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水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)減排潛力與成本分析

分類:固廢觀察 > 固廢處理    發(fā)布時(shí)間:2019年3月11日 21:58    作者:劉姚君等    文章來(lái)源:北極星固廢網(wǎng)

近年來(lái),水泥窯協(xié)同處置固體廢物成為行業(yè)研發(fā)和應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)。2012年,《建材行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)目錄》將利用預(yù)分解窯協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物技術(shù)、利用預(yù)分解窯協(xié)同處置城鎮(zhèn)污水廠污泥技術(shù)、利用預(yù)分解窯協(xié)同處置垃圾焚燒爐飛灰技術(shù)納入其中。2014年12月,工信部、科技部和環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄(2014年版)》,將水泥窯協(xié)同無(wú)害化處置成套裝備列入固體廢物處理裝備推廣類項(xiàng)目。2015年,工信部等六部委聯(lián)合印發(fā)了開展水泥窯協(xié)同處置生活垃圾試點(diǎn)工作的通知。

水泥窯協(xié)同處置技術(shù)早已成為德國(guó)、日本等國(guó)家的主要處理方式。由于我國(guó)還處于發(fā)展階段,水泥窯協(xié)同處置技術(shù)面臨初始投資成本高、運(yùn)行成本高、政府補(bǔ)貼低等主要難題。本文擬就水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)中3種協(xié)同處置工藝,即水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)、水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)和水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化),以5 000 t/d生產(chǎn)線為基準(zhǔn),綜合考慮減排量、減排成本指標(biāo),進(jìn)行技術(shù)節(jié)能減排潛力和成本的分析,并給出技術(shù)發(fā)展的政策建議。

1 水泥窯協(xié)同處置固體廢物概況

1.1 水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)技術(shù),即把城市生活垃圾經(jīng)篩分、粉碎、發(fā)酵、干燥、加工成型等預(yù)處理工藝,加工成熱值更高、更穩(wěn)定的垃圾衍生燃料(RDF),結(jié)合水泥分解爐燃燒特點(diǎn),達(dá)到資源化處置與利用的技術(shù)。它適用于新型干法水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾技術(shù)改造。需要注意的是:垃圾處理站或RDF預(yù)處理站與水泥生產(chǎn)企業(yè)的距離不宜過遠(yuǎn);垃圾引入的有害元素對(duì)水泥窯正常生產(chǎn)的影響等問題。F.L.Sth的“熱盤”技術(shù)和Polysius的預(yù)燃燒室技術(shù),就屬于RDF協(xié)同處置技術(shù)的范疇。國(guó)內(nèi)華新水泥、中材國(guó)際開發(fā)了此類相關(guān)技術(shù),過程預(yù)燃技術(shù)和設(shè)備也在研發(fā)過程中。華新水泥窯協(xié)同處置的商業(yè)運(yùn)作模式是集合生活垃圾的收集、轉(zhuǎn)運(yùn),垃圾的預(yù)處理和水泥窯協(xié)同處置于一體的創(chuàng)新性模式。經(jīng)估算,若5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線利用此類技術(shù)日處理200~500 t的生活垃圾,可實(shí)現(xiàn)噸熟料煤耗降低3%~6%,電耗增加3~5 kWh,折算成噸熟料CO2排放量降低4.02~13.23 kg,噸熟料NOx排放量降低0.02~0.06 kg。初始投資平均增加約8 000萬(wàn)元,單位熟料運(yùn)行成本降低3.36~6.72元/t。生活垃圾補(bǔ)貼費(fèi)用因各地政府標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一(50~200元/t),假設(shè)每噸生活垃圾補(bǔ)貼100元,預(yù)計(jì)投資回收期超過10年。

1.2 水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)技術(shù),即將城市生活垃圾發(fā)酵、均化、破碎、稱量等工序后,先送入氣化爐,汽化后形成可燃性氣體送入水泥分解爐內(nèi)焚燒,氣化爐底渣經(jīng)分離后作為水泥配料。這種技術(shù)是聯(lián)合水泥窯爐和氣化爐的雙重優(yōu)勢(shì),對(duì)由此產(chǎn)生的廢氣、爐底渣及滲濾液進(jìn)行無(wú)害化處理的全新的環(huán)境保護(hù)技術(shù)。它適用于新型干法水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市生活垃圾技術(shù)改造。需要注意的是:垃圾處理站與水泥生產(chǎn)企業(yè)的距離不宜過遠(yuǎn);垃圾引入的有害元素對(duì)水泥窯正常生產(chǎn)的影響等問題。日本川崎、德國(guó)RÜDERSDORF水泥等掌握該類技術(shù),安徽海螺CKK系統(tǒng)技術(shù)和南京凱盛開能環(huán)保氣化焚燒系統(tǒng)技術(shù)等就屬于此協(xié)同處置技術(shù)的范疇。CKK系統(tǒng)技術(shù),氣化爐單爐主要規(guī)格為100~400 t/d,以配套2 000~12 000 t/d等不同規(guī)格的水泥窯系統(tǒng)。經(jīng)調(diào)查,當(dāng)垃圾喂入量占生產(chǎn)水泥熟料量10%以內(nèi)時(shí),對(duì)水泥正常生產(chǎn)并無(wú)影響。經(jīng)估算,若5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線利用此類技術(shù)日處理300 t的生活垃圾,可實(shí)現(xiàn)噸熟料煤耗降低約4%,電耗增加2~4 kWh,折算成噸熟料CO2排放量降低7.34~8.82 kg,噸熟料NOx排放量降低0.03~0.04 kg。初始投資平均增加約1億元,單位運(yùn)行成本降低約4.48元/t。假設(shè)每噸生活垃圾補(bǔ)貼100元,預(yù)計(jì)投資回收期約為10年。

