水泥生产与超大城市废弃物协同处置的策略分析

宋华

(上海建材（集团）有限公司,上海200032)

0 引言

上海作为一个超大型国际化大都市，一方面城市建设的规模仍然很大，每天需要使用的水泥量较多；另一方面随着城市发展，生活垃圾和危险废物的焚烧量快速增加，带来的次生灰渣危险废弃物剧增，由于现有的消纳途径有限，填埋空间消耗过快，对城市的运营安全已产生不利影响。当前，一些发达国家的城市和国内的大城市正在利用水泥生产中高温煅烧的优势来协同处置固危废，并逐渐发展成为另一种新的城市废弃物处置方式。笔者作为长期从事建材制造业的一员，就本市水泥生产与城市固危废的有效协同处置进行了分析。

1 上海市危险废弃物处置情况

据数据统计，2021 年上海市危险废弃物产生量约为155.4 万吨，其中企业自行利用处置54.5 万吨，储存2.9 万吨，委外利用处置98 万吨。委外处置中，市内转移约67.9 万吨，跨省转移约30.1 万吨，涉及产废企业296 家。在这些委外转移的危险废弃物中，位居前10 位的类别合计89.6 万吨，占全市委外转移量的91.43%；委外转移前3 位分别为HW18 焚烧处置残渣、HW31含铅废物和HW17 表面处理废物，这些类别均是目前本市暂时无法直接无害化处置的危险废弃物，然而却正好属于水泥窑协同处置的范围。

随着经济发展，上海市危险废弃物总量逐年上升，预计2025 年全市次生灰渣危险废弃物产生量将达37万吨，其中生活垃圾焚烧产生的飞灰量为29 万吨（目前主要采取耦合处理后填埋于浦东老港废物填埋场），危险废弃物焚烧产生的灰渣量为8 万吨（目前需要跨省转移）；另有需要跨省转移的重金属污泥9 万吨，次生灰渣危险废弃物及重金属污泥等危险废弃物总量将达46 万吨。

2 国内外城市在水泥窑协同处置固危废方面的相关做法

当前，水泥窑协同处置已成为国际公认的处置危险废弃物终极手段之一，在《巴塞尔公约》的条文中，水泥生产过程中危险废弃物的协同处理方法已被认为是对环境无害的处理方法[1]。水泥窑协同处置具有节能、环保、经济的优势，主要表现在以下4 个方面：（1）水泥窑煅烧温度高，高温停留时间长，危险废弃物无害化处置彻底；（2）焚烧灰渣可直接利用，无灰渣二次处理问题；（3）排放气体可高效处置，环保指标好；（4）回转窑热容量大，工况稳定，危险废弃物处理量大。

在一些发达国家，水泥窑协同处置城市固危废较为普遍。早在20 世纪50 年代初，废轮胎作为二次能源在德国水泥行业首次使用；自20 世纪70 年代以来，欧美发达国家开始尝试将可燃性废物作为替代燃料，并进行协同处置固废实践，并且替代燃料的数量和种类不断扩大，比如废轮胎、固体废弃物、石油焦、废机油、废木屑和园林垃圾等[2]；20 世纪80 年代，日本太平洋水泥公司开始利用水泥窑接收处置城市废弃物（废弃油、废塑料和废木材等），并逐渐延伸至处置飞灰和废硫酸等危险废弃物。欧美等发达国家在水泥窑协同处置领域逐步建立起贯穿废弃物产生、分选、收集、运输、储存、预处理与处置、污染物排放、水泥和混凝土质量安全的一系列法规标准，水泥行业替代燃料技术和处置固危废技术已经成熟，成为发达国家水泥行业节能减排和协助处置城市固危废的重要手段[3]。

