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我国不同行业协同处置利用固体废物情况

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我国不同行业协同处置利用固体废物情况

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新闻中心
2022/04/01 14:18
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2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报显示,2019年我国196个大、中城市一般工业固体废物产生量为13.8亿t,工业危险废物产生量为4498.9万t,城市生活垃圾产生量为23560.2万t,固体废物的处置利用压力越来越大。党中央、国务院高度重视固体废物污染环境防治及处置利用工作,随着2020年修订的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》《国家危险废物名录》等的实施,以及“无废城市”试点建设等工作的推进,各行业协同处置利用固体废物产业迅速发展,正在形成途径多、附加值高的新发展格局。

1 水泥行业协同处置利用

水泥窑协同处置固体废物技术是利用可有效阻止焚烧废弃物中有害物质溶出,中和氟化氢、氯化氢、二氧化硫,避免二噁英与呋喃重新合成的水泥窑独特的高温环境和碱性气氛,使用固体废物替代部分原料或燃料,使水泥生产企业能够节省原料需求,降低能源消耗,彻底实现资源化,同时碳酸钙分解所释放的二氧化碳减少,且废弃物填埋场被大大的节约,符合节能、降耗和减排要求,具有明显的经济效益和环境效益。目前,我国水泥行业协同处置利用的固体废物主要包含生活垃圾、危险废物、污泥等,处置利用类型主要是替代原料、替代燃料及废物处置。

对于生活垃圾,截至2018年10月,我国已拥有57个水泥窑协同处置生活垃圾项目,处置能力达770万t/a。水泥窑协同处置技术从基本原理上分为两类,第一类为制备成垃圾衍生燃料(RDF)入水泥窑处置利用,即通过脱水、破碎、筛分等工艺将生活垃圾中可燃成分制成RDF替代部分燃煤,在水泥窑高温区焚烧;第二类将生活垃圾经脱水、破碎等预处理后,使用新增加配套焚烧设备对其焚烧,产生的废气及废渣进入水泥窑。华新水泥股份有限公公司、中国中材国际工程股份有限公司等采用第一类工艺,北京金隅集团股份有限公司、安徽海螺水泥股份有限公司、华润水泥控股有限公司等采用第二类工艺。上述5家企业所采用的水泥窑协同处置生活垃圾技术在投资、运营成本、适用性等方面各有特点:从投资方面来看,华新、中材国际、海螺、华润投资成本高,对于500t/d的生活垃圾项目投资超过1亿元,而金隅相对低一些。从运行成本方面来看,5家企业的运行成本在120~220元/t之间,其中金隅和华润相对低一些,成本分别为130~150元/t、120~140元/t。从适用性方面来看,华新的技术适用于含水率高的生活垃圾项目,需要水泥窑协同处置与垃圾填埋场联合运营,预处理厂的厂外建设会增加占地及转运成本;中材国际的技术针对高品质生活垃圾,筛下物进入原料配料系统;金隅的技术适用于各种品质的生活垃圾,但由于采用窑外气化炉使得热效率低,降低了垃圾热值使用效率;海螺的技术适用于各种品质垃圾,但由于对水泥窑系统的影响大,导致水泥窑协同处置垃圾量受限,并且对熟料产能影响大,因此不适用于处置利用量大的项目,预处理简单,以处置为主,欠缺替代燃料的利用;华润的技术适用于各种品质的生活垃圾,特别是含水率高、热值高易燃类、品质较好的生活垃圾。

