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危险废物衍生燃料在水泥窑协同处置的应用分析

文档作者：苑辉1，李惠2，赵春芳2，李海龙2，郑金召2，赵利卿2，李勇2，林莉3		点击数：	更新时间： 2022年08月30日
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摘要：水泥行业在生活垃圾、危险废物等固体废物处理领域占有重要的位置。本文主要对危险废物衍生
燃料在水泥窑利用的国内外现状进行了分析，通过对适用于制造衍生燃料的危险废物种类的总结和特性
分析，为我国危险废物水泥窑的协同处置提供帮助 同时综合分析了危险废物衍生燃料处置工艺的优点
和不足之处，并对我国适用于衍生燃料的危险废物的特征及现状进行了分析，充分说明建立危险废物衍
生燃料加工对危险废物资源化利用是十分重要的
关键词：危险废物；衍生燃料：水泥窑协同处置
中图分类号：TQl72．9 文献标识码：A 文章编号：l001—6l71(20l4)05—0017—05
Application Analysis of Hazardous W aste Derived Fuel Co——processing in Cement Kiln
YUAN Hui‘，IJ Hui ，ZHAO Chun-faug ，LI Hai-hmg ，ZHENG Jin—zhao ，ZHAO Li—qing ，LI Yong ，LIN Li
(1 Tianjin University，Tianjin 300400；2 Materials engineering research(?enter in I'ianjin Co．，Ltd．， l'ianjin
300400；3 China SINOMA Intel’national Engineerillg Co．．Ltd．Tianjin 300400；)
Abstract：Cement industry Ida) S an impodant role in the treatnlent of solid waste such as living garbage
lmzardous waste。and SO on． Fhis artM e mainly analyzes the present situation of Hazardous W aste Dei，ive(I Fuel
used in eelnent kilns both at}1I)11le an(1 abroad． l'he article provides assistance for the Hazardous waste derive~l
f'uel eo—Dr(wessing in cement kiln by analyzing an(1 sunnnarizing the chaI．acteristi(·s of hazardous wastes．The
advantages alld disadvantages ot’the hazardous waste derived f'tn 1(1isposal technology are analyzed in this
article．In ad(1ition．tlle characteristics and present situation ot’}lazardotls wastes which are suitable for the
(Ierived ruel jn China are also analyzed．In a word．the establishment of hazardous waste derived the1 processing
is very importanee ibr utilization of hazardous waste resources．
Key words：hazaFdous waste；(terive({fuel：co—pl‘oeessing in cemenl kiln
垃圾衍生燃料(Rdhse De,-ived
Fuel，简称RDF)是指把垃圾进行固
