（机械电子工程专业论文）生态水泥生产的关键技术、设备及其系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来随着城市建设的发展、人口数目的增加，我国城市固体废弃物的 产生量和积存量也急剧增长，极大地限制了城市的发展，本论文针对此问题 提出了利用绿色建材工业生产技术处理城市固体废弃物并生产生态水泥的 系统规划设计方案，并对其关键技术及设备进行了详尽的研究。 本论文完成了以下工作： 一、阐述以绿色制造为理论基础的绿色建材工业的生产目标及废弃物处 理目标体系，分析传统垃圾处理方法的缺陷及利用水泥窑处理城市固体废弃 物的可行性。 二、利用系统工程的理论将生产系统细分为四个子系统前处理系 统、回转窑煅烧系统、烟气净化系统及余热利用系统。设计各子系统方案并 研究其关键技术及设备。 三、采用先进的流程控制技术集散型控制系统( d c s ) 确保各个生 产环节安全可靠并且高效地运行。制定关键子系统水泥窑煅烧系统、烟 气净化系统及余热发电系统的控制策略及方案。 四、为确保生产过程对环境无二次污染，本文设计了新型的烟气净化系 统，并引进连续排放监测系统( c 酬s ) 对空气污染物及粉尘的排放量进行监 控。 五、分析余热发电系统的方案，实现将水泥窑产生的巨大余热转化为电 能的资源化目标。 最后，总结研究结论，并对本课题今后的研究提出了建议和展望。 关键词：生态水泥，回转窑，城市固体废弃物，集散型控制系统( d c s ) 连续排放监测系统( c e m s ) 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n 也ep a s tf e wy e a r s ，t h ei n c e s s a n ti n c r e a s eo fp o p u l a t i o na n d 也ev a s t d e v e l o p m e n to f t h ec i t yc o n s t r u c t i o nu n a v o i d a b l yg i v er i s et oas h a r pg r o w t hi n m u n i c i p a ls o l i d 7 如t e ( m s w ) t 1 1 i sp a p e ra l m s a tt h i sp r o b l e ma n d p r o p o s e sa s y s t e m - p l a n n i n gs c h e m e ，w h i c h i sb a s e do n t h e “e c o l o g yc e m e n t ”t e c h n i q u e am a i nm e t h o di ng r e e nb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r yt od e a lw i mm s wa n d p r o d u c e c e m e n t ，i nt h em e a n t i m e ，t h er e l a t i v ek e y t e c h n i q u ea n di n s t a l l a t i o nw e r e t h o r o u g h l ys t u d i e d i ns h o r t ，t h i sp a d e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： f i r s t ，t h em a n u f a c t u r e t a r g e to f g r e e nb u i l d i n gm a t e r i a li n d u s t r y ，w h i c hi s b a s e do ng l e e nm a n u f a c t u r et h e o r ya n d t a r g e ts y s t e mo fs o l i dw a s t ed i s p o s a t a r e p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，d e f e c t s o ft r a d i t i o n a l g a r b a g e h a n d l e m e a n sa r e s p e c i f i e d a n dt h e f e a s i b i l i t y o fh a n d l i n gm s w b yu t i l i z i n g c e m e n tk i i ni s a n a l y s e d s e c o n d ，o nt h eb a s i so fs y s t e me n g i n e e r i n gt h e o r y ，廿1 ew h o l ed i s p o s a l s y s t e mw a s d i v i d e di n t of o u rs u b - s y s t e m s _ p r e i d i s d o s a l s y s t e m 、r o t a r yk