水泥窑协同处置危险废物的碳减排分析

时间：2024-12-30

芮文洁，赵旭红，徐晟铭，汤留强，嵇磊（溧阳中材环保有限公司，江苏溧阳 213363）

0 引言

水泥工业是国民经济的重要基础产业，然而在为社会进步及经济发展作出巨大贡献的同时，水泥的生产也消耗了大量的资源和能源，产生了大量的温室气体CO2。水泥行业二氧化碳的排放量仅次于电力行业，位于全国第二，据统计，2017年全国水泥产量23.16亿t，年碳排放约11.4亿t；水泥工业碳排放量占整个工业碳排放量的20%，占全国碳排放量的12%，约占人类活动所产生二氧化碳总量的5%[1-2]。

在水泥生产过程中燃料产生的CO2占碳排放总量的40%，而采用产生CO2少的其它矿物燃料和生物质燃料替代常规燃料（如煤碳和石油焦），其产生的CO2比煤的CO2排放强度小20%～25%[3]。因而利用水泥窑协同处置废弃物，如生活垃圾、污泥、危险废物等，可大幅度降低CO2的排放量，是水泥企业碳减排的一条重要技术途径。其中，危险废物中有机质含量通常在55%以上，在水泥窑中煅烧时会产生热量，焚烧后的残渣主要是硅铝无机盐，可作为水泥生产需要的硅铝质原料，危险废物中的有机成分和无机成分均能得到充分利用，因此危险废物可用作水泥生产替代燃料。但由于危险废物中有害元素易超标，导致危险废物替代水泥窑燃料存在一定风险。

本文以溧阳某水泥窑协同处置危险废物项目为研究对象，通过分析危险废物燃料替代率，核算危险废物预处理过程、水泥生产过程及协同处置过程的CO2排放量，以实际案例分析进一步明确利用水泥窑协同处置危险废物的减排效应。

1 协同处置危险废物工艺

溧阳危险废物项目根据危险废物液态及固态/半固态两种不同形态，对其分别进行预处理。经预处理后的危险废物由汽车输送至水泥厂接收仓，根据不同形态分别进窑头投料点和分解炉投料点。工艺流程图见图1。

图1 协同处置危险废物工艺流程图

2 燃料替代

危险废物作为传统燃料的替代率受处置量的限制。据调查，该项目的水泥厂未处置危险废物时，用煤量638.4 t/d，实测平均热值27.10 MJ/kg；根据2018年的生产数据，危险废物处置量为87.1 t/d，实测平均热值9.76 MJ/kg通过热值换算得到危险废物折合实煤比例为0.36，可得到替代率为4.9%，替代率公式[4]：替代率=被替代煤量/替代前用煤量。

同时，危险废物作为替代燃料具有一定风险性，其替代率也受水泥熟料中有害物质含量的限制，而熟料中有害物质的投入量取决于入窑危险废物、煤粉、生料中有害物质的含量。在危险废物替代率为4.9%的工况下，分别对入窑物料中氯、氟、硫以及重金属进行分析核算。

（1）氯（氟）元素。入窑物料中氯（氟）元素按式（1）计算：

式中，C—入窑物料中氟元素或氯元素的含量，%；Cw、Cf和Cr—危险废物、煤粉、生料中的氟元素或氯元素含量，%；mw、mf和mr—单位时间内危险废物、煤粉、生料的投加量，t/d。

在溧阳项目中mw、mf和mr分别取值87.1，606.9，7 440t/d；氯（氟）、硫元素含量取值参照表1，计算可得入窑氯元素0.019%，氟元素0.0001%。

表1 有害元素取值

（2）硫元素。本项目仅从分解炉高温区投加危险废物，因此危险废物和配料系统投加硫的总量的计算如式（2）所示。

式中，S—硫的投加量，mg/kg；SW、Sf和Sr—危险废物、煤粉、生料中的硫含量，%；mW、mf和mr—单位时间内危险废物、煤粉、生料的投加量，t/d；mcil为熟料产量，本文选取5000t/d。计算可得入窑单位熟料硫元素1 271mg/kg。

