水泥资源化利用的影响及控制技术J.科技通报,2012,28(07):155-159+172.14 GB 30760-2014,水泥窑协同处置固体废物技术规范S.15 HJ 662-2013,水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范S.作者简介杜承明渊1998要冤袁男袁河北承德人袁硕士研究生袁主要从事固废资源化利用的研究工作遥渊上接第 79 页冤展J.环境科学与管理,2007,(06):94-98.7 郭沙沙,张培玉,曲洋,等.高盐废水生物处理研究进展与可行性分析J.四川环境,2009,28(03):85-88.8 李婵君,吴理觉,文定强.镍钴锰三元前驱体生产废水零排放处理工艺设计研究进展J.现代化工,2019,39(09):36-39.9 郑利,郑鹏飞,郑翔.芬顿-流化床技术在废纸造纸废水深度处理上的应用J.给水排水,2021,57(01):108-111.10 Westerhoff P,Moon H,Minakata D,et al.Oxid-ation of organics in retentates from reverse osmosis-wastewater reuse facilities J.Water Research,2009(43):3992-3998.11 胡映明,王盼新,付丽亚,等.不同制备方法对铝基催化剂臭氧催化氧化的效果研究J.环境科学研究,2022袁35(11):2559-2567.12 高珊,周集体,孙丽颖,等.臭氧氧化法处理煤化工难降解废水实验研究J.辽宁化工,2013,42(10):1179-1184.13 陈炜彧,李旭芳,马鲁铭.铁基催化剂催化臭氧深度处理煤化工废水J.环境工程学报,2018,12(01):86-92.14 Rosal R,Mar侏a S.Gonzalo,et al.Catalytic ozon-ation of atrazine and linuron on MnOx/Al2O3 andMnOx/SBA-15 in a fixed bed reactor J.ChemicalEngineering Journal,2010,165(03):806-812.15 亓丽丽.非均相臭氧催化氧化对氯苯酚机理研究及其工艺应用D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.16 王振东,刘东方,李文姣,等.金属氧化物/膨润土催化剂臭氧催化处理高盐废水J.水处理技术,2019,45(01):85-88+94.作者简介方志斌渊1980要冤袁男袁湖南岳阳人袁本科袁学士袁高级工程师袁研究方向为环境保护遥85