体燃料化，加丁成热值更高、更稳定
的燃料，广泛应用于干燥工程、水泥
制造、供热工程和发电工程等领域
目前，应用较多的RDF多为城市垃
圾经破碎、筛选flIl不燃物后所得到
的，以废塑料、纸屑等可燃物为主体
的废弃物或将可燃废弃物进一步粉
碎、十燥成型而制得的固体燃料。危
险废物作为同体废物中的一类，所r
比例相埘较少，但是如果混入普通垃
圾填埋场或直接抛弃至自然环境中，
通讯地址：l天津大学 天津300073
一旦渗入水体或土壤，随着生物链的
富集，对人类和生物将造成严重的危
害。冈此，我同危险废物有着相对严
格的管理制度。但是由于部分危险
废物具有较高的热值，如果采 传统
的处置方式不仅会造成能源上的浪
费，而且处置成本相对较高。随着水
泥窑协同处置危险废物工艺的日趋
成熟及危险废物衍生燃料(Hazard—
OLIS Waste Fuels，简称HWF)的¨{现，
近些年来人们越来越重视危险废物
的协同处置。危险废物衍生燃料有
效利用了残余的热能，实现了危险废
2天津中材工程研究中心有限公司，天津
收稿日期：2014一O1—5； 编辑：赵莲
项目资助：国家环保公益性行业科研专项(201209023)资助。
2014／5水泥技术 17
物减避化(Reduce)、可同收及资源化
(Recycle)、再利用fReuse)的“3R”原
则。
l 危险废物衍生燃料的发展及应用
随着我国现代工业的持续发展，
危险废物产生量逐年递增。据统计，
2010年全罔许可证中批准的危险废
物处理能力合计1587万吨，仅有
60％左右综合利用，其他多为贮存，
大量危险废物无法得到有效处置。
水泥窑协同处置危险废物T艺的出
现，有效避免了二次污染的产生，
约了珍贵的土地资源，同时也为企业
300400；3天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400
靴
图1 德国1987～2010年衍生燃料在水泥生产过程中的应用
表1 美国采用危险废物作为替代燃料的水泥企业一览表(截止到1997)
一|1 芎 j 曩 |曩l l_| 擅誊 I
灰林水泥(Ash Grove Cement) 福尔曼，阿肯色州Foreman，Arkansas)
灰林水泥(Ash Grove Cement) 夏努特，堪萨斯州(Chanute，Kansas)
大陆水泥(Continental Cement Co．) 汉尼拔，密苏里州(Hannibal，Missouri)
Essroc水泥厂(ESSROC Material，Inc．) 洛根斯伯特，印第安纳州(Logansprot，Indiana)
Keysto 水泥厂 Gian ：oup’nd‘ 哈里斯威尔，南卡罗来纳州(Harleyville~SouthC r0li )
Keystone Cement Co·
K。ys 。ne水泥厂(Gian 0up，n ” 巴斯
，宾夕法尼亚(Bath,Pennsylvania)
Keystone Cement Co．J
Holnam公司(Holnam，Lnc．) 克拉克斯维尔，密苏里州(Clarkesville，Missouri)
Holnam公司(Holnam，Lnc．) 霍利希尔，南卡罗来纳州(Holly Hill，South Carolina)
Holnam公司(Holnam，Lnc．) 阿蒂西亚，密西西比州(Artesia，Mississippi)
拉法基(Lafarge Corp．) 阿尔皮纳，密歇根州(Alpena，Michigan)
拉法基(Lafarge Corp．) 弗里多尼亚，堪萨斯州(Fredonia，Kansas)
拉法基(Lafarge Corp．) 波尔丁，俄亥俄州(Paulding，Ohio)
孤星工业公司(Lone Star Industries) 开普吉拉多，密苏里州(Cape Giranrdeau，Missouri)
孤星工业公司(Lone StarIndustries) 格林卡斯尔，印第安纳州(Greenncastle，Indiana)
美杜莎公司(MedusaCementCo．) 迪莫波利斯，阿拉巴马州(Demopolis，Alabama)