i h a s y s t e m 、f l u e g a sc l e a n i n gs y s t e ma n ds u r p l u se n e r g yu t i l i z a t i o ns y s t e m n e s u b - s y s t e m sd e s i g n i n gs c h e m e ，k e yt e c h n i q u ea n dn e c e s s a r yi n s t a l l a t i o na r e d i s c u s s e d n l i r d ，t h ea d v a n c e df l o wc o n t r o lt e c h n i q u e - - d i s t r i b u t e dc o n t r o is y s t e m ( d c s ) i s a d o p t e d t og u a r a n t e et h es a f e t y ，r e l i a b i l i t ya sw e l la sh i g l e f f i c i e n c yo f e a c hm a n u f a c t u r es e g m e n t m e a n w h i l e ，t h ec o n l l 0 1s t r a t e g ya n ds c h e m eo f k e y s u b s y s t e m s - c e m e mk i l n s y s t e m 、f l u e g a sc l e a n i n gs y s t e ma n ds t e a m e r e l e c t r i c a lg e n e r a t o rs y s t e ma r ef o r m u l a t e d f o u r t h ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n san e w s t y l ef l u e g a sc l e a n i n gs y s t e ma n d i n t r o d u c e sc o n t i n u o u se m i s s i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ( c e m s ) d e s i g n t om o n i t o r t h ee m i s s i o na m o u n to fa i r p o l l u t i o nm a t t e ra n dd u s t t oa s s u r et h ep r o d u c t i o nf r e e o f e n g e n d e r i n g s e c o n dp o l l u t i o nt o 也ee n v i r o n m e n t f i 劬，s t e a m e re l e c t r i c a l g e n e r a t o rt e c h n i q u es c h e m e i s a n a l y s e d f o r a c h i e v i n gt h e r e s o u r c e s t a r g e t o ft r a n s f o r m i n gt r e m e n d o u ss u r p l u sh e a ti n t o e l e c t r i cp o w e r i nt h ee n d ，t h ec o n c l u s i o ni sd r a w n f u r t h e r m o r e ，t h i s p a p e r s t a t e st h ep r o s p e c t a n d p u t sf o r w a r ds o m ea d v i c e sf o rt h e l r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d ：e c o c e m e n t ，r o t a r yk i l n ，m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ， d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ， c o n t i n u o u se m i s s i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ( c e m s ) j 1 墨堡垩三奎兰堡主堂垡笙奎 第一章绪论 1 1 课题来源及选题目的 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家“十五”科技攻关预研项目“城市垃圾和污泥用于水 泥生产的无害化与资源化关键技术及装备”。 1 1 2 选题目的及意义 随着城市建设的发展和人口的增加、城市功能的扩大和居民生活水平的 提高，城市垃圾的产生量与积存量急剧上升，据最新资料介绍：我国约6 7 0 个城市中，每年的生活垃圾产生量己达1 3 5 亿吨，并以年均4 8 的速度增 长，垃圾的积存量急剧增长。