对于危险废物,截至2018年,我国已取得危废经营许可证的水泥窑协同处置危废项目60个,处置规模约368万t/a,从企业来看,前三强分别是红狮控股集团有限公司、安徽海螺水泥股份有限公司、北京金隅集团股份有限公公司,3个企业的危废协同处置能力占整个行业的46%。从地区分布来看,我国已有20个省份和直辖市存在水泥窑协同处置危险废物的产能,其中产能规模居前五的省份为:浙江(66万t/a)、河南(30万t/a)、广西(22万t/a)、江苏(22万t/a)与福建(19万t/a),其合计规模占全国的56%。成本方面,水泥窑协同处置具有投入少、成本小、建设期短、处置价格远低于焚烧、填埋等优势,资料显示,水泥窑协同处置危险废物的投资约为专业焚烧炉的1/3~1/5,处置5000t/a的危险废物可获得利润500万元。环保方面,水泥窑特有的结构和焚烧工艺可以将各种难降解的有机物彻底分解,将各类重金属稳定地烧结到熟料中,同时在减少焚烧污染特别是遏制生成二噁英方面具有得天独厚的优势,而且此过程中烟气处置产生的窑灰返回生料入窑系统,可有效避免新生危险废物带来的二次贮存、处置问题。容量方面,水泥窑协同处置能力基本都在万吨以上,大于危险废物的焚烧、填埋。然而,水泥行业协同处置利用危险废物也存在一些劣势,首先,水泥生产受产业政策、市场供求、行业波动等影响,特别是主要依赖于水泥窑协同处置利用危险废物的区域,一旦水泥生产出现减产、停产,将对危险废物的及时、安全处置利用产生影响;其次,我国相关的法律法规和技术规范等相对薄弱,现有的水泥窑协同企业尚未形成规模体系,表现出研发能力差、实践经验不足、专业技术人员缺乏等问题,难以有效保障协同的质量;最后,由于水泥行业协同处置利用需要考虑协同危险废物对水泥品质、产量和设备的影响,因此只能局限于某些来源和组成稳定的危险废物。

对于污泥,截至2019年,我国拥有水泥窑协同处置污泥生产线24条,处置污泥约195万t/a。依托水泥窑设备协同处置利用污泥技术具有有机物被彻底分解、不残留重金属、无二次污染、资源化效率高、处置利用量大、工艺稳定、投资少及运营成本低等优势。我国相关标准规范指出,水泥窑协同处置污泥宜在规模为2000t/d及以上的新型干法水泥熟料生产线上进行。目前,我国水泥企业处置利用污泥的主要方法有作为生料配料、直接送烟室或分解炉焚烧、利用药剂和板框压滤协同技术、直接干化后焚烧、间接干化后焚烧、生物干化技术等,这些方法各有优缺点:作为生料配料法的优势是投资少,方法简单,当使用污泥量适当时对熟料质量没有不利影响,有利于节约能源;劣势是若未处置产生的二噁英等有害物质就进行排放会造成大气污染。直接送烟室或分解炉焚烧法的优势是对环境无污染,投资较少。利用药剂和板框压滤协同技术法的劣势是氯化铁的加入使污泥中具有大量氯离子,污泥处置利用量受限,对水泥窑及熟料产量影响较大。直接干化后焚烧法的优势是可提高处置利用污泥量;劣势是臭气量相应较多,因而相应处置臭气的设备投资及运行费用也较大。间接干化后焚烧法的优势是污泥处置利用量大。生物干化技术法的优势是微生物的好氧发酵是干化所需能量的来源,是一种非常经济节能的干化技术,且对物料进行强制鼓风,从而促进了整个干化过程,缩短了干化周期;劣势是目前还存在各种技术问题,处置利用效果难以达到预期。

此外,水泥窑协同处置一般固废的种类与规模也日益增加。例如2019年12月27日正式投产的广元海创利用水泥窑协同处置一般固废项目,其日处置利用量为330t,每年协同处置利用量为7万t,可处置利用垃圾焚烧发电的灰渣、汽车生产、电子、电缆、电镀、印染、造纸、化工等行业生产的工业废弃物、工业污泥、市政污泥和工业尾矿等。水泥窑协同处置过程中,低水分可燃物通过预处理、破碎、运输,在分解炉高温带直接焚烧,替代部分燃料;半固态和固态废弃物通过破碎、调和、储存,然后输送、破碎、搅拌、计量,到分解炉焚烧;飞灰性废物经过储存、计量、泵送至窑头焚烧。虽然目前我国在水泥窑协同处置固体废物方面已经开展大量工作并取得一定成果,但还是存在不少问题,例如我国主要把水泥窑协同处置作为一种废弃物无害化的手段,只要满足环境排放及产品重金属含量标准,就能进行水泥窑协同处置含有重金属的固体废物,导致大量重金属转移到水泥产品中。