美杜莎公司(MedusaCementCo．) 万珀姆，宾夕法尼亚州(Wampum，Pennsylvania)
Rc水泥有限责任公司(RC Cement Co．) 独立村，堪萨斯州(Independence，Kansas)
德克萨斯工业Texas Industries) 中洛锡安，德克萨斯州(Midlothian，Texas)
带来了可观的经济效益0-2]。而衍生
燃料(RDF)的出现，则在很大程度上
使垃圾中的能量得到了很好的利用，
不仅能够达到处置的效果，而且节约
了资源。衍生燃料在上世纪50年代
在水泥生产过程中得到了首次应用，
而危险废物衍生燃料(Hazardous
Waste Fuels，简称HWF)是基于垃圾
衍生燃料(RDF)提出的概念，在许多
发达国已经形成了一定的产业规模
l3_
， 部分危险废物因具有较高的热
值，早在上世纪90年代就被许多发
达国家用在水泥窑的协同处置过程
中。
上世纪80年代后期衍生燃料在
德国水泥生产行业不断得到应用，图
1总结了德国自1987年到2010年衍
生燃料在水泥生产过程中的应用情
况。由图1可以看出，垃圾衍生燃料
的使用在逐年增加，到2010年，衍生
18
燃料的使用已经超过了60％t3]，值得
注意的是，德国已经有接近85％的水
泥企业，其生产中使用的衍生燃料中
有相当一部分是来源于危险废物的。
截止到1997年，美国已经有18
家水泥企业使用危险废物作为替代
燃料(表1)，这些企业危险废物衍生
燃料的总消耗量达到1亿万吨。然
而，对于危险废物衍生燃料的使用曾
在美国引起了长达两年之久的争
议。但是，随着技术的不断发展和一
系列关于废气等污染物排放规范的
出台，目前许多环境和经济方面的组
织对此项技术的开展深表支持。对
于危险废物衍生燃料的使用，美国国
家环境保护局(USEPA，U．S．Environ．
mental Protection Agency)也在不断地
对相关的监管办法进行改进。为了
能够适应危险废物衍生燃料的使用，
美国国家环境保护局出台了新的规
定，更加严格地对其污染排放进行限
定。这些法律法规的颁布，极大地促
进了危险废物作为替代燃料在水泥
生产过程中的应用。
到2007年，部分发达国家水泥
行业燃料替代比例较高，如图2所
示。其中欧洲地区平均的燃料替代
比例达到了19．4％，在部分西欧国家
该比例超过了30％[4】。比利时危险废
物预处理设施于2010年中期开始运
行，通过将液态、固态以及半固态危
险废物与木屑混合，生产的高性能的
衍生燃料产量高达1 20000t，年r51。
2 适用于衍生燃料的危险废物
并不是所有的危险废物都能用
于水泥窑的协同处置。目前，欧洲地
区尚未明确规定哪一种危险废物适
用于水泥窑协同处置。但是对于不
能用于协同处置的危险废物已基本
上达成了共识，其主要目的除了保证
水泥生产的正常运行以外，还要保障
相关人员的人身安全。目前，具有如
下特性的废物暂时不能用于水泥窑
的协同处置，必须排除在外[ 1：
· 自发聚合物废料(Spontane—
CEMENT TECHN0LOGY 5／2014
意大利
澳大利亚
日本
加拿大
美国
波兰
欧洲
英国
法国
瑞典
捷克
挪威
奥地利
德国
荷兰
0．0％ lO．O％ 2O．O％ 3O．0％ 40．O％ 50．0％ 6O．O％ 7O．O％ 8O．O％ 90．O％
燃料替代比例％
图2 部分发达国家水泥行业燃料替代比例
ously polymerizing waste) · 卫生危险废物(Hygienical。
· 易自燃的废物(Self ignit．
able waste)
· 释热废物(Heat generating
waste)
· 易爆废物(Wastes with ex．
plosive components)
· 恶臭废物(Wastes with dis—
gusting odour)
| I危嬲幞-一|
染料及颜料
罐底油泥
油泥
焦油
罐底残渣
废油漆、清漆
油漆和清漆污泥
含水污泥与油漆清漆
油漆和清漆处理废物
含有油漆、清漆的悬浊液
油漆、清漆清洗剂
废墨
油墨的污泥
废胶粘剂和密封剂
胶粘剂和密封剂污泥
含水胶粘剂和密封剂污泥
含胶粘剂和密封剂废液