垃圾危害已成为严重的环境与社会问题。 目前，对城市垃圾的处理主要有四种方法：填埋法、熟解法、焚烧法、 堆肥法。“填埋法”操作较容易，但存在着大量占用土地资源、产生二次污 染和潜在的危险及投资巨大、使用期有限等问题，并损失了大量的可回收资 源。“热解法”能控制有害气体排放，但仍有填埋量大和二次污染的问题， 投资也不少。“堆肥处理法”有利于垃圾中有机物的利用，但对所处理垃圾 成份要求严格，而且垃圾中的重金属等有害成份会污染土壤和地下水，从而 进入城乡居民的食物链，且其残余物的处理与病菌、病毒的控制也十分棘手。 “焚烧法”是城市垃圾减量化的重要处理方法，也是我国不少城市已经或正 在实施的主要方法之。但垃圾焚烧设备投资大、运行成本高，尤其是焚烧 过程中往往会产生如氯化氢、氧化氮、氧化硫和剧毒的二嗯英等有害气体； 而且，还有原垃圾重量1 0 左右的垃圾灰必须再次填埋或作为危险废物特别 处理。因此，探索一种可实现垃圾处理四大目标减量化、资源化、无害 化、安定化的垃圾处理的方法，是科技工作者长期追求的目标。 基于绿色制造技术的绿色建材工业是近年来建材行业发展的方向和趋 势。绿色制造的目标是在产品生命周期全过程中，通过短缺资源的代用、可 再生资源的利用、二次能源的利用及节能降耗等措施实现资源综合利用：并 减少废料和污染物的生成和排放，提高工业产品在生产过程和消费过程中与 武汉理工大学硕士学位论文 环境的相容程度，降低整个生产活动给人类和环境带来的风险，最终实现经 济效益和环境效益的最优化。为改变传统建材工业天然资源和能源消耗极 高、破坏绿色土地极多、对大气污染极为严重的现实状况，绿色建材工业应 运而生。绿色建材的最大特点是充分考虑到建材工业的发展与环境保护、资 源的合理利用相结合，使建材工业不仅不产生污染，而且能将废弃物转化为 产品，从而极大地减少环境负荷，使绿色建材工业符合可持续发展的战略目 标。绿色建材的分类有许多种，其中循环型绿色建材的制造是本课题的研究 内容，即利用新工艺、新技术大量使用尾矿、废潦、污泥、垃圾等废弃物作 为生产原、燃料，以达到循环利用的目的。 本课题的研究对象是利用水泥窑处理城市垃圾并生产生态水泥的技术 及设备。用水泥回转窑代替焚烧炉，利用其温度高、气体在窑内时间长的特 点，控制二嗯英等有毒气体的产生；并把垃圾燃烧与水泥熟料烧成统一完成， 利用熟料的特性吸纳有害成份与灰渣而形成稳定的矿物，完全消灭残渣；把 回转窑及其收尘器等变为垃圾焚烧与熟料烧成( 含余热发电) 和控制大气污 染的多用设备，则可大幅度降低投资。由此可见，这种方法是实现城市垃圾 无害化、资源化处理最理想的方法。 实施绿色建材战略，将城市固体废弃物作为原、燃料用于水泥生产，实 现生产生态水泥与处理城市废弃物两大目标，即起到环境保护的作用又可达 到资源综合利用的目的，将带来巨大的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究概况 早在2 0 世纪7 0 年代发达国家就已开始采用水泥窑处置危险废弃物，如 美国、德国、加拿大、日本、丹麦、奥地利、瑞士等。以美国为例，已有几 十家水泥厂将危险废弃物作为替代燃料在水泥窑上进行焚烧处置，其替代量 一般在2 0 一6 0 。目前欧洲的个别水泥厂替代率可达8 0 以上“。 韩国、巴西、墨西哥及我国的台湾省等国家和地区，利用水泥回转窑处 理可燃工业垃圾，替代传统化石燃料的比例也相当高。甚至在一些发展中国 家，如印度尼西亚、泰国、摩洛哥、巴基斯坦及印度等国家也有相当数量的 处理包括各种危险废弃物的水泥厂在运转“。 美国及德国国家环境保护局对水泥回转窑的监测结果表明，水泥回转窑 2 茎坚型三奎兰婴主堂垒兰壅一 使用危险废弃物为替代燃料，不仅对环境没有危害，而且被列为现有最佳示 范技术。根据日本水泥株式会社的份资料显示，日本在水泥窑上处置工业 危险废弃物具有面广、量多的特点，目前已能处置包括生活污泥在内的多种 废弃物“”。 在我国，上海的水泥企业从6 0 年代开始就致力于利用工业废弃物，近 来又与科研机构联手攻克了利用水泥回转窑处理有毒有害废弃物、污水处理 厂的污泥和苏州河底污泥的重大研究课题，迄今已累计处理各类废弃物 1 0 0 0 多万吨。仅1 9 9 8 年和1 9 9 9 年就分别处理了9 3 万吨和9 8 万吨，为当 年水泥生产量的5 6 和7 0 。这些用废弃物作掺合料制成的水泥质量全部达 到国家标准，抽检合格率均为1 0 0 。1 9 9 8 年北京水泥厂进行了用水泥回转 窑焚烧危险废弃物的实验。焚烧处理了丙烯酸树脂废渣、油漆渣和含有苯、 丙酮的有机废液。实验证明焚烧危险废弃物时排放烟气中的有害成分远低于 国家标准g b1 6 9 2 7 大气污染综合排放标准中的二级标准，不会对大气 环境产生影响；水泥产品的重金属浸出浓度均低于国家标准g b5 0 8 5 危险 物鉴别标准一浸出毒物鉴别的相应规定，水泥制品不会对环境和人体健康 构成威胁。1 9 9 9 年北京水泥厂成立了红树林环保公司，利用水泥回转窑专 门消纳工业固体废弃物，当年就处理固体废弃物2 0 0 0 多吨“”。 13 存在的问题 发展生态水泥是实施可持续发展战略的重要组成部分，但我国的生态水 泥的研究和生产工作尚处在起步阶段，目前还存在许多问题有待解决和研 究： 一、社会对水泥工业作用认识不足。