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水泥窑协同处置固体废物技术减排潜力与成本分析

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作者:GDWEK

近年来,水泥窑协同处置固体废物成为行业研发和应用关注的焦点。2012年,《建材行业节能减排先进适用技术目录》将利用预分解窑协同处置危险废物技术、利用预分解窑协同处置城镇污水厂污泥技术、利用预分解窑协同处置垃圾焚烧炉飞灰技术纳入其中。2014年12月,工信部、科技部和环保部联合发布《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录(2014年版)》,将水泥窑协同无害化处置成套装备列入固体废物处理装备推广类项目。2015年,工信部等六部委联合印发了开展水泥窑协同处置生活垃圾试点工作的通知。

水泥窑协同处置技术早已成为德国、日本等国家的主要处理方式。由于我国还处于发展阶段,水泥窑协同处置技术面临初始投资成本高、运行成本高、政府补贴低等主要难题。本文拟就水泥窑协同处置固体废物技术中3种协同处置工艺,即水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)、水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)和水泥窑协同处置城市污水污泥(干化),以5 000 t/d生产线为基准,综合考虑减排量、减排成本指标,进行技术节能减排潜力和成本的分析,并给出技术发展的政策建议。

1 水泥窑协同处置固体废物概况

1.1 水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)技术

水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)技术,即把城市生活垃圾经筛分、粉碎、发酵、干燥、加工成型等预处理工艺,加工成热值更高、更稳定的垃圾衍生燃料(RDF),结合水泥分解炉燃烧特点,达到资源化处置与利用的技术。它适用于新型干法水泥生产线协同处置城市生活垃圾技术改造。需要注意的是:垃圾处理站或RDF预处理站与水泥生产企业的距离不宜过远;垃圾引入的有害元素对水泥窑正常生产的影响等问题。F.L.Sth的“热盘”技术和Polysius的预燃烧室技术,就属于RDF协同处置技术的范畴。国内华新水泥、中材国际开发了此类相关技术,过程预燃技术和设备也在研发过程中。华新水泥窑协同处置的商业运作模式是集合生活垃圾的收集、转运,垃圾的预处理和水泥窑协同处置于一体的创新性模式。经估算,若5 000 t/d水泥熟料生产线利用此类技术日处理200~500 t的生活垃圾,可实现吨熟料煤耗降低3%~6%,电耗增加3~5 kWh,折算成吨熟料CO2排放量降低4.02~13.23 kg,吨熟料NOx排放量降低0.02~0.06 kg。初始投资平均增加约8 000万元,单位熟料运行成本降低3.36~6.72元/t。生活垃圾补贴费用因各地政府标准不统一(50~200元/t),假设每吨生活垃圾补贴100元,预计投资回收期超过10年。

1.2 水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)技术

水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)技术,即将城市生活垃圾发酵、均化、破碎、称量等工序后,先送入气化炉,汽化后形成可燃性气体送入水泥分解炉内焚烧,气化炉底渣经分离后作为水泥配料。这种技术是联合水泥窑炉和气化炉的双重优势,对由此产生的废气、炉底渣及渗滤液进行无害化处理的全新的环境保护技术。它适用于新型干法水泥生产线协同处置城市生活垃圾技术改造。需要注意的是:垃圾处理站与水泥生产企业的距离不宜过远;垃圾引入的有害元素对水泥窑正常生产的影响等问题。日本川崎、德国RÜDERSDORF水泥等掌握该类技术,安徽海螺CKK系统技术和南京凯盛开能环保气化焚烧系统技术等就属于此协同处置技术的范畴。CKK系统技术,气化炉单炉主要规格为100~400 t/d,以配套2 000~12 000 t/d等不同规格的水泥窑系统。经调查,当垃圾喂入量占生产水泥熟料量10%以内时,对水泥正常生产并无影响。经估算,若5 000 t/d水泥熟料生产线利用此类技术日处理300 t的生活垃圾,可实现吨熟料煤耗降低约4%,电耗增加2~4 kWh,折算成吨熟料CO2排放量降低7.34~8.82 kg,吨熟料NOx排放量降低0.03~0.04 kg。初始投资平均增加约1亿元,单位运行成本降低约4.48元/t。假设每吨生活垃圾补贴100元,预计投资回收期约为10年。

1.3 水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术

水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术,即将城市污水污泥送入污泥干化系统,利用水泥厂余热来直接或间接烘干湿污泥(含水率80%左右)至干污泥(含水率30%以下,部分干化技术可达到5%以下)。烘干所得废气再次处理;所得干污泥呈散状颗粒(部分干化技术可实现粒径在10 mm以下,而热值高达12 540~14 630 kJ/kg),经输送及喂料设备,送入水泥窑,可作为替代燃料直接参与燃烧。另外,干污泥中含有SiO2、CaO等,可用作水泥生产替代原料。污泥干化技术的核心在于热交换器和干燥机。污泥干化系统因热源与污泥接触方式、干化效率的不同,分为增钙热干化技术、直接接触干燥技术、导热油干化技术、污泥燃料化技术等。它适用于新型干法水泥生产线协同处置城市污水污泥技术改造。需要注意的是:城市污水污泥站与水泥生产企业的距离不宜过远;引入的有害元素对水泥窑正常生产的影响;城市污水污泥运输过程中的密闭;臭味的监测与控制等问题。日本日挥公司、意大利涡龙公司等掌握了相关水泥窑协同处置污水污泥(干化)的技术;国内北京水泥厂引进意大利“VOMM高效涡轮薄层干燥技术”(简称涡轮薄层技术/工艺),是采用导热油干化污泥;广州越堡水泥公司自行开发的旋流喷嘴直接干燥污泥,是利用窑尾余热气体对湿污泥进行干燥,污泥含水率可降至约30%[1],是典型的半干化技术;华新环境工程有限公司、合肥水泥研究设计院等产学研单位也有相应技术应用案例。经估算,5 000 t/d水泥熟料生产线日处理污泥500~600 t,吨熟料降低标准煤耗约6 kg,增加电耗3 kWh,减少余热发电量约20%,吨熟料可实现CO2排放量减少11.5 kg,NOx的削减量在40%~60%之间,假定原吨熟料NOx排放量为1.6 kg(《第一次全国污染源普查》),NOx的削减量为50%,则吨熟料可实现NOx减少0.8 kg。初始投资平均增加约8 000万元,单位熟料运行成本增加4.55元/t。污泥补贴费用因各地政府标准不统一(50~300元/t),假设吨污泥补贴100元,预计投资回收期约为6年。