虽然基于目前的检测手段及设备还未检出任何环境风险,但还是会具有潜在生态风险和健康风险。我国固体废物预处理程序仅为满足入窑焚烧要求,固体废物入窑前也未进行热值调配,这增加了对窑况的负面影响,降低了水泥窑协同处置能力及水泥生产能力。我国的固体废物分类体系建设起步不久,还不够健全,导致目前水泥企业较难收集到可燃性废弃物。我国尚未出台水泥窑协同处置方面的建设规划,易导致我国部分地区水泥窑协同处置与焚烧和填埋等价格更高的处置方式进行恶性竞争,且水泥窑协同处置的运行受水泥等市场需求的影响较大,因此水泥窑协同处置应作为一种补充方式,不可替代焚烧和填埋等处置方式。公众对水泥窑协同处置固体废物过程中的污染物及风险控制缺乏了解,导致其对水泥窑协同处置技术及产生的水泥产品产生抵触心理,影响了水泥窑协同处置固体废物制备的水泥产品所占市场份额。此外,目前我国缺乏如水泥窑协同处置固体废物二氧化碳减排评价和碳排放配额交易制度等激励政策和制度。

为应对上述存在问题,应从水泥窑协同处置发展规划、碳减排激励政策等方面多角度完善顶层设计。相关部门应根据我国水泥窑协同处置固体废物的实际情况,从技术、设备、材料、风险等方面加快进行研究,提高协同处置利用的环境及人体健康安全水平、固体废物处置利用量及水泥质量。可通过建立示范工程、媒体宣传等途径,积极推广水泥窑协同处置固体废物,提高公众对其认知水平,促进其健康发展。

2陶粒行业协同处置利用

陶粒原料的主要成分为二氧化硅和三氧化二铝,粉煤灰、污泥等部分固体废物的主要成分与其相契合,且粒度小,将其作为陶粒原料使用可大幅度降低破碎磨矿成本,同时可对其进行消纳,获得可观的经济效益和社会效益。陶粒原料由两部分组成,即成陶基体与外加剂,其中成陶基体逐渐从黏土、页岩等不可再生资源向固体废物方向发展,粉煤灰、污泥、赤泥、尾矿与废石、建筑垃圾等皆可作为成陶基体。总体来看,能作为陶粒原料的固体废物成分不尽相同,但大体上以二氧化硅和三氧化二铝为主,并含有钙、铁、钾、钠、镁及少量重金属物质等。不同固体废物需要与其他粉料掺配使用以达到适当的成分,才能制备出性能优良的陶粒。粉煤灰的成分与陶粒原料极为契合,为52%~65%的二氧化硅、16%~36%的三氧化二铝,还有三氧化二铁、氧化钙、氧化钠、氧化镁、氧化钛等,因此粉煤灰陶粒制备过程中仅需加入少量粉煤灰、废渣等即可;而其他类型的固体废物由于成分与陶粒原料契合度稍差,大都要加入黏土、页岩、粉煤灰等不可再生或价格偏贵的原料来制作陶粒,甚至某些固体废物陶粒中黏土的掺加量超过了50%,这使得黏土、页岩等不可再生资源的消耗量大幅增加,在某种程度上违背了绿色工业与可持续发展的要求。目前已有学者仅使用多种固体废物进行配比就得到了性能良好的陶粒。此外,固体废物制备的陶粒密度普遍高达600~700级甚至更高,小于500级的超轻陶粒很少,因此,限制了陶粒在轻质材料方向的应用及销售途径,同时高密度的陶粒价格便宜,产品附加值低。近年来,我国陶粒原料的发展呈现如下趋势,陶粒原料中固体废物陶粒所占比例明显增加,其中建筑废弃土陶粒和污泥陶粒所占市场份额显著增长,调研数据显示:占所有调研企业72%的企业生产的陶粒以建筑废弃土为主要原料,占所有调研企业52%的企业在陶粒原料中加入了25%~30%含量的污泥。此外,部分企业开始尝试加入作物秸秆、稻壳糠麸等有机质制作陶粒,这不仅降低了能耗与成本,还消纳了农业废弃物。同时,以单一黏土为原料的陶粒企业只剩下几家,虽然页岩陶粒得到发展,但是由于建筑废弃土陶粒和污泥陶粒的加入,造成页岩陶粒在全国陶粒生产量占比降低,粉煤灰陶粒的性能局限性导致其减产,而煤矸石陶粒开始崭露头角。在未来,陶粒原料结构会更加倾向于固体废物,污泥陶粒、煤矸石陶粒、尾矿与废石陶粒将逐渐成为主流产品;设计精确、生产效率高、环境友好、能耗低、产品多样化的生产线及设备将逐渐建成、投产与使用;政策的推动力应表现在对于陶粒产品加强质量检测与合理优化市场调度,鼓励和支持不同行业使用陶粒,如建筑行业使用陶粒对传统骨料进行代替或部分替代,在石油化工、食品安全、环境绿化等领域应用陶粒等;开发陶粒的高附加值应用,如对陶粒进行表面改性、化学处理、裹层等二次加工使其具备独特的表面结构、特殊的吸附性等新的性能,使陶粒的销售价格增加。