社会各界应充分认识到水泥工业的 利废特长，树立“治理环境与生产水泥相结合”的新观念，使水泥厂成为综 合治理废弃物的绿色工厂。 二、水泥工业利用城市固体废弃物时应考虑废弃物的供应量，并确定废 弃物的运输、储存、预处理( 分拣、烘干、破碎等) 的方案。 三、水泥厂应建立严格的管理系统包括配备必需的检测手段以保证处 置、利用废弃物时不影响水泥质量并对环境无害。首先，氯、硫及重金属等 有毒有害元索的含量应符合规定的限制值；其次，根据所利用的废弃物的不 武汉理工大学硕士学位论文 同，工艺流程应相应改进，确保废弃物定量、连续、自动地进入回转窑系统， 以保证水泥生产的稳定性。 四、对于生产过程中废气的排放和环境污染的控制应制定严格的标准或 规范。对运输、储存、焚烧废弃物过程中可能对环境造成二次污染的问题制 定行之有效的措施。 五、生态水泥在我国尚处于萌芽时期，缺乏相关的法规及政策。相关部 门应建立健全相关的环保法规和质检规范，使废弃物的处置利用和生态水泥 的生产有法可依、有章可循。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的研究范围涵盖过程装备及控制、环境工程、硅酸盐科学与工程、 绿色制造、系统工程设计等学科。主要研究内容包括： 一、明确城市固体废弃物的来源、分类方法及处理目标体系，以武汉市 城市固体废弃物的产生状况及处理现状为例分析我国城市固体废弃物处理 的不足及缺陷。 二、对利用水泥窑处理城市固体废弃物并生产生态水泥的方案可行性进 行分析，并提出利用固废物的主要途径和可能存在的技术问题。 三、提出处理系统的规划设计方案，并将其细分成四个子系统前处 理系统、回转窑煅烧系统、烟气净化系统及余热利用系统进行研究。 四、为防止二次污染，控制或消除二嗯英排放和重金属元索的危害，研 究开发监测、控制及处理有害气体的关键技术及设备。 五、研究汽轮机发电技术设计方案以实现生态水泥生产过程中的余热利 用目标。 六、为保证生产线的高效、稳定地运行，采用集散型控制系统对全系统 进行控制。研究分析集散型控制系统的应用、控制功能的实现方法并制定相 应控制策略。 亟坚墨三查兰! 主鲎垡堕兰 一 第二章绿色制造与绿色建材 2 1绿色制造 工业化生产方式在给人类带来了丰富的物质文明的同时消耗了大量人 类社会有限的资源并造成环境污染。本世纪5 0 年代，制造业广泛采用“末 端治理( e n d o f p i p e ) ”技术治理环境污染，这种方法有助于消除污染， 并在一定程度上减缓了生产活动对生态环境破坏的势头。但随着工业化的进 一步扩展，污染物急剧增加，末端治理也很快显示出其局限性，人们也在进 行末端治理的过程中，取得了教训并达成共识：要减少乃至消除工业生产环 境污染的根本出路是在产品的设计过程和生产制造过程中，不用或少用有毒 有害的原材料，在高效利用原材料的同时，减少能源消耗，提高废弃余料、 半成品和成品的再利用率，最终实现绿色制造。 2 1 1 绿色制造的概念 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g 一一g m ) ，也称环境意识制造 ( e n v i r o n m e n tc o n s c i o u sm a n u f a c t u r i n g - - - - e c m ) 、面向环境的制造 ( m a n u f a c t u r i n gf o re n v i r o 肿e n t 粥f e ) 等，其定义如下：绿色制造是 一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设 计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中。对环境负面影 响最小，资源利用率最 高，并使企业经济效益 和社会效益协调优化。 从上述定义可看 出，绿色制造具有非常 深刻的内涵。绿色制造 实质上是人类社会可持 续发展战略在现代制造 业中的体现。绿色制造 涉及到的闽题有三部 分：一是制造问题，包 图2 - 】绿色制造问题的交叉状况 5 色制造 武汉理工大学硕士学位论文 括产品生命周期全过程：二是环境保护问题；三是资源优化利用问题。绿色 制造是这三部分内容的交叉，如图2 1 所示。 2 1 2 绿色制造的国内外研究现状 绿色制造有关内容的研究可追溯到8 0 年代，但比较系统地提出绿色制 造的概念、内涵和主要内容的文献是美国制造工程师学会( s m e ) 于1 9 9 6 年发表的关于绿色制造的专门蓝皮书 g r e e nm a n u f a c t u r i n g 。1 9 9 8 年s m e 又在国际互联网上发表了绿色制造的发展趋势的网上主题报告，对绿色制造 研究的重要性和有关问题又作了进一步的介绍。 绿色制造及其相关问题的研究近年来非常活跃。特别是在美国、加拿大、 西欧等一些发达国家，对绿色制造及相关问题进行了大量的研究。在美国， 大量的研究工作正在进行，如b e r k e l e y 加州大学不仅设立了关于环境意识 设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制 造专门网页g r e e n m f g 。