1.3 水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù),即將城市污水污泥送入污泥干化系統(tǒng),利用水泥廠余熱來(lái)直接或間接烘干濕污泥(含水率80%左右)至干污泥(含水率30%以下,部分干化技術(shù)可達(dá)到5%以下)。烘干所得廢氣再次處理;所得干污泥呈散狀顆粒(部分干化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)粒徑在10 mm以下,而熱值高達(dá)12 540~14 630 kJ/kg),經(jīng)輸送及喂料設(shè)備,送入水泥窯,可作為替代燃料直接參與燃燒。另外,干污泥中含有SiO2、CaO等,可用作水泥生產(chǎn)替代原料。污泥干化技術(shù)的核心在于熱交換器和干燥機(jī)。污泥干化系統(tǒng)因熱源與污泥接觸方式、干化效率的不同,分為增鈣熱干化技術(shù)、直接接觸干燥技術(shù)、導(dǎo)熱油干化技術(shù)、污泥燃料化技術(shù)等。它適用于新型干法水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置城市污水污泥技術(shù)改造。需要注意的是:城市污水污泥站與水泥生產(chǎn)企業(yè)的距離不宜過遠(yuǎn);引入的有害元素對(duì)水泥窯正常生產(chǎn)的影響;城市污水污泥運(yùn)輸過程中的密閉;臭味的監(jiān)測(cè)與控制等問題。日本日揮公司、意大利渦龍公司等掌握了相關(guān)水泥窯協(xié)同處置污水污泥(干化)的技術(shù);國(guó)內(nèi)北京水泥廠引進(jìn)意大利“VOMM高效渦輪薄層干燥技術(shù)”(簡(jiǎn)稱渦輪薄層技術(shù)/工藝),是采用導(dǎo)熱油干化污泥;廣州越堡水泥公司自行開發(fā)的旋流噴嘴直接干燥污泥,是利用窯尾余熱氣體對(duì)濕污泥進(jìn)行干燥,污泥含水率可降至約30%[1],是典型的半干化技術(shù);華新環(huán)境工程有限公司、合肥水泥研究設(shè)計(jì)院等產(chǎn)學(xué)研單位也有相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用案例。經(jīng)估算,5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線日處理污泥500~600 t,噸熟料降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗約6 kg,增加電耗3 kWh,減少余熱發(fā)電量約20%,噸熟料可實(shí)現(xiàn)CO2排放量減少11.5 kg,NOx的削減量在40%~60%之間,假定原噸熟料NOx排放量為1.6 kg(《第一次全國(guó)污染源普查》),NOx的削減量為50%,則噸熟料可實(shí)現(xiàn)NOx減少0.8 kg。初始投資平均增加約8 000萬(wàn)元,單位熟料運(yùn)行成本增加4.55元/t。污泥補(bǔ)貼費(fèi)用因各地政府標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一(50~300元/t),假設(shè)噸污泥補(bǔ)貼100元,預(yù)計(jì)投資回收期約為6年。

2 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)減排潛力與成本

為了較為全面地分析各主要水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的減排潛力和減排成本,以5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線作為基準(zhǔn),采用邊際減排成本曲線(MAC)方法進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的評(píng)估分析。

2.1 邊際減排成本曲線

邊際減排成本曲線(MAC),是從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的角度,著重考慮相對(duì)基準(zhǔn)情景的技術(shù)減排潛力和減排成本,通過目標(biāo)的年減排成本排序,以進(jìn)行技術(shù)評(píng)估分析。主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)要求較低,便于操作。主要分析步驟包括:

1)收集技術(shù)的減排潛力和減排成本。

2)協(xié)同控制效應(yīng)分析。在二維坐標(biāo)系中,橫軸反映技術(shù)措施對(duì)NOx的減排效果,縱軸反映技術(shù)措施對(duì)CO2的減排效果,該技術(shù)措施在坐標(biāo)系中所處的空間位置,可以直觀地反映其減排效果及其處置狀況。

