生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究及应用

生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究及应用

卢芸

阿克苏天山多浪水泥有限责任公司，新疆 阿克苏 843000

摘要：今天，家庭垃圾填埋场普遍饱和，家庭垃圾焚烧发电厂的建设没有得到充分监测。在水泥窑中大规模处置生活垃圾，为解决城市垃圾堆积问题提供了一个可行和快速的解决办法。在水泥窑中处置有害固体废物的安全得到了全世界的认可。在欧洲，从家庭废物处置中制备的替代燃料和原材料已有几十年的历史，没有安全问题。预处理减少了生活垃圾的含水量，提高了热量并使其均匀化，处理能力可以大大提高。

关键词：水泥窑；协同处置；气化；生活垃圾处置；二噁英；

中国从未停止过水泥窑废物处理的研究，水泥窑合作处置危险废物的技术已成为当今危险废物焚烧的主要技术。本文简单分析了水泥窑合作处置危险废物的技术优势，并研究了其应用现状和发展趋势，以便为中国相关企业优化合作处置危险废物的水平提供建议和理论参考，

一、概述

水泥窑使用替代燃料有三种方式，即固体、液体和气体。就物理形态而言，根据欧盟的一些技术报告，水含量、颗粒大小和热值是影响替代燃料进入窑炉位置的关键参数。粒径< 12毫米、热值为20 mj/kg ~ 25 mj/kg的代用燃料更适合在窑头燃烧，粒径< 50毫米、热值为15 mj/kg ~ 18 mj/kg的代用燃料适合在分解炉内燃烧。然而，由于垃圾的粒径、水分、挥发分、灰分、热值和均匀度等参数与常规燃料不同，水泥窑处理生活垃圾的稳定性和规模面临诸多挑战。 至今已有近20年的历史，积累了丰富的研究成果和生产实践经验。目前世界上主要有循环流化床气化入窑和移动床气化入窑。本次示范采用移动床气化入窑技术。通过水泥窑共处置生活垃圾气化技术的研究成果和应用示范，可向有条件的水泥企业推广，对城市可持续发展和环境保护具有重要意义。

二、技术路线与主要设备

1.气化炉和实验燃料。所使用的气化炉是中国研发的专利产品。图1是炉子结构图。

图1气化炉结构图

该系统对垃圾有很好的适应性。含水率低于40%的垃圾可以处理。对热值无特殊要求，处理能力稳定，排放达标。该技术在北京太行远景水泥厂3条200吨/日熟料生产线上进行。实验原料为某垃圾处理厂80毫米滚筒筛下物，装袋运输至北京太行展望水泥厂物料仓。原料工业分析采用国家标准进行煤质分析，采用国家标准进行元素分析。用于元素分析的样品由德国雷茨克MM400低温粉碎机粉碎至所需尺寸。

2. 示范线技术路线。本项目采用专利技术，生活垃圾气化后的燃气引入煅烧炉，灰渣进入生料系统。垃圾仓内的臭气作为气化介质引入气化炉，渗滤液泵入气化炉。进入现场后，垃圾将被送到气化炉车间的垃圾接收坑，由驱动垃圾抓斗将垃圾运送到垃圾存放处。气化炉运行时，垃圾仓内的垃圾由移动式垃圾抓斗抓取，然后送至气化炉步进给料机的给料设备。由此送入双辊给料机，通过变频控制给料量，再送入气化炉气化燃烧。一次风从炉底灰层送入气化炉，流量由风机变频控制。烟气进入煅烧炉，通过煅烧炉的进气阀控制流量。

3.处置规模、技术路线和相关设备。本项目处置100t/d本地家庭废物。最大设计能力150t/d。(1)进入存放区后送往煤气炉车间的废物接收坑，废物通过垃圾回收桶排入废物存放区。(2)燃气炉运行时，垃圾仓内的废物由行车垃圾桶收集，送往燃气炉-分步供料。(3)在步进式给料机中，废物通过七个可交替往返的推力板送入煤气炉内的垃圾进料联锁空气笼。(4)进气笼的整体高度为5m，利用进气笼中废物形成的进气柱进行可靠的空气联锁，以防止气灶中的气体泄漏。(5)取料坑内的废物通过垃圾双辊取料机和气化器引入垃圾气炉。(6)燃气炉体可围绕炉体中心转动，以利于炉内废物组织的均匀性。垃圾气化后的底渣由窑底放空机排出，可作为混合材料送往水泥研磨车间用于模塑水泥。(7)气化环境采用自然空气，由高压离心通风机从燃气炉体底部注入燃气炉。废物的气化程度因风中的鼓量而异，燃料成分比例和气化后的气体温度各不相同。(8)废物气化产生的气体从气炉出口，通过气体输送管道输送到水泥窑，以便在水泥窑系统分流炉中进一步消耗，排出的热量用于分解窑中的碳酸盐。