卡奈基美隆大学的绿色设计研究所从事绿色设计、 管理、制造、法规制定等的研究和教育工作，并与政府、企业、基金会等广 泛合作。加拿大w i n d s o r 大学建立了环境意识设计和制造实验室( e c d m l a b ) 和基于w w 的网上信息库，对环境意识制造中的环境性设计、生命周期分析 ( l i f ec y c l ea n a l y s i s ，l c a ) 等进行了深入的研究。在欧洲，国际生产工程 学会c i r p 近几年每年均有不少论文对环境意识制造、多生命周期工程等与 绿色制造本质一致的问题进行了研究。英国c f s d ( t h ec e n t r ef o r s u s t a i n a b l ed e s i g n ) 对生态设计、可持续性产品设计等进行了集中研究。 总之，绿色制造的研究正在国际上迅速开展。特别是近年来，国际标准化组 织s o 发布了有关环境管理体系的i s 0 1 4 0 0 0 系列标准，推动着绿色制造的 研究更加活跃和迅速发展。 在我国，近年来在绿色制造及相关问题方面也进行了大量的研究，国内 不少高校和研究院所对绿色制造的理论体系、专题技术等都进行了大量的研 究。国家环保局于1 9 9 6 年1 月批准成立了国家环保总局华夏环境管理体系 审核中心，专门负责i s 0 1 4 0 0 0 系列标准在我国的实施、培训工作以及同国 际有关机构的交流。并建立了专门的网站中国环境管理体系认证信息网 i 】 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 绿色制造的研究内容 文献 1 提出了一种绿色制造的系统模型，如图2 - 2 所示。从该模型可 以看出：绿色制造系统可以概括为三个内容、三条途径和两个目标。 三个内容指使用绿色材料、绿色能源，经过绿色的生产过程生产出绿色 产品。三条途径指：首先要树立良好的环境保护意识；其次要针对具体产品 的可能产生的环境问题，采用相应的绿色设计及绿色制造工艺来解决；最后 要加强管理，利用市场机制与法律手段以促进绿色技术的推广。所要实现的 两个目标简而言之是资源的综合利用及环境保护。 图2 - 2 绿色制造系统模型 武投理工大学硕士学位论文 2 2 绿色建材 建材工业是国民经济中非常重要的基础性行业，是天然资源和能源消耗 最高、对大气污染最为严重的行业之一。几十年来我国建材工业走的是一条 高能耗、高资源消耗、高污染的道路。近年来，随着绿色制造研究的日益深 入，绿色建材的概念也随之提出。 2 2 1 绿色建材的概念 绿色建材( g r e e nb u i l d i n gm a t e r i a l ) 可称为生态建材、环保建材、 健康建材等等。其含义是：采用清洁生产技术，少用天然资源，大量使用工业 或城市固体废弃物和农作物秸秆，生产的无毒、无污染、无放射性，有利于 环保与人体健康的建材。绿色建材是以绿色制造技术的思想的出发点，即在 生产产品的全周期内充分利用资源，并对环境的负荷最小。 2 2 2 绿色建材的特征 一、生产使用的原料尽可能少用天然材料，尽量多用尾矿、废渣或垃圾 等废弃物。 二、在绿色建材的生产加工过程中，尽可能采用低能耗的制造工艺和符 合环保要求的生产技术，使之不产生或尽量少产生污染环境的废弃物。 三、绿色建材在使用时应有益于人类的生存环境和健康，并多功能化。 例如，使之具有抗菌，产生负离子功能以改善环境。 四、绿色建材在被充分使用后，其废弃物应能作为再生资源或能源被回 收再利用，使绿色建材满足可持续发展的需要。 2 2 3 绿色建材的分类 绿色建材有如下几类“”： 一、基本型建材，指满足使用性能要求并对人体无害的建材，这是最基 本的要求。在其生产及配制过程中，不得超标使用对人体有害的化学物质， 产品中也不能含有过量的有害物质，如甲醛、氨气、v o c 等。 二、节能型建材，指采用低能耗的制造工艺，如采用免烧、低温合成以 及降低热损失、提高热效率、充分利用原料等新工艺新技术和新设备，产品 武汉理工大学硕士学位论文 能够大幅度节约能源。 三、循环型建材，指在制造和使用过程中，利用新工艺、新技术大量使 用尾矿、废渣、污泥、垃圾等废弃物，以达到循环利用的目的。如日本用下 水道污泥制造生态水泥。 四、健康型建材，指产品的设计是以改善生活环境、提高生活质量为宗 旨，产品为对人体健康有利的非接触性物质，具有抗菌、防霉、除臭、隔热、 调温、调湿、消磁、防射线、抗静电、产生负离子等功能。 本课题研究的“生态水泥”属于绿色建材范畴的第三类循环型绿色 建材，即利用各种固体废弃物包括各种工业废料、废渣、以及生活垃圾作为 原、燃料制造的水泥。生态水泥能降低废弃物处理的负荷，节省资源、能源， 达到与环境相容的目标，是2 1 世纪水泥生产技术发展的方向。生产生态水 泥的基本要求与目标是“：一、原、燃料中各种废弃物的配比要达到一定 的要求；二、生产工艺过程及其产品不产生二次污染；三、整个生产工艺必 须是完全循环回收系统；四、生产的水泥符合使用要求，可广泛应用于各类 工程。本课题主要研究利用城市固体废弃物生产生态水泥的新工艺及关键技 术与设备。