3)費(fèi)用-效果評(píng)價(jià)。單位污染物減排成本是將減排措施的減排效果和減排成本綜合考慮,反映了減排單位量的污染物所必須付出的成本。

4)將技術(shù)按照長(zhǎng)期邊際成本由低到高排序,繪制邊際減排成本曲線(見圖1)。

5)根據(jù)減排目標(biāo),通過橫坐標(biāo)畫一條直線(其值為目標(biāo)減排量),直線左側(cè)即為擬篩選技術(shù)組合。

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2.2 協(xié)同控制效應(yīng)分析

根據(jù)《中國(guó)水泥年鑒》[2]以及《第一次全國(guó)污染源普查》[3],計(jì)算得出水泥行業(yè)單位標(biāo)準(zhǔn)煤的NOx排放量;根據(jù)《中國(guó)水泥年鑒》以及《中國(guó)水泥行業(yè)二氧化碳排放系數(shù)測(cè)算數(shù)據(jù)》[4],計(jì)算得出水泥行業(yè)單位標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放量;根據(jù)《能源數(shù)據(jù)》[5]得到電力行業(yè)NOx和CO2排放系數(shù)。相關(guān)排放參數(shù)見表1。

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根據(jù)上述第1部分的技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和表1的排放系數(shù),計(jì)算得出三類技術(shù)的減排潛力和減排成本基礎(chǔ)數(shù)據(jù),見表2和表3,這為后續(xù)計(jì)算協(xié)同控制效應(yīng)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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以市場(chǎng)交易價(jià)格為基礎(chǔ)確定各污染物的權(quán)重,污染物價(jià)格變化,其權(quán)重會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,繼而影響大氣污染物協(xié)同減排當(dāng)量APeq的數(shù)值、技術(shù)減排措施的單位污染物減排成本及優(yōu)先度排序結(jié)果?!笆濉敝埃琋Ox不是總量控制指標(biāo),暫無(wú)排污權(quán)交易案例,由《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》可知,NOx交易價(jià)格為5 000元/t;2008年我國(guó)市場(chǎng)CDM項(xiàng)目?jī)r(jià)格平均約為10~12歐元/tCO2,本文暫采用100元/t作為CO2的價(jià)格參數(shù)。為考察價(jià)格的影響,進(jìn)行敏感性分析:(N、C分別為NOx、CO2減排潛力或減排劇本)。

根據(jù)上述1.1~1.3節(jié)中所述基本數(shù)據(jù),主要水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的NOx與CO2協(xié)同控制效應(yīng)二維坐標(biāo)系如圖2所示,各技術(shù)措施減排潛力及協(xié)同減排當(dāng)量指標(biāo)見表4。水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù)這三項(xiàng)技術(shù)在減排CO2的同時(shí)可以協(xié)同減排NOx,具有較好的協(xié)同控制效應(yīng)。從總減排效果來(lái)看,水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù)總減排效果較好。

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2.3 費(fèi)用-效果評(píng)價(jià)

主要水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)減排措施的減排成本結(jié)果如表5所示。這3項(xiàng)技術(shù)中水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)技術(shù)、水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)技術(shù)的減排成本為負(fù)值,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益;水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù)的減排成本為正值,協(xié)同減排過程中需要一定的經(jīng)濟(jì)成本。

2.4 水泥行業(yè)大氣污染與溫室氣體減排路徑分析

應(yīng)用于減排規(guī)劃時(shí),可根據(jù)“總量減排目標(biāo)(即橫坐標(biāo)上從原點(diǎn)向右截取的長(zhǎng)度)”、“邊際減排成本(即縱坐標(biāo)高度)”等目標(biāo)約束,選擇適當(dāng)?shù)臏p排路徑。依據(jù)圖1所示原理繪制出主要水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)協(xié)同控制減排路徑圖,如圖3所示。

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從圖3中可以看出,前2種技術(shù)均明顯位于橫軸下方,說(shuō)明該兩項(xiàng)技術(shù)在減排的同時(shí)還能節(jié)約成本,即是成本有效的減排技術(shù)。從CO2減排量、NOx減排量以及協(xié)同減排當(dāng)量來(lái)看,減排潛力最大的是水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù),具有較好的應(yīng)用前景。從CO2減排成本以及協(xié)同減排當(dāng)量成本來(lái)看,水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(RDF)技術(shù)具有較好的投資前景;從NOx減排成本來(lái)看,水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾(聯(lián)合氣化爐)技術(shù)具有較好的投資前景;從這三方面來(lái)看,水泥窯系統(tǒng)處置城市污水污泥(干化)技術(shù)的投資成本略高。

3 結(jié)論與建議

1)要充分考慮水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)的NOx減排和CO2減排的協(xié)同控制的可行性,推薦優(yōu)先采用高協(xié)同性的廢物處置技術(shù),并給予更多的技術(shù)和財(cái)政支持。

2)本文提及的3種水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)中,除水泥窯協(xié)同處置城市污水污泥(干化)技術(shù)外,均為成本有效的處置技術(shù),但是對(duì)水泥企業(yè)來(lái)說(shuō),巨大的初始投資對(duì)其財(cái)務(wù)是極大的考驗(yàn),故必要的財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等是最直接有效的手段。

原標(biāo)題:水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)減排潛力與成本分析

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