2 水泥窑协同处置技术减排潜力与成本

为了较为全面地分析各主要水泥窑协同处置固体废物技术的减排潜力和减排成本,以5 000 t/d水泥熟料生产线作为基准,采用边际减排成本曲线(MAC)方法进行相关技术的评估分析。

2.1 边际减排成本曲线

边际减排成本曲线(MAC),是从技术发展趋势的角度,着重考虑相对基准情景的技术减排潜力和减排成本,通过目标的年减排成本排序,以进行技术评估分析。主要优点是数据要求较低,便于操作。主要分析步骤包括:

1)收集技术的减排潜力和减排成本。

2)协同控制效应分析。在二维坐标系中,横轴反映技术措施对NOx的减排效果,纵轴反映技术措施对CO2的减排效果,该技术措施在坐标系中所处的空间位置,可以直观地反映其减排效果及其处置状况。

3)费用-效果评价。单位污染物减排成本是将减排措施的减排效果和减排成本综合考虑,反映了减排单位量的污染物所必须付出的成本。

4)将技术按照长期边际成本由低到高排序,绘制边际减排成本曲线(见图1)。

5)根据减排目标,通过横坐标画一条直线(其值为目标减排量),直线左侧即为拟筛选技术组合。

2.2 协同控制效应分析

根据《中国水泥年鉴》[2]以及《第一次全国污染源普查》[3],计算得出水泥行业单位标准煤的NOx排放量;根据《中国水泥年鉴》以及《中国水泥行业二氧化碳排放系数测算数据》[4],计算得出水泥行业单位标准煤CO2排放量;根据《能源数据》[5]得到电力行业NOx和CO2排放系数。相关排放参数见表1。

根据上述第1部分的技术基础数据和表1的排放系数,计算得出三类技术的减排潜力和减排成本基础数据,见表2和表3,这为后续计算协同控制效应分析提供基础数据。

以市场交易价格为基础确定各污染物的权重,污染物价格变化,其权重会发生相应变化,继而影响大气污染物协同减排当量APeq的数值、技术减排措施的单位污染物减排成本及优先度排序结果。“十二五”之前,NOx不是总量控制指标,暂无排污权交易案例,由《排污费征收标准管理办法》可知,NOx交易价格为5 000元/t;2008年我国市场CDM项目价格平均约为10~12欧元/tCO2,本文暂采用100元/t作为CO2的价格参数。为考察价格的影响,进行敏感性分析:(N、C分别为NOx、CO2减排潜力或减排剧本)。根据上述1.1~1.3节中所述基本数据,主要水泥窑协同处置固体废物技术的NOx与CO2协同控制效应二维坐标系如图2所示,各技术措施减排潜力及协同减排当量指标见表4。水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)技术、水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)技术、水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术这三项技术在减排CO2的同时可以协同减排NOx,具有较好的协同控制效应。从总减排效果来看,水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术总减排效果较好。

2.3 费用-效果评价

主要水泥窑协同处置固体废物技术减排措施的减排成本结果如表5所示。这3项技术中水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)技术、水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)技术的减排成本为负值,具有一定的经济效益;水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术的减排成本为正值,协同减排过程中需要一定的经济成本。

2.4 水泥行业大气污染与温室气体减排路径分析

应用于减排规划时,可根据“总量减排目标(即横坐标上从原点向右截取的长度)”、“边际减排成本(即纵坐标高度)”等目标约束,选择适当的减排路径。依据图1所示原理绘制出主要水泥窑协同处置固体废物技术协同控制减排路径图,如图3所示。

从图3中可以看出,前2种技术均明显位于横轴下方,说明该两项技术在减排的同时还能节约成本,即是成本有效的减排技术。从CO2减排量、NOx减排量以及协同减排当量来看,减排潜力最大的是水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术,具有较好的应用前景。从CO2减排成本以及协同减排当量成本来看,水泥窑协同处置城市生活垃圾(RDF)技术具有较好的投资前景;从NOx减排成本来看,水泥窑协同处置城市生活垃圾(联合气化炉)技术具有较好的投资前景;从这三方面来看,水泥窑系统处置城市污水污泥(干化)技术的投资成本略高。

3 结论与建议

1)要充分考虑水泥窑协同处置固体废物技术的NOx减排和CO2减排的协同控制的可行性,推荐优先采用高协同性的废物处置技术,并给予更多的技术和财政支持。

2)本文提及的3种水泥窑协同处置固体废物技术中,除水泥窑协同处置城市污水污泥(干化)技术外,均为成本有效的处置技术,但是对水泥企业来说,巨大的初始投资对其财务是极大的考验,故必要的财政补贴、税收优惠等是最直接有效的手段。