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第三章固体废物处理目标体系分析 所谓废弃物( w a s t e ) ，顾名思义是指丢弃( d i s c a r d e d ) 、无用( u s e l e s s ) 、 不要( u n w a n t e d ) 的物质、广义而言，包括固态、液态及气态废弃物；狭义 而言，通常包括固体废弃物或含大量固体的废弃物。在本论文里，我们讨论 的是狭义的废弃物，也就是固体废弃物。 3 1固体废弃物及其特性 固体废弃物( s o l i dw a s t e ) ，即垃圾。是指在工业生产、日常生活和其 他活动中产生的污染环境的固态、半固态废弃物质。 固体废弃物问题通常被称为最难得到处置、最晚得到重视、最具综合性、 最贴近人类的环境问题。固体废物所含的成份相当复杂，其物理性状( 体积、 流动性、均匀性、粉碎程度、水分、热值等) 干变万化，是“三废”中最难 处置的一种。但在固体污染、水污染、大气污染三种形态的污染中，固体废 物的污染是最后得到人们重视的问题。固体废物的污染常常伴随着水污染及 大气污染问题，例如在对固体废物进行处理的垃圾卫生填埋场，若要满足环 境要求，必须解决垃圾渗沥液对地下水的污染问题，并且必须具备对所排放 污水和填埋场气体适当处理的能力，因此它是最具综合性的环境问题。同时， 固体废物问题，尤其是城市生活垃圾是与人类生活最息息相关的环境问题， 人们每天都在产生垃圾、排放垃圾，同时也在无意识中污染我们的生存环境。 关注固体废物阀题，也就是关注与人类最贴近的环境问题， 3 2 固体废弃物的来源及分类 3 2 1 我国固体废弃物的分类方法 在我国，通常认为固体废物主要包括三类：城市生活固体废物( 俗称城 市生活垃圾) 、工业固体废物和农业废弃物。文献 2 0 中详细列举了固体废 物的来源、分类和主要组成物，如下表3 - 1 所示。 、城市生活固体废物( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) ：主要是指在城市日 常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，即城市生 活垃圾。一般来说，城市每人每天的垃圾量为l 2 k g ，其多少及成分与居 武汉理t 人学硕士学位论文 民物质生活水平、习惯、废旧物资回收利用程度、市政建设情况等有关。如 国内的垃圾主要为厨房垃圾。有的城市，炉灰占7 0 ，以厨房垃圾为主的有 机物约2 0 ，其余为玻璃、塑料、废纸等。 二、工业固体废物( i n d u s t r i a ls o l i dw a s t e ) ：是指在工业、交通等 生产活动中产生的采矿废石，选矿尾矿、燃料废渣、化工生产及冶炼废渣等 固体废物，又称 工业废渣或工 业垃圾。工业固 体废物按照其 来源及物理性 状大体可分为 六大类。而依废 渣的毒性又可 分为有毒与无 毒废渣两大类。 凡含有氟、汞、 砷、铬、镉、铅、 氰等及其化合 物和酚、放射性 物质的，均为有 毒废渣。它们可 通过皮肤、食 物、呼吸等渠道 侵犯人体，引起 中毒。工业废渣 不仅要占用土 地堆放，破坏土 壤、危害生物、 淤塞河床、污染 水质，不少废渣 表3 - 1 固体废物的来源、分类和主要组成物 分类来源主要组成物 箍嬲竖馕翘摹瓣辫擀 1 一煤获燥矸石术科金属 一 食品加工肉类谷物果共蒹蔬烟草 橡胶皮革塑料橡胶_ 皮革塑料布纤维染料金 q p 等工业属等 一 建堑：术材印刷创燕糍拳醇查北学嚣剂金属 等工业填科塑料末质素 废础化工籍誊黼黼肛黼 物 曳器- 仪器仪表等全属亟璃本材撰胶塑料化学 工业药剂研瘩料胸瓷甄缘材料 纺织服装业 建筑材料 电力工业 布头喜千维撩胶塑料金属 金属冰泥粘土陶瓷石膏石 棉_ 砂石纸并维 炉渣糟煤灰烟尘 城 市 垃 圾 居民生活 商业机关 食物垃圾摄布料术料金属碱 堡望抖殉瓷燃料灰渣碎砖瓦 废器具粪便 是品 市政维护管理都碎砖瓦树叶死禽畜金属锅炉 门灰渣污泥脏土 放射性废物薹雾誊善鼗喜禁觥盛瓣糟泥 篮侍 丹力所，n 口口魅矾1 1 竹 武汉理t 人学硕十学位论文 ( 特别是有机质的) 是恶臭的来源，不少重金属废渣的危害是潜在。 三、农业废弃物( a g r i c u l t u r a w a s t e ) ，也称为农业垃圾，主要为粪 便及植物秸杆类。 3 22 台湾地区废弃物的分类方法 根据台湾地区废弃物清理法中第二条的定义，废弃物被分为一般废 弃物及事业废弃物两大类”1 。 一、一般废弃物 指垃圾、粪尿、动物尸体或其他非事业机构所产生足以污染环境卫生的 固体或液体废弃物。 二、事业废弃物 事业废弃物是由事业机构( 如工厂、养猪场、医院、观光旅馆等) 所产 生，根据其是否有否有害可分为有害事业废弃物( h a z a r d o u sw a s t e ) 和一 般事业废弃物。 1 、有害事业废弃物：由事业机构所产生有毒性、危险性，其浓度或数 量足以影响人体健康或污染环境的废弃物。有害事业废弃物一般具有以下几 个属性，放射性( r a d i o a c t i v e ) 、生物性( b i o l o g i c a l ) 、易燃性( f l a m m a b l e ) 和爆炸性( e x p l o s i v e ) 。按台湾现行法令，分为四类。 ( 1 ) 、毒性废弃物重金属、砷、氰化物、二嗯英( d i o x i n ) 、石棉、 有机溶剂及其它： ( 2 ) 、腐蚀性废弃物一p h 2 0 或p h 1 2 5 ： ( 3 ) 、感染性废弃物来自医疗机构、医学研究单位、生物科技研究 单位等； ( 4 ) 、p c b 废弃物含多氯联苯( p 0 1 y c h l o r i n a t e db i p h e n y l s ，p c b ) 电容器、变压器及p c b 污染物( 溶出p c b 0 0 0 3 m g l ) ； 2 、一般废弃物：指由事业机构产生的有害事业废弃物以外的废弃物。 3 3 废弃物处理的目标体系 若从宏观分析，在整个生产及消费过程中，废弃物处理的目标可扩充到 产品生命周期( l i f ec y c l e ) 中所有可能产生废弃物的环节：因此从广义的 武汉理丁大学坝= ：学位论文 角度，废弃物处理的目标体系可由图2 1 所示。 减耸化资源化 能渊及资源 工业减废卜- 一生产制造 一 业废弃物 有害工业废弃物fi 一般工业废弃物 丁酉 中间处理 减量化 资源化 最终处置 一翌 挫 歹7 弋姜誊宠 兰率安定化i 图2 - 1 废弃物处理目标体系 资 源 化 在此体系中，无论在产品的规划、设计、制造及消费过程中，均须使废 弃物达到减量化、资源化、安定化及无害化四大目标。其具体内容如下。 3 3 1 减量化 采用绿色设计( g r e e n d e s i g n ) 生产产品以尽量减少固废物产生量，而 垃圾产生后，通过分类收集、回收利用等方式减轻贮存、收集、清运、处理 及处置系统的负担，以此来实现垃圾的减量化。如由工厂产生的工业废弃物 可通过工业减废的方式增加资源回收再利用，减少废弃物的产量。对可燃垃 圾实施焚烧处理，其灰烬约为原来垃圾体积的1 l o ，也可实现减量目的。 武汉理t 大学硕士学位论文 3 ，32 资源化 利用人工或机械分选的方式把垃圾中的可直接利用物质进行回收，对不 能直接利用的可经过生化等处理方式变为可利用的物质，如堆肥化产品 ( c o m p o s t ) 、垃圾衍生燃料( r e f u s e - d e r i v e df u e l ) 。可燃物较多的垃圾还 可利用焚烧处理手段，利用垃圾焚烧所产生的余热以汽电共生方式发电，也 可达到资源回收利用的目标。 3 3 3 安定化 运用各种物理及化学的方法处理垃圾，使其反应后化学性质达到安定 化，不再与环境起反应，减少对环境的污染。 3 34 无害化 无害化的目标是在垃圾处理的全部过程中不会产生有害的物质对生态 环境及人类健康造成危害。而且，通常垃圾中含有有害性废弃物，例如日光 灯管、水银电池、杀虫剂等，也就采用各种方法回收或分离以消除其对环境 的危害。 3 4 固体废物处理技术 固体废物的处理方法很多：堆肥、填埋、焚烧、流化床制燃气、垃圾燃 料、垃圾投海、垃圾养殖蚯蚓、垃圾做筑路材料、垃圾制砖、垃圾制石油、 纤维糖化技术、废纤维饲料化技术、垃圾炼钢、垃圾产沼技术等，其中最为 常用的处理方式有高温堆肥、卫生填埋、焚烧处理。下面介绍几种最常用的 处理技术。 3 41 卫生填埋 卫生填埋是城市生活垃圾的最终处理方式之一，是指在土地处置场内， 按工程技术规范和卫生要求处置固体废弃物，即通过填充、推平、压实、覆 盖和再压实、封场、填埋气体收集与处理、渗沥液收集与处理等过程，使废 弃物得到最终处置，将废弃物对环境的危害降到最低限度。相对焚烧处理， 卫生填埋的投资和运行费用较低，但填埋场占地相当大，大量有机物和电池 苎堡型三_ 人堂堡主兰竺堕苎一一 等物质的填埋，使卫生填埋场防渗透、收集处理系统负荷和技术难度大，投 资高，填埋操作复杂，管理困难，处理后污水也难以达标排放。此外，填埋 场的甲烷、硫化氢等废气也必须处理好，以确保防爆和环保要求。 3 4 2 堆肥 堆肥是将生活垃圾中可生物降解的有机物部分进行生物分解，在生物化 学反应过程中，有机物、氧气和细菌相互作用析出二氧化碳、水和热，同时 生成腐殖质，使之稳定化、无害化并可安全使用于土地。目前已建成的堆肥 场主要采用机械化堆肥和简易高温堆肥技术。由于不同类型的生活垃圾有些 适合于做堆肥原料，有些不适合做堆肥原料，因此堆肥处理的仅是垃圾中有 机成分，而不是全部垃圾的最终处理技术。 3 4 3 焚烧技术 焚烧是指废物中的可燃物在焚烧炉中与氧进行燃烧的过程。其技术特点 是处理量大、减容住好、无害化程度高，并且有热能回收，是一种很有前景 的处理技术。焚烧处理的局限是对废物低位热值有一定要求，一般要求低位 热值大于4 2 0 0 k j k g ，而且废物中一些可利用资源也被烧掉，焚烧的烟气带 走约3 0 的热量，同时烟气净化难度大，其中最引人关注的是二噫英( d i o 妇n ) 的排放问题。焚烧法的另一缺点是实施所需投资大、技术含量高、设备复杂。 3 4 4 近年来兴起的固体废物处理新方法 以下将近年来国内外兴起的固体废弃物处理的方法和工艺介绍如下： 一、垃圾固体燃料 垃圾固体燃料即r d f ( r e f u s ed e r i v e df u e l ) 。其制造工艺是将垃圾进 行破碎，分离出可燃物，加入添加剂干燥，压缩成型，即可成为高密度的圆 柱形或其他形状的固体燃料。 二、废塑料热分解油化技术 废塑料热分解是在无氧或低氧条件下高温加热使其分解。聚烯烃等热塑 料裂解的主要产物是燃料气和燃料油，废塑料热解产生的主要是苯乙烯单 体，而p v c 塑料热分解产生h c l 酸性气体，废塑料制品中含硫较少，热分解 武汉理t 大学坝士学位论文 得到的油品含硫分较低，是优质低硫燃料。 