在国内，水泥生产协同处置各种废弃物也有十多年历史且已取得较为可观的成果。水泥窑协同处置主要废弃物包括废轮胎、石油焦、废塑料、废机油、肉骨粉以及各类医废类、其他污泥类和液体类等，这些可作为水泥窑替代燃料或原料。以北京为例，协同处置固危废的水泥厂有2 家，分别处置生活垃圾焚烧厂飞灰和危险废弃物，处置量占全市危险废弃物产生量的60% 以上；以广州为例，2 个水泥厂处置干污泥规模达23 万吨，可处置广州主城区80% 以上污泥。近年来水泥窑协同处置各类废弃物发展迅猛，经济、社会及环境效益显著。截止到2020 年，我国已取得危险废弃物经营许可证的水泥窑协同处置危废项目有86 个，年处置规模约464万吨，覆盖27 个省级行政区域。位列前三的水泥生产企业分别是金隅、海螺和红狮，这三个企业的危险废弃物协同处置能力占整个行业危险废弃物协同处置能力的46% 。水泥窑协同处置危险废弃物将是未来主力军，与传统危险废弃物焚烧项目互相补充配合。

3 在上海建设水泥窑协同处置城市废弃物的必要性分析

3.1 为本市固危废处置提供托底保障

（1） 未来固危废跨省转移存在风险

自2017 年以来，在环保压力下，各省份逐步收紧危险废弃物转入，禁止将省外危险废弃物转移至本省贮存、焚烧或填埋，并严格控制省外危险废弃物转移至本省进行资源化利用[4]。长三角地区是上海市危险废弃物跨省转移主要目的地，但是跨省转移渠道正在缩窄：江苏省规定，严禁从省外移入利用价值低、危害性大、环境风险大、次生固废产生量大的危险废弃物；安徽省规定，未经省级环保部门批准，禁止外省危险废弃物转入、焚烧、干化、物化和填埋。

（2） 解决城市污泥、飞灰和医废等难处置危废的老大难问题

城市污泥中的污水含有约50%的污染物，简单脱水后外运弃置会再次污染水体和环境，因此污泥的科学处置不容忽视[5]。实验证明，利用水泥窑协同处置城市污泥，掺量在2%以下时不会影响水泥质量，是无害化处置城市污泥的有效途径。

飞灰是城市生活垃圾焚烧后在烟气系统收集的残余物，由于其含有高毒性二噁英、可溶性盐和可溶出性重金属，被列为H W 18 危险废弃物。传统的处理方式诸如飞灰稳定/固化填埋、飞灰熔融等均不能彻底处置，而且均涉及二次处理，存在处理成本高、占用土地多等问题，通过水泥窑高温煅烧和少量掺入，在不影响水泥质量的前提下协同处置能够彻底处置飞灰。

2022 年上海新冠疫情实施封控的两个多月期间，城市生活垃圾和医疗废弃物产生量激增，远远超出了现有焚烧能力，导致大量城市废弃物积压。类似的应急处理，我们可以借鉴武汉的经验，在武汉封控期间，武汉市政府采用华新水泥股份有限公司的水泥窑协同处置技术，利用水泥窑的高温焚烧对病毒、病菌等瞬间消杀，高效及时地解决了城市生活垃圾和医疗废弃物，成为守住疫情防控的“最后一道关口”。

3.2 水泥窑协同处置是本市建设“无废城市”、推进资源循环利用的有效手段

原生态环境部部长李干杰同志指出，“无废城市”建设是一个长期的探索过程，需要试点先行、先易后难、分步推进，现阶段以危险废弃物、大宗工业固体废物、主要农业废弃物、生活垃圾和建筑垃圾为重点[6]。水泥窑协同处置是危废资源循环利用的重要手段，水泥窑内温度（1 600 ℃）高，停留时间长，相对于传统焚烧炉具有可完全分解二英和固化重金属等优点，废物产出水泥熟料，没有焚烧灰渣的二次处理和污染。

对于上海市而言，迫切需要加快建立健全危险废弃物的长效处置机制。为切实有效防范环境风险，优化营商环境，上海将打造“无废城市”，2020 年基本实现原生生活垃圾“零填埋”，2025 年全市危险废弃物无害化处理率将达到100% 。为此，“十四五”期间，上海将着重解决结构性的处置能力短板，推动形成协同处置等多途径处置能力。在《上海市“十四五”危险废弃物监管和利用处置能力建设规划》中明确要求，积极推进重金属污泥、危险废弃物焚烧灰渣、生活垃圾焚烧飞灰等无机类危险废弃物多途径的利用处置。《上海市生态空间建设和市容环境优化“十四五”规划》要求，妥善处理全市焚烧飞灰，力争将生活垃圾焚烧二次污染物填埋率控制在2% 以下。