危险废物
2014／5水泥技术
ly risky waste)
· 含有石棉的危险废物(As—
bestos containing waste)
· 释放有毒气体或粉尘的废
物(Wastes which release toxic gases
or dusts)
目前RDF的分类基本上是按照
美国ASTM(American Society for Testing
and Materials)对RDF所做的分类
定义6l，其性质也会随着地域、生活
习惯、经济发展水平等因素的不同而
不同。通常其组成为纸68．0％，塑料
胶片15．0％，硬塑料2．0％，非铁类金
属0．8％，玻璃0．1％，木材、橡胶4．0％
和其他物质10．0％。而我国垃圾发
热值较低，通常在4000～6000kJ／kg，
水分含量较高，通常高达40％～60％，
灰分在20％～50％之间，其燃烧温度
通常达不到垃圾焚烧炉标准规定的
850℃[ 。在经过加工处理之后，RDF
的水分通常在30％～35％以下，灰分
在12％一25％之间，挥发分在55％一
75％之间，固态碳在7％～13％之间，
其发热量约为12500～17500kJ／kg，燃
点约210～230℃。而对于RDF的制
备，目前我国最大的难点在于垃圾的
分类制度的实施，由于垃圾分类在我
国大部分城市没有得到完全普及，造
成了RDF加工难度和成本的增大。
然而相对生活垃圾，危险废物的
表2 主要用于水泥窑协同处置的危险废物衍生燃料的危废名单
(源自于瑞士联邦环境署。2005年经联邦环境署，联邦环境局批准)
|蛹号 嬲 艏 ÷ | 危爱秀 l 危爱
o4 02 16" 阳极制造过程中产生的含焦油废物 10 08 12"
05 O1 03* 固体废物现处理场废水 lO 11 19"
O5 01 06* 废蜡和油脂 12 Ol 12"
O5O1 06*，0501 08* 内河航行产生的舱底废油 130401"
O5 0603*．07 O1 08*
07 0208*,07 03 08* 码头排放的舱底废油 13 0402
0 7 O4 O8 ．O 7 05 O8
O7 06 08*．07 0708*
O8 O1 11 航海产生的舱底废油 13 04 03*
O8 O1 13" 除滓室和油分离器产生的废渣 13 05 01"
O8 0l 15" 油水分离的污泥 13 05 02*
O801 17" 油水分离的废油 l3 05 06*
O8 01 19" 油水分离的油污水 13 05 07*
O8 01 21" 油水分离的废水 13 05 08*
08 03 12" 被污染的包装物 15O1 10'
O8 03 14" 含有废物 l607 08*
0804 09* 食用油脂废物 l9 08 10'
0804 11 水处理污泥 1911 05*
08 0413" 油脂 2OO1 26*
08 04 15" 涂料、油墨、胶粘剂、树脂 2O O1 27*
管理与分类则在一定程度上有了严
格的规定，大部分危险废物在收集后
往往已经进行了明确的分类。在能
够应用于水泥窑协同处置的危险废
物中，有一部分能够作为衍生燃料替
代一部分传统燃料。在欧洲，已用作
水泥窑衍生燃料的危险废物主要来
源于工业废物，如工业污泥、废油、油
泥、切削废渣、灰渣、废木材等_3_。目
前，欧洲地区对于能够作为替代燃料
的危险废物进行了一个较为明确的
规定，表2对其进行了较为系统的总
结l 5l。欧洲地区对于危险废物的分
类与我国有所不同，如表2中列出的
食用油脂废物、油脂等在我国是不属
于危险废物的范畴的。但值得注意
的是，我国《国家危险废物名录》主要
适用于对危险废物产生行业的管理，
在针对危险废物处理要求的分类还
存在一定的不足。不过，表2中所列
的大部分危险废物名单已经包含在
我国的《国家危险废物名录》之中。
对应我国《国家危险废物名录》中的
木材防腐剂废物(HW05)、有机溶剂
废物(Hw06)、废矿物油(HW08)、油／
水、烃／水混合物或者乳化液
(HW09)、染料、涂料废物(HW12)、
含酚废物(HW39)、含醚废物
(HW40)、其他废物(HW49)等八类，
其中以废矿物油(HW08)和油／水、