3混凝土行业协同处置利用

目前楼宇、道路、管道、桥梁、高铁、地铁、机场等使用材料中,80%以上的结构体积都是混凝土,混凝土行业主要应从3个方面对固体废物进行利用,一是骨料,二是掺和料,三是使用含30%左右工业固体废物的水泥。以预拌混凝土为例,每1m3预拌混凝土大约重2400kg,其中大多含建筑垃圾500kg左右和粉煤灰80kg左右。目前,废玻璃、废橡胶粉、钢渣、部分尾矿、矿渣、焚烧灰、废石等已被证明可应用在混凝土中。我国每年约产生1040万t的废玻璃,占固体废物总量的5%左右。废玻璃主要以2种方式掺入混凝土:第一种是替代部分粗或细骨料,第二种是把玻璃碾磨成粉末替代水泥。不论使用哪种方式掺入混凝土,都可能会面临碱硅酸反应(ASR)膨胀,ASR膨胀问题是当前研究的主要方向。对于废橡胶粉,研究表明,当橡胶含量不超过10%时,有望将其应用于公路路面、桥面覆盖层、隔音层等对强度要求不高的地方。同时,将废橡胶粉掺入混凝土中可能会极大改善抗收缩性并提高韧性、抗冲击性及抗冻性。当前将废橡胶粉应用于混凝土的关键在于其改性技术及成本控制。对于钢渣的主要应用有:粗钢渣代替粗骨料、粗磨钢渣代替细骨料、利用钢渣生产水泥、钢渣用作掺合料。与普通混凝土相比,钢渣混凝土的优势是具有较高劈拉强度和弹性模量,但其干缩性能较低。经试验验证,钢渣混凝土较好的力学性能使其在道路工程应用中能达到预期效果,然而,钢渣在混凝土中的应用还有一些问题有待继续研究,如钢渣替代粗骨料、细集料、水泥等,应该以何种比例能够发挥钢渣最大的效能,使混凝土具有最佳性能等。此外,其他工业固体废物应用到混凝土中的有废石、粗粒尾矿、废弃混凝土渣等作为骨料。含有大量无定形二氧化硅和三氧化二铝,或活性较高氧化钙的粉煤灰、炉渣、磷渣、偏高岭土渣、硅灰、硅藻土、沸石粉、烧煤矸石、锂渣、锰渣、铜渣、垃圾焚烧灰、污泥、稻壳灰、赤泥、煤渣、凝灰岩、浮石粉等,可作为活性矿物掺合料,减少硅酸盐水泥在混凝土中的使用量,并可起到增加塑性、降低水泥水化热峰值、提高混凝土密实度和耐久性的作用。制备特种混凝土,如用浮石粉、凝灰岩粉、粉煤灰陶粒、煤矸石粉、矿渣制备轻质的混凝土,用废橡胶轮胎作为骨料之一,制备具有隔声、隔热、减震和抗裂功能的混凝土,用废塑料、聚酯、钢等各类纤维制备具有抗裂抗折功能的混凝土。在未来,相关部门会加大研究力度,制定各种固体废物制备混凝土的相关标准等技术文件,用以指导和规范固体废物在混凝土行业的应用,并不断探索出固体废物应用种类更广、产品性能优异且价格适宜的固体废物混凝土材料。