3.3 有效释放固危废填埋占用的土地资源

目前，上海垃圾填埋场容量紧张，各类废物的填埋口径收窄，危险废弃物填埋场和一般废物填埋场的选址较难。采用水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰、危险废弃物焚烧飞灰及其灰渣，在资源利用的同时可有效释放焚烧飞灰、危险废弃物灰渣二次填埋所占用的土地资源。

4 本市水泥使用情况和生产分析

4.1 本市水泥使用情况

本市水泥需求量多年保持在高位。据相关协会统计，2020 年上海市水泥年销量约为2 280 万吨，其中外省市进沪水泥销量占比约九成（见表1）。根据“十四五”规划，本市将全面深化“五个中心”建设等要求，因此需要大量的水泥及水泥制品。

表1 上海市水泥生产量及使用量（Tab.1 Cement production and usage in Shanghai）单位：万吨

4.2 本市水泥生产分析

由于环保和规划等原因，除了阶段性保留一定的水泥粉磨能力外，水泥窑已全面停产。2016 年本市最后一条水泥窑（原金山水泥厂）关停后，全市再无可协同处置危险废弃物的水泥生产企业，这限制了上海市协同处置危险废弃物的能力。随着观念更新、科技发展和技术进步，如果在本市较为偏僻的工业园区建设水泥生产线，应该是可行的。最近也有类似项目在论证过程中。

（1） 产能及处置能力

根据当前上海市每年的产废数量与实际固危废处置能力、未来五年预计城市产废数量，并假设采用智能化新型干法预分解生产工艺来进行处置，结合国内外同类型企业实际运营情况，固危废掺入量和掺入比例控制情况，生产过程中的安全生产、能源需求和排放指标控制要求等因素，按照“世界先进、国内一流”的设计标准，比较理想的方案是投资建设一条或累计建设8 000 t/d 产能的熟料新型干法水泥生产线及与之相配套的固危废协同处置设施。包括同期建设低温余热发电系统、垃圾焚烧飞灰水洗系统、垃圾焚烧飞灰协同处置系统、固体废弃物（危险废弃物）预处置系统、固体废弃物（危险废弃物）协同处置系统和替代燃料生产系统等。

项目建成后，预计年协同处理固体废弃物（危险废弃物）总计逾110 万吨，其中生活垃圾焚烧飞灰处置量约为20 万吨，危险废弃物焚烧灰渣等难以处置的次生灰渣以及重金属污泥等年处置量约为20 万吨，两者合计约40 万吨[7]，可以有效弥补本市危险废弃物处理处置能力不足，为本市固体废弃物（危险废弃物）处置提供托底保障，助力上海创建“无废城市”。此外，作为该项目的副产品——水泥，也可以为城市建设提供保障，实现企业与城市共生共融发展。

（2） 经济盈利性

按照项目的固危废处置能力设计方案投资，资金筹措依据国发[2015]51 号《国务院关于调整和完善固定资产投资项目资本金制度的通知》，股东投入资本金，项目再申请长期银行贷款和流动资金银行贷款。原材料方面选择与石灰石矿企业签署长期供应合作关系，并按照市场价结算，燃料和电力采用清洁能源和传统能源相结合的方式供应，人工成本按照国内先进水平定岗定编，物料输送按照精简和市场化运作的原则操作。

项目投产后的经费运营，一是通过处理固危废向政府、产废单位领取补贴；二是自主研发和生产替代燃料，降低成本；三是通过销售水泥获取项目收益、现金流和分摊成本；四是根据财税[2015]78 号《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》，充分考虑项目税务成本的减免因素。

（3） 能耗和环保

水泥窑协同处置是当前最优的城市固危废处置方案之一，是一种成熟的先进工艺。与其他处置方式相比，其处置城市危险废弃物最彻底，真正做到了“吃干榨净”，处置的危险废弃物也不会产生二次污染问题。由于水泥窑协同处置属于上海市急需增加的对固废、危废处置的有效途径，也属于布局城市固废托底保障的设施，因此在项目审批立项时，建议从项目服务于整个城市持续健康运营的角度，给予项目必要的能耗指标和排放指标，或者在申请能耗指标和排放指标时，考虑将原项目关停节约下来的排放指标反哺给水泥窑协同处置项目。