废塑料油化技术最为典型的是废聚乙烯的油化技术，有热解法、催化热 解法( 一步法) ，热解一催化改质( 二步法) ，第三种方法是将废塑料进行热 解后对热解产物再进行催化改质，得到油品，是应用最多，比较有发展前景 的工艺，国内外都很重视这种技术。 废塑料热分解油化技术工艺流程如下：将废塑料经初步分拣后加入反应 器中，在催化剂及一定温度作用下进行裂化反应，反应后生成汽油混合物， 经冷凝进入储罐分离杂质和水分，再加热后进入分馏塔将两种产品分开。催 化工艺分出的低碳氢化合物气体通过火炬进行最后处理，所得到的轻组分为 汽油，重组分为柴油，残渣作为焦油处理，重新参加二次反应。 3 5 武汉市垃圾处理现状 3 5 1武汉市城市垃圾产生量 随着城市规模的扩大和人口数量的不断增长，城市垃圾的产生也呈增长 趋势。到2 0 0 0 年，全市垃圾年产生量达到2 5 3 5 万吨，“九五”期间，城 市垃圾平均年增长2 4 8 ，2 0 0 0 年日均垃圾清运量达6 0 6 5 吨。历年城市垃 圾清运量详见表2 - 2 。 表2 2 武汉市城市垃圾清运量( 万吨) 1 年度 1 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 92 0 0 0 【产量1 3 9 3 51 4 8 2 61 5 0 o1 6 5 o1 6 2 ，01 8 7 21 9 1 1 81 8 4 4 41 9 2 5 22 2 1 3 9 3 ，5 2 武汉市城市垃圾处理现状 武汉市目前有六个垃圾处理场，金口、北洋桥、流芳3 座垃圾处理场属 于简易卫生填埋场，般填埋场有岱山、紫霞观2 座，塔子湖垃圾堆肥厂l 座，因经济原因塔予湖垃圾堆肥厂现在基本处于停产状态。表2 - 3 是这6 座垃圾处理场的分布及主要处理参数。 武汉作为一个超大型的城市，面对城市垃圾目趋增长的现状，处理的方 式存在不少问题： 、垃圾处理方式单一，以填埋为主，处理技术水平不高，而且现有几 武汉理丁人学顿小学位论文 座处理场的使用年限都已很长，即将达到使用限期( 见表2 - 3 ) 。 表2 3 武汉市垃圾处理处置场概况 场名城区用地面积处理方式处理量( 吨启用时间 ( 亩)日) 金口江汉、研口 6 0 0卫生填埋1 4 2 21 9 9 1 岱山江岸2 9 6一般填埋8 0 31 9 8 9 紫霞观汉阳2 2 2一般填埋4 0 31 9 9 2 北洋桥青山 5 5 9卫生填埋4 0 01 9 8 9 流芳武昌2 5 1卫生填埋9 4 41 9 9 7 塔子湖江岸 2 7 堆肥 1 0 0 1 9 8 9 1 9 5 54 0 7 2 注：处理量是按车辆载重吨位的统计值，该统计数据不含郊区垃圾处理量 二、垃圾的堆埋侵占了大量的土地和农田。以年产2 2 0 万吨垃圾、平均 堆高1 0 米计算，每年将占用3 0 0 亩土地，武汉市汉口地区现有的建筑物有 6 0 7 0 是在垃圾上建造的。 三、垃圾填平湖塘，影响调蓄排渍。据统计，由于垃圾的堆放，3 0 年 内仅汉口地区的湖泊水域面积减少了1 7 平方公里，使城市湖泊调蓄排渍能 力大大降低，既增加了城市排水管网的负担，也增强了城市的热岛效应。 四、生活垃圾的堆放会造成大气和水体的污染。 由此可见武汉市的垃圾处理必须寻找新的出路。同时，武汉市垃圾处 理的现状是我国城市垃圾处理情况的缩影，据调查，垃圾处理问题已成为近 年来城市居民关心的三件大事之一，垃圾围城的状况也严重制约了城市的发 展并对环境造成极大的负荷，因此，寻找新的垃圾处理方法已势在必行。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章利用水泥窑处理城市固体废弃物的 可行性分析 建材工业的大户水泥行业利用和销毁废弃物已是国内外极受关注 的课题，可实现绿色制造综合利用资源和保护环境的两大目标。一方面，水 泥厂为日益增长的废弃物提供了新的处理方式，满足了环境保护的要求；另 一方面，废弃物以二次原料或二次燃料的形式在水泥厂得以利用，可达到节 能降耗并延缓资源能源的枯竭；同时水泥窑的技术特点也可减少废料和污染 物的生成和排放，提高工业产品在生产过程和消费过程中与环境的相容程 度，降低整个生产活动给人类和环境带来的风险，可最终实现经济效益和环 境效益的最优化。 4 1 水泥回转窑晕i j 用固体废弃物的可行性分析 4 1 1 水泥窑利用固体废弃物的技术优势 水泥回转窑是煅烧水泥熟料的装备，是1 个长达几十米至上百半、直径 几米、有一定倾斜度的钢制长筒体，内衬耐火材料，生产过程中低速旋转。 水泥生料从高端( 窑尾) 喂入，经高温煅烧成水泥熟料后由低端( 窑头) 排 出，燃料( 煤粉) 、助燃空气从窑头喷入、燃烧。物料与高温气流相向运动。 水泥回转窑内燃烧火焰温度高达1 7 0 0 c 以上，熟料煅烧温度1 4 5 0 c 左右， 而且，物料在回转窑内的时间长达4 0 分钟左右、气体在回转窑内的时间长 达几十秒。利用回转窑处理废弃物的优势如下： 、处理温度高，焚 烧停留时间长，焚烧状态 稳定。回转窑内物料温度 在1 4 5 0 1 5 5 0 ，气 体温度则高达1 7 0 0 ： 画转窑简体长，比垃圾焚 烧炉长几倍甚至几十倍， 所以废弃物在回转窑高 温状态下持续时间非常 图4 - 1 回转窑内各带的物