三、研究的成果

1.垃圾燃料变化对气化炉运行的影响。气化炉运行的主要参数是废物进料速度、一次风量和气化炉出口温度。垃圾进料速度由步进给料机变频控制，每1Hz对应约1t/h垃圾进料速度。气化炉到分解炉的烟气量由阀门开度控制。随着一次风机频率和可燃气体管道阀门开度的增加，气化炉炉温和进入分解炉的可燃气体温度明显升高，垃圾处理量可逐渐增加。增加可燃气体阀门的开度会明显增加气化炉内的负压。气化炉运行期间，水泥窑运行稳定，水泥质量合格。

2.气化炉对水泥窑运行的影响。为了适应气化炉烟气引起的窑系统风量变化，对水泥窑三次风进行了配风改造。分段燃烧改造后，熟料产量和质量不受影响，窑尾烟气室和煅烧炉未发现结皮。系统运行正常稳定。改造后，主要运行参数也有明显变化，如窑尾主抽风机转速、预热器出口温度和负压、熟料热耗以及因系统耗气量减少而产生的电耗；窑内通风更容易稳定，窑尾负压减小，波动幅度减小，比改造前更稳定。

3.对环境的影响。试烧过程中实际平均垃圾投加量为4.5t/h，相当于日常生活垃圾处理量约108t/d。运行过程中，国家环境分析检测中心检测了气化炉出口气体和回转窑末端烟囱排放的烟气中的污染物。测试结果表明，气化炉出口气体中含有的二恶英等污染物被进一步处置到水泥窑分解炉中，窑尾烟囱排放的烟气中污染物测试结果符合国家和北京市地方排放标准。从测试结果来看，烟气中污染物的排放浓度符合国家和地方的排放标准。特别是对垃圾气化过程中产生的二恶英有明显的分解作用，窑尾烟气中二恶英的排放浓度仅为0.012 ng-TEQ/m3，远低于0.1ng-TEQ/m3。因此，生活垃圾的气化气在分解炉内燃烧协同处置时，不会对周围环境造成影响。就像生活垃圾直接入炉协同处置一样，可以安全无害的处置生活垃圾，减少原煤的消耗，更有利于环境的改善。

4.对水泥质量的影响。气化炉是一种离线式炉。在少量作为气化剂的天然空气的帮助下，替代燃料气化后产生的高温可燃气体被供应给煅烧炉。 也可以通过改造窑炉系统、降低系统阻力、提高系统拉风能力等技术措施，减少或消除系统外带来的自然风对窑炉系统烟气平衡的影响。气化炉渣在1 100℃ ~ 1 200℃的高温下熔化，其中重金属等有害成分得到有效固化。从气化炉系统排出后，可作为水泥厂生产的混合物料，避免大渣直接进入窑系统参与配料对熟料质量和产量的影响，以及有害元素循环富集对生产运行的影响。

5.关键技术问题解决。(1)解决了生活垃圾中低热值的过小或混合垃圾难以用水泥窑直接处理的关键技术。技术方案的选择有所创新。在我院开发的可燃筛上物直接送入煅烧炉技术的基础上，进一步发展了原生垃圾或经生物干燥后的预分选筛下物气化技术，以及两种技术相结合的生活垃圾大批量处理技术。(2)解决了水泥窑协同处置过程的适应性问题。通过对水泥窑系统的热标定、逆向分析和诊断，对水泥窑系统进行优化改造，进而解决生活垃圾气化水泥窑协同处置过程的适应性问题，使水泥窑系统的工艺技术和运行控制技术能够满足协同处置的要求。

总之， 通过优化控制参数，生活垃圾气化气可以在一定程度上达到燃料替代的效果；用生活垃圾气化代替燃料可实现氮氧化物减排，对水泥窑运行无影响；结合高热值特大型直接进入分解炉，低热值垃圾气化室接入分解炉的技术，水泥窑可以实现相对较高的垃圾处理量；在处理生活垃圾的过程中，水泥窑尾烟囱的烟气排放能够满足相关环保标准的要求。

参考文献：

[1]王芳，固体废物水泥窑共处置技术应用及存在问题.2019.

[2]张秀兰，关于生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究及应用.2020.