4 钢铁行业协同处置利用

我国钢铁行业涵盖焦化、烧结(球团)、高炉、转炉等主要工序,具有流程长、固体废物与污染物生成量大等特点,2018年我国粗钢产量占全球的53.3%,达到9.963亿t,这意味着全球钢铁企业一半左右的钢铁产品、副产物和固体废物会在中国产生。我国钢铁企业践行清洁生产、绿色发展的理念,通过将企业内产生的固体废物与原料结合,利用自身冶炼窑炉对固体废物进行焚烧、热解等方式,实现了“固废不出厂”及固体废物的减量化、无害化和资源化利用。与固体废物焚烧炉、水泥窑炉相比,钢铁企业冶炼窑炉同样具备能够协同处置利用固体废物的工艺特征,如1200~1700℃的高温、还原(高炉)氧化(转炉)氛围、高碱性环境及完备的环保设施等。与外委处置利用相比,钢铁企业自身协同处置利用成本比市场价低1/2以上,且处置利用种类多、规模大、适用性强,生产安全,环境风险可控,污染物排放达标。如焦灰适用于高炉喷吹,转炉除尘灰制备铁系颜料,含铁粉尘循环到烧结配矿中再次烧结使用等。目前,许多钢铁冶炼炉窑协同处置固体废物项目获批或落地。例如,2020年获批的韶钢钢铁冶炼炉窑协同处置工业固体废物项目,总投资8883.17万元,建设规模为收集、贮存、协同处置利用危险废物18万t/a,包括废活性炭2万t/a、钢厂烟尘灰11万t/a、废铁质包装桶5万t/a。虽然目前我国在钢铁冶炼炉窑协同处置固体废物方面已经开展大量工作并取得一定成果,但还是存在如下问题。缺少类似《水泥窑协同处置固体废物污染物控制标准》(GB 30485—2013)《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ 662—2013)《水泥窑协同处置危险废物经营许可证审查指南》等标准、技术规范和细则,导致各地区钢铁企业对如何合法合规处置利用内部产生的固体废物无法可依,也导致各省市钢铁企业开展内部固体废物减量化、无害化及资源化进度不一。为应对上述存在问题,政府相关部门应出台、落实钢铁冶炼炉窑协同处置固体废物的相关政策和法律法规,以规范和引导钢铁企业合法合规处置利用固体废物,推动企业走绿色循环低碳发展的道路。此外,政府部门应开展钢铁冶炼窑炉协同处置固体废物的试点示范,并逐步在行业内进行推广。

5 结论与展望

固体废物所带来的污染及资源浪费作为一类典型问题,已引起各行各业的高度重视。目前,水泥、混凝土、陶粒、钢铁等行业利用各自的设备、工艺、材料等特点协同处置利用各种固体废物得到了广泛的研究与应用。然而,各个行业可能会面临缺乏固体废物被协同处置利用的建设规划、激励政策等顶层设计,不同行业协同处置利用固体废物缺乏相关标准等技术文件,固体废物的加入影响设备和产品产量及质量,产品环境风险不确定,固体废物所制产品所占市场份额有待提高等问题。未来,需要完善固体废物被各行业协同处置利用的相关法律法规、政策和标准,来规范、指导和激励企业进行固体废物协同处置利用;加大研究力度,以提高固体废物制备产品的质量,降低产品制备成本,提升产品市场占有份额;开展各行业协同处置利用固体废物的试点示范,逐步推广。

 
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