烃／水混合物或者乳化液(HW09)这
两类危险废物为主。
3 采用危险废物衍生燃料的优缺点
分析
与原生危险废物直接焚烧相比，
衍生燃料不仅具有体积小、密度高、
臭味小、便于运输和储存等特点，并
且燃烧性能相对于未加工过的危险
废物更加稳定且热值较高，产生的二
次污染也有很大程度的降低。在经
过预处理等加工工序后，在一定程度
上能够降低HC1的排放，减轻了对设
备的腐蚀，同时也降低了二恶英等有
害污染物的排放。其主要优点如下：
(1)便于统一运输和贮存，由于
。物jl}； 称 _危险废移 匀喽 譬一有霍藏分 堆积程睡Ek 热 委 弩 嗽
精馏残渣HW11 磷酸钠 廿、三
l394．7 l8367 [8]
废丙烯酸树脂HW13 丙烯酸—— 29123 [8]
印染污泥HW12 氯、染料 1137．1 1590 【8】
染料残渣HW12 氯、染料 600．0 27465 [81
制革污泥HW21．22、23, 重金属 931
24 ．6 475O [8]
、29、31、46
漆镉下水污泥
l
H
3、
W
l6
04
、l
,
7
05
、4
,
1
12
、4
,
5
氯、重金属 875．2 13857 [8】
Hw。6 苯、甲苯等芳烃类 oo ss4 ．，4
Hw。 含酯类成分 oo ．9
Hw。 含酮类成分 soo s。 178939
油腻
渣油
HW08
HWO8
废矿物油
废矿物油
将危险废物加工成固体燃料，其运输
车辆和贮存条件将得到标准化的建
设，不会因危险废物的种类受到限
制，同时也降低了长期贮存和长途运
输的成本。
(2)采用水泥回转窑协同处置危
险废物由于具有温度高、停留时间
长、湍流强度大等优点，能够完全去
除危险废物，同时由于危险废物的形
状和性状得到均一，能够保持一定的
燃烧性能，在一定程度上提高了热效
率。
(3)由于加工后的危险废物的燃
烧相对稳定，大大降低了二恶英等有
害物质的产生。
(4)焚烧后大部分残渣能够固化
在熟料中，减少了焚烧残渣的二次污
染。
(5)替代一部分传统原料和燃
料，在一定程度上节约了能源。
(6)避免了填埋等处置手段造成
的土地资源的浪费，降低了危险废物
泄露对自然环境、生物、人类的危害。
但是，鉴于加工和预处理的成本
较高，采用危险废物作为衍生燃料用
于水泥窑生产同时具有如下缺点：
23713．85 【9】
171575．2 【10】
(1)与水泥窑常用燃料(如煤)相
比，危险废物衍生燃料制备提取过程
相对困难，处理设施的建设成本相对
较高，且具有一定的投资风险。
(2)需要建立相应危险废物运
输、贮存、输送等配套系统，投资较
大。
(3)对于某些成分不明确的危险
废物入窑处置，极有可能对正常的生
产造成影响，因此，在人窑前，要将不
明成分的危险废物剔除，这在一定程
度上加大了预处理和检测的成本。
(4)某些危险废物燃烧会产生残
渣，对重金属含量等有害因素需要进
行全面评估，以避免残渣进入熟料
后，对产品造成不良影响。
(5)某些危险废物在燃烧后会产
生有毒性的烟气或粉尘，因此需建立
昂贵的烟气排放监测系统。
综上分析，虽然危险废物衍生燃
料在水泥窑中的应用在危险废物处
置、环境保护、资源可持续利用等方
面具有非常明显的优点，但是由于预
处理设施建设和某些检测的成本相
对较高，以及有关政策制度的不完
善，其在国内的发展还受到一定程度
CEMENT TECHNOL0GY 5／2014
的制约 、但是，随着危险废物资源化
利川不断受到人仃J的重视，以及协同
处 、预处理设施等相父技术的发
展．其所具有的潜 优势将越来越受
到人f『J的重视。
4 我国危险废物现状分析
日fj1=f，我国对于危险废物的利片j
也进行了大量研究，通过对不 种类
的危险废物燃烧性能的测试发现，部
分危险废物具有较高的热值， 经过
一定的预处理后，能够作为衍，卜燃料
使』tJ 表3列举r部分常见的危险
废物婵化数据。从表3的数据小难
发州，这些危险废物往 具有较高的
热俯 分高达10000kJ／kg以 、
此，颅处理之后能够实现水泥厂替代
燃料的功能 ．
5 结语
水泥 产过程需要消耗大 的
能源， 时产生大． L L的温室气体，其
巾柯相当一部分CO!源自于7彳灰
的分解，这对人类赖以生存的环境造
