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水泥窯協同處置固體廢物技術減排潛力與成本分析

近年來,水泥窯協同處置固體廢物成為行業研發和應用關注的焦點。2012年,《建材行業節能減排先進適用技術目錄》將利用預分解窯協同處置危險廢物技術、利用預分解窯協同處置城鎮污水廠污泥技術、利用預分解窯協同處置垃圾焚燒爐飛灰技術納入其中。2014年12月,工信部、科技部和環保部聯合發布《國家鼓勵發展的重大環保技術裝備目錄(2014年版)》,將水泥窯協同無害化處置成套裝備列入固體廢物處理裝備推廣類項目。2015年,工信部等六部委聯合印發了開展水泥窯協同處置生活垃圾試點工作的通知。


      水泥窯協同處置技術早已成為德國、日本等國家的主要處理方式。由于我國還處于發展階段,水泥窯協同處置技術面臨初始投資成本高、運行成本高、政府補貼低等主要難題。本文擬就水泥窯協同處置固體廢物技術中3種協同處置工藝,即水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)、水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)和水泥窯協同處置城市污水污泥(干化),以5 000 t/d生產線為基準,綜合考慮減排量、減排成本指標,進行技術節能減排潛力和成本的分析,并給出技術發展的政策建議。

1 水泥窯協同處置固體廢物概況

    1.1 水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)技術

       水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)技術,即把城市生活垃圾經篩分、粉碎、發酵、干燥、加工成型等預處理工藝,加工成熱值更高、更穩定的垃圾衍生燃料(RDF),結合水泥分解爐燃燒特點,達到資源化處置與利用的技術。它適用于新型干法水泥生產線協同處置城市生活垃圾技術改造。需要注意的是:垃圾處理站或RDF預處理站與水泥生產企業的距離不宜過遠;垃圾引入的有害元素對水泥窯正常生產的影響等問題。F.L.Sth的“熱盤”技術和Polysius的預燃燒室技術,就屬于RDF協同處置技術的范疇。國內華新水泥、中材國際開發了此類相關技術,過程預燃技術和設備也在研發過程中。華新水泥窯協同處置的商業運作模式是集合生活垃圾的收集、轉運,垃圾的預處理和水泥窯協同處置于一體的創新性模式。經估算,若5 000 t/d水泥熟料生產線利用此類技術日處理200~500 t的生活垃圾,可實現噸熟料煤耗降低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8 000萬元,單位熟料運行成本降低3.36~6.72元/t。生活垃圾補貼費用因各地政府標準不統一(50~200元/t),假設每噸生活垃圾補貼100元,預計投資回收期超過10年。

   1.2 水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)技術

      水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)技術,即將城市生活垃圾發酵、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焚燒,氣化爐底渣經分離后作為水泥配料。這種技術是聯合水泥窯爐和氣化爐的雙重優勢,對由此產生的廢氣、爐底渣及滲濾液進行無害化處理的全新的環境保護技術。它適用于新型干法水泥生產線協同處置城市生活垃圾技術改造。需要注意的是:垃圾處理站與水泥生產企業的距離不宜過遠;垃圾引入的有害元素對水泥窯正常生產的影響等問題。日本川崎、德國RüDERSDORF水泥等掌握該類技術,安徽海螺CKK系統技術和南京凱盛開能環保氣化焚燒系統技術等就屬于此協同處置技術的范疇。CKK系統技術,氣化爐單爐主要規格為100~400 t/d,以配套2 000~12 000 t/d等不同規格的水泥窯系統。經調查,當垃圾喂入量占生產水泥熟料量10%以內時,對水泥正常生產并無影響。經估算,若5 000 t/d水泥熟料生產線利用此類技術日處理300 t的生活垃圾,可實現噸熟料煤耗降低約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,單位運行成本降低約4.48元/t。假設每噸生活垃圾補貼100元,預計投資回收期約為10年。

  1.3 水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術

      水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術,即將城市污水污泥送入污泥干化系統,利用水泥廠余熱來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,部分干化技術可達到5%以下)。烘干所得廢氣再次處理;所得干污泥呈散狀顆粒(部分干化技術可實現粒徑在10 mm以下,而熱值高達12 540~14 630 kJ/kg),經輸送及喂料設備,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,可用作水泥生產替代原料。污泥干化技術的核心在于熱交換器和干燥機。污泥干化系統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、直接接觸干燥技術、導熱油干化技術、污泥燃料化技術等。它適用于新型干法水泥生產線協同處置城市污水污泥技術改造。需要注意的是:城市污水污泥站與水泥生產企業的距離不宜過遠;引入的有害元素對水泥窯正常生產的影響;城市污水污泥運輸過程中的密閉;臭味的監測與控制等問題。日本日揮公司、意大利渦龍公司等掌握了相關水泥窯協同處置污水污泥(干化)的技術;國內北京水泥廠引進意大利“VOMM高效渦輪薄層干燥技術”(簡稱渦輪薄層技術/工藝),是采用導熱油干化污泥;廣州越堡水泥公司自行開發的旋流噴嘴直接干燥污泥,是利用窯尾余熱氣體對濕污泥進行干燥,污泥含水率可降至約30%[1],是典型的半干化技術;華新環境工程有限公司、合肥水泥研究設計院等產學研單位也有相應技術應用案例。經估算,5 000 t/d水泥熟料生產線日處理污泥500~600 t,噸熟料降低標準煤耗約6 kg,增加電耗3 kWh,減少余熱發電量約20%,噸熟料可實現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(《第一次全國污染源普查》),NOx的削減量為50%,則噸熟料可實現NOx減少0.8 kg。初始投資平均增加約8 000萬元,單位熟料運行成本增加4.55元/t。污泥補貼費用因各地政府標準不統一(50~300元/t),假設噸污泥補貼100元,預計投資回收期約為6年。