（3）重金属。危险废物、煤粉、生料中的重金属含量以及物料投加速率决定了入窑重金属投加量，重金属的单位熟料投加量（mg/kg）计算见式（3）。

根据《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》HJ 662—2013，入窑物料中氯元素含量不应大于0.04%，氟元素含量不大于0.5%，从窑尾高温区投加的硫的总含量不应大于3000mg/kg，由上述计算可得，在危险废物替代率为4.9%的工况下，入窑的有害元素均在标准限值以下，该种工况可行。

表2 重金属含量 mg/kg

3 碳排放计算

水泥窑协同处置危险废物，在实现危险废物减量化的同时，也实现了水泥熟料生产过程中燃料的替代，有效减少碳排放。以溧阳项目为实例，对水泥厂在生产过程中的碳排放进行核算。

3.1 直接排放

直接排放主要分为碳酸盐分解和燃料燃烧，其中碳酸盐分解占熟料煅烧碳排放的60%。行业中通常按烧成熟料中的氧化钙和氧化镁计算生料中的碳酸盐分解产生的CO2的排放量[5]，见公式（4）。

式中，M1—熟料质量，t；Mckd—窑头粉尘质量，t；Mbpd—旁路放风粉尘的质量，t；m2—熟料中氧化钙的比例，%；m3—熟料中不是来源于碳酸盐分解氧化钙的比例，%；m4—熟料中氧化镁的比例，%；m5—熟料中不是来源于碳酸盐分解氧化镁的比例，%。

根据2018年生产统计，熟料年产量150万t；窑头粉尘质量年产3.24万t（108 t/d）；旁路放风粉尘质量年产3150 t（10.5 t/d）；熟料中氧化钙、氧化镁的比例分别是65.4%和1.6%。危险废物中能提供原料替代碳酸钙碳酸镁的成分比例较少，因此这部分减排效果不明显，不进行相关计算。

燃料燃烧是产生CO2的另一重要来源，燃料燃烧包括煤燃烧和替代燃料燃烧。根据2018年数据可知在不烧危险废物时，吨熟料标煤耗为103.27 kg/t；烧危险废物时，吨熟料标煤耗为101.95 kg/t。吨熟料标煤耗下降1.32 kg/t，则处置危险废物年可节约标煤1980t，可减排4 936.14 t的CO2。

3.2 间接排放

水泥熟料生产过程中间接排放主要来源电力消耗，其计算见公式（5）。

式中，R—熟料生产中的CO2排放量，t；Ei—熟料生产过程中电力消耗量，kWh；Eγ—水泥窑余热发电的送电量，kWh；EF—全国电网平均排放因子，0.86 CO2/kWh。

根据实际生产统计，正常生产时吨熟料综合电耗为58.19kWh/t，烧危险废物时吨熟料综合电耗为56.02kWh/t。年产熟料150万t，则可降低电耗325.5万kWh，折合减少排放二氧化碳3245.24 t。

3.3 危险废物预处理碳排放

对危险废物预处理车间抓斗、破碎混合、除臭系统等进行分项电耗计算，经统计2018年危险废物预处理车间总电耗为319497 kWh，增加CO2的间接排放318.54 t。

3.4 危险废物焚烧产生的碳排放

水泥窑协同处置过程中会有部分CO2排放，根据IPCC国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理办法，借鉴固体废物焚烧方法的计算公式[6]：

式中，MSW—废弃物的处置量，t；CCW—废弃物中碳含量比例，%；FCF—废弃物中矿物碳比例，%；EF—完全燃烧效率，%。

据统计，年处置危险废物2.06万t，采用ICPP指南中推荐的下限值，即关键排放因子CCW、FCF、EF分别取33%，30%，95%，CO2的排放量为1928.03 t。

生产过程中涉及碳排放的环节整理见表3。

表3 协同处置危险废物的碳排放量 t

危险废物中部分含有较高的热值，例如废有机溶剂，在协同处置的过程中，热量贡献给熟料烧成过程，减少了水泥窑自身燃料用煤。由表2可得，相较于预处理车间的电耗以及协同处置过程中危险废物焚烧产生的碳排放，煤耗降低带来的碳减排作用更为明显，在处置危险废物的过程中，年减排CO25 934.81t，折合1t危废可减排0.288t二氧化碳。