成J 很大的压力 、n 20世纪80‘ l=
以来，废油以及废⋯轮胎作为衍，fj燃
料 水泥行业得到成川，随着预处理
技术的不断进步，越来越多具有较高
热他的危险废物成为水泥生产的替
代燃料，与此同时，大 混合了锯未
和垃圾的危险废物战为lr具有很高
热值的危险废物衍生燃料。借助于
水泥窑协同处置的优势，我们应该存
吸收、借鉴同外先进技术的同时，结
合我 的实际状况， 』JlI大政策和宣
传的堆础上，开发适合我同同情的危
险废物衍生燃料(HwF)的制箭技
术， 利 热值的同时降低危险废物
污染物的排放，逐步使我同危险废物
协川处 走上产 化道路
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2{)13年，南京为了缓解日益严峻的城市交通压力，同时为
了迎接2014年夏季青年奥林匹克运动会(简称青奥会)，引进了
国外Flexicity1型1【)(1％低地板轻轨列车 西门子与江苏常牵
庞巴迪牵引系统有限公司(简称常牵庞巴迪)合作，为车辆的牵
引系统提供核心的AKEF390齿轮减速机和MBG175联轴器：
这两个部件解决了轻轨运行中的动力传动以及轴承动力衔接
两大难题
常规轨道列车车厢都高高在上，牵引电机等复杂设备主
要集纳在车厢底部，因此车站站台高度必须超过l米，以方便
乘客上下车 而作为现代有轨电车的低地板列车，车厢地板仅
高出地面35厘米至38厘米，乘客抬脚就能上车，省去了建专用
站台的高昂费用。据统计，低地板轻轨列车机站设施的造价成
本仅相当于地铁站台造价的四分之一、这在方便乘客和节省
成本的同时，却对列车本身的空间设计和安装技术提出了新的
挑战：牵引系统如何安装在空间如此狭小的地方呢?只能将原
本在车厢底部的齿轮、电机等牵引动力装置转移到车轮外侧的
狭小空间内紧凑布局 但是，这种做法不仅增加了安装难度，
同时也对牵引系统的尺寸提出了更严格的要求
减速机是用于低转速大扭矩场合的传动设备，把电动机，
内燃机或其它高速运转的设备的动力，通过减速机输入到轴上
齿数少的小齿轮，啮合输出轴上的大齿轮，将马达的回转数减
速到所要的回转数，并得到较大转矩 德国西门子在这方面有
着丰富的经验，通过与德国庞巴迪珠联璧舍，成为国外低地板
轻轨的主要供应商 西门子提供的AKEF39()齿轮减速机是专
门为FtexicityⅡ1{00％低地板轻轨设计的，以便满足低地板轻轨
车辆的安装要求 并且，AKEF390齿轮减速机体积紧凑，可安
2014／5水泥技术
装于车轮外侧乘客座位之下 在驱动车轮过程中，每列车都装
有4个齿轮减速机，从两处提供动力，正常行驶速度能达到
80km／h
AKEF39{)齿轮减速机噪声极低，不会给周围环境带来噪
声污染，而且充分保证了乘客乘车时的舒适度 此外，其使用
寿命长，完全适应定制轻轨大修时间周期，运行稳定，可节约维
修成本并有效降低客户经济成本
西门子MBG175联轴器设计轻巧(仅有8Kg)耐用，可承受
8t重量，并且具有过载保护功能和完善的密闭性，可在极端温
度(±6()。C)下正常工作，运行过程中可保持稳定温度，即使在
飞沙走石的沙漠中行驶也不受影响 因此它可以完全满足客
户对联轴器在承重、耐温耐压等方面的需要
齿轮减速机和联轴器是牵引系统中重要的动力传送部
件，两者的匹配性影响着实际的车辆运行南京的低地板轻轨
车辆采用的是西门子独家提供的配套联轴器和减速机，保证机
车联轴器和减速机1O0％匹配，使机车在进行爬坡、拐弯以及进
站等径向位移时依旧能够正常行进
近年来，中国城市化飞速发展，人口聚集效应显著，部分
城市道路拥堵问题日趋严重，因此城市轨道交通在大中城市得
以飞速发展 截至今年8月，已有1f】个城市开通了城市轨道交
通系统，运营里程为978公里，到2015年预计将达到3500多公
里 轨道交通时代即将到来，低地板轻轨车也有望在中国大中
城市得到广泛推广．、而西门子弗兰德减速机和联轴器相配合，
为低地板轻轨列车高效稳定的传动，解决了低地板轻轨的核心
技术问题，成功地消除了这一绿色交通工具发展、提速的后顾
之忧

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