（4） 创新点

（a） 提高协同处置比例。加大工艺技术创新的力度，对标国外先进技术，在保证生产安全和产品质量的前提下，积极研发协同处置固危废的比例，确保实现年处置城市废弃物逾110 万吨（包括危险废弃物逾40 万吨）的目标，力争水泥处置率达420 kg/t，与目前国际先进水平的日本太平洋水泥公司处置水平（476 kg/t）接近。

（b） 烟气排放超低。采用创新的预分解系统自脱硝+选择性非催化还原（SNCR）脱硝+选择性催化还原（SCR）脱硝、石灰石-石膏湿法（FGD）脱硫技术，实现超低标准排放（NO 质量浓度≤50 mg/m3、颗粒物质量浓度≤5 mg/m3、SO2质量浓度≤20 mg/m3）；与传统水泥生产企业相比，力争实现减排率超过20%。

（c） 能耗低。一是采用清洁能源（天然气）替代传统水泥生产用的燃煤；二是采用低热耗的窑型、最新技术的冷却机来进行纯低温余热发电等措施；三是积极开发、生产和使用生物质燃料（RDF），实现资源综合利用，并逐步提高替代燃料的比例，在节约能源的同时降低成本；四是严控生产和产品质量关，生产能耗达到国际先进水平。

（d） 废水零排放。采用飞灰水洗分盐技术，将水泥生产线产生的废水送至垃圾焚烧飞灰水洗系统，实现全厂无生产废水排放。

（e） 实现智能制造。涵盖智能规划、智能控制、智能物流、智能管理和智能服务等。

5 建设中存在的问题和解决措施

项目建设和投入生产都是属地管理，作为一个为全市消纳生活垃圾和固体废弃物的项目，其对环境的影响和能耗排放都属于属地的指标，不可避免会带来全局和局部相关利益冲突，主要集中在能耗、交通和碳排放等方面。

5.1 存在的问题

（1） 能耗问题

水泥窑协同处置项目设计方案的能耗水平已达到先进水平，但相比本市大力发展的新型制造业的生产能耗，还是属于“高耗能”项目，会给项目属地能耗指标控制带来很大压力。

（2） 交通问题

水泥窑协同处置项目一旦正常生产，每天将有各类原材料进厂、成品水泥出厂，因此需要具备水路及陆路运输条件。陆路运输车辆都是大型车辆，会给周边带来较大的交通压力及安全压力。

（3） 环保问题

水泥窑协同处置项目的碳排放相对比较大，虽然项目设计时使用天然气和生物质燃料等清洁能源和可再生能源，但相比本市大力发展的新型制造业其碳排放相对较高，对项目属地碳排放指标控制有较大压力。

5.2 解决措施

计划建设的项目属于资源化利用和环保处置项目，对本市生活垃圾和固体废弃物消纳具有积极作用，可为城市运行提供安全保障，为此应坚持“以废定产、超净排放、高效低碳”原则。

（1） 以废定产

以处置生活垃圾和固体废弃物（危险废弃物）数量为依据，控制水泥生产规模，并非无限制生产水泥。

（2） 超净排放

必须严格按照《上海市大气污染防治法》设计方案，坚持使用天然气为燃料。使用天然气导致水泥成本高于外省市进沪水泥成本，应有相关引逼政策，要求本市政府投资（国企投资）项目优先使用本市生产的水泥，或者使用一定比例。

（3） 高效低碳

体现在能耗指标上，计划建设的项目已经在能源使用种类和生产能效上动足脑筋、想尽办法，但其能耗还是较高，建议进行合理分摊，或者部分单列，不能由属地区域自行承担。

（4） 技术创新

通过积极研发和生产替代燃料，缓解（或缩小）使用天然气导致的与其他水泥企业使用燃煤相比的成本价差问题，提高企业的盈利水平。加大创新投入，逐步提高废弃物掺入水泥的比例，提高固危废的处置能力。

6 结语

城市中利用水泥窑协同处置城市废弃物是成熟的先进技术，已在发达国家应用，水泥生产企业进行水泥窑协同处置城市废弃物属于首创，是科技进步给予的支撑，也是超大型城市运行的安全保障，符合上海市“十四五”规划中环境保护和生态建设的要求，有利于本市“无废城市”建设，将成为“政府好帮手、城市的净化器”，助力城市更新。