2 水泥窯協同處置技術減排潛力與成本

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

    2.1 邊際減排成本曲線

        邊際減排成本曲線(MAC),是從技術發展趨勢的角度,著重考慮相對基準情景的技術減排潛力和減排成本,通過目標的年減排成本排序,以進行技術評估分析。主要優點是數據要求較低,便于操作。主要分析步驟包括:

       ( 1)收集技術的減排潛力和減排成本。

       ( 2)協同控制效應分析。在二維坐標系中,橫軸反映技術措施對NOx的減排效果,縱軸反映技術措施對CO2的減排效果,該技術措施在坐標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)費用-效果評價。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)將技術按照長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)根據減排目標,通過橫坐標畫一條直線(其值為目標減排量),直線左側即為擬篩選技術組合。


    2.2 協同控制效應分析

      根據《中國水泥年鑒》[2]以及《第一次全國污染源普查》[3],計算得出水泥行業單位標準煤的NOx排放量;根據《中國水泥年鑒》以及《中國水泥行業二氧化碳排放系數測算數據》[4],計算得出水泥行業單位標準煤CO2排放量;根據《能源數據》[5]得到電力行業NOx和CO2排放系數。相關排放參數見表1。


      根據上述第1部分的技術基礎數據和表1的排放系數,計算得出三類技術的減排潛力和減排成本基礎數據,見表2和表3,這為后續計算協同控制效應分析提供基礎數據。


       以市場交易價格為基礎確定各污染物的權重,污染物價格變化,其權重會發生相應變化,繼而影響大氣污染物協同減排當量APeq的數值、技術減排措施的單位污染物減排成本及優先度排序結果。“十二五”之前,NOx不是總量控制指標,暫無排污權交易案例,由《排污費征收標準管理辦法》可知,NOx交易價格為5 000元/t;2008年我國市場CDM項目價格平均約為10~12歐元/tCO2,本文暫采用100元/t作為CO2的價格參數。為考察價格的影響,進行敏感性分析:(N、C分別為NOx、CO2減排潛力或減排劇本)。

       根據上述1.1~1.3節中所述基本數據,主要水泥窯協同處置固體廢物技術的NOx與CO2協同控制效應二維坐標系如圖2所示,各技術措施減排潛力及協同減排當量指標見表4。水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)技術、水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)技術、水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術這三項技術在減排CO2的同時可以協同減排NOx,具有較好的協同控制效應。從總減排效果來看,水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術總減排效果較好。


    2.3 費用-效果評價
       主要水泥窯協同處置固體廢物技術減排措施的減排成本結果如表5所示。這3項技術中水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)技術、水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)技術的減排成本為負值,具有一定的經濟效益;水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術的減排成本為正值,協同減排過程中需要一定的經濟成本。

    2.4 水泥行業大氣污染與溫室氣體減排路徑分析

       應用于減排規劃時,可根據“總量減排目標(即橫坐標上從原點向右截取的長度)”、“邊際減排成本(即縱坐標高度)”等目標約束,選擇適當的減排路徑。依據圖1所示原理繪制出主要水泥窯協同處置固體廢物技術協同控制減排路徑圖,如圖3所示。


       從圖3中可以看出,前2種技術均明顯位于橫軸下方,說明該兩項技術在減排的同時還能節約成本,即是成本有效的減排技術。從CO2減排量、NOx減排量以及協同減排當量來看,減排潛力最大的是水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術,具有較好的應用前景。從CO2減排成本以及協同減排當量成本來看,水泥窯協同處置城市生活垃圾(RDF)技術具有較好的投資前景;從NOx減排成本來看,水泥窯協同處置城市生活垃圾(聯合氣化爐)技術具有較好的投資前景;從這三方面來看,水泥窯系統處置城市污水污泥(干化)技術的投資成本略高。

3 結論與建議

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

       ( 2)本文提及的3種水泥窯協同處置固體廢物技術中,除水泥窯協同處置城市污水污泥(干化)技術外,均為成本有效的處置技術,但是對水泥企業來說,巨大的初始投資對其財務是極大的考驗,故必要的財政補貼、稅收優惠等是最直接有效的手段。


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