水泥工业是典型的能源消耗和资源消耗型工业。资料显示，水泥生产能耗约占全国能源消耗量的7%左右，水泥工业消耗的煤炭占全国煤炭总消耗量的15%左右。因此，水泥行业节能降耗工作的进展对国家节能降耗目标的实现将起到非常重要的作用。另一方面，我国城市生活垃圾近年来增长速度很快，目前全国1年产生的生活垃圾已达1.5亿吨。全国668座大中城市中至少有200座城市处于垃圾的包围之中，在城市周围历年堆存的生活垃圾量已达60亿吨，侵占了约5亿平方米的土地。这些数量庞大的生活垃圾已对城市及城市周围的生态环境构成日趋严重的威胁，垃圾直接堆放和简易填埋场向大气释放大量的有害气体，垃圾在堆放腐败过程中产生大量酸性和碱性有机污染物，并溶解出垃圾中的重金属，形成有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。此外，垃圾堆积场自燃、爆炸事故不断发生，也造成重大损失。
国内外长期大量的实践证实，在处理和利用固体废物方面，现代新型干法水泥窑（PC窑）系统与废物（垃圾）焚烧炉相比具有明显优势，固体废物所具有的热量和物质将为水泥工业提供替代燃料和替代原料。研究和开发水泥工业利用和处理固体废物技术，可为水泥工业寻找到替代原料和替代燃料，可以节约能源和降低废物处理成本，提高企业经济效益和社会环境效益。这也正是合肥水泥研究设计院研发水泥窑和垃圾焚烧炉联合处理生活垃圾技术的目的。此项技术在四川广旺能源集团建材分公司天台水泥厂的应用，已取得明显成效。
技术原理
此项技术是通过在水泥回转窑旁设置垃圾焚烧炉来联合处理城市生活垃圾，它既不同于日本的垃圾焚烧发电后由水泥厂处理灰渣的技术，也不同于西欧对垃圾分选后直接由水泥窑处理的技术，而是根据我国人民生活水平的现状，适应我国垃圾特性，吸收国外垃圾处理的长处，并克服其不足后自主创新的一项新技术。采用此项技术，可以将垃圾热能和灰渣全部利用，污染物排放低，不需要二次处理，投资省，后期维护费用低。此项技术已取得了3项国家专利的授权，分别为发明专利“水泥回转窑和焚烧炉联合处理城市生活垃圾系统”、实用新型专利“回转式垃圾焚烧炉”和“垃圾喂料机”。以此项技术为依托的工业试验系统已于2007年11月15日在天台水泥厂成功点火。
此项技术不需要建设专门的垃圾焚烧厂或垃圾预处理车间，而是把垃圾焚烧炉建在新型干法水泥窑旁边，由垃圾焚烧炉和水泥窑联合处理生活垃圾，工艺流程框图见图1。
垃圾处理过程如下：垃圾由市政环卫部门的垃圾运输车直接运送到水泥厂，经地磅计量后倒入垃圾储池储存。抓斗从垃圾池把垃圾抓入板式输送机，人工挑选出大件垃圾和可回收物，其余的被带式输送机送入喂料小仓，在输送过程中由除铁器除去磁性金属。喂料机把小仓内的垃圾均匀地喂入焚烧炉，利用熟料冷却机的热风作为燃烧空气，热风从水泥窑窑头罩抽取，进入回转式垃圾焚烧炉，垃圾在热风的作用下焚烧，垃圾焚烧产生的高温烟气（1100℃左右）进入窑尾分解炉和预热器，与水泥生料换热，为水泥生料分解提供热量，然后被窑尾废气处理系统净化后排放。垃圾焚烧灰渣直接进入回转窑作为水泥原料，结合于熟料之中。垃圾焚烧灰渣也可以从焚烧炉排出，作为混合材，用于磨制水泥。处理过程全部封闭，垃圾在垃圾池储存期间，有机物腐败产生的臭气等有机气体由排风机抽出，经除尘器除尘后送入冷却机头部的鼓风机，再被鼓入冷却机，与1400℃左右的熟料接触，在高温下被分解而净化。
此项技术采用水泥回转窑和垃圾焚烧炉联合处理城市生活垃圾，在不外加燃料的情况下，利用窑头高温热风作为燃烧空气，确保生活垃圾的连续、稳定和充分燃烧；采用与这个系统配套的回转式垃圾焚烧炉，可提高对原生生活垃圾的适应性、提高燃烬率和降低系统阻力，解决了我国垃圾成分复杂、水分高、热值低的缺陷；采用配套推进式垃圾喂料机，能实现均匀喂料、防止堵料和控制漏风，同时很好地解决了垃圾储存时散发的臭气等有机气态物的污染。
与其他技术的比较
目前我国生活垃圾处理方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧3种，国外发达国家的生活垃圾处理方式主要有填埋、焚烧、堆肥和回收利用。
填埋方式存在占用和消耗大量土地资源、渗沥液污染、填埋气体污染大气等缺点。堆肥方式存在分选效率低、垃圾可生物降解的有机物含量必须大于40%、肥料质量差等缺点。焚烧方式存在投资和运行成本高、依赖较高的上网电价、难免产生二英（Dioxin）和重金属等有毒物质、焚烧产生的飞灰须另行处置等缺点。
应用生活垃圾焚烧发电技术的垃圾电厂和利用水泥窑及垃圾焚烧炉联合处理生活垃圾技术的水泥厂，在技术和经济方面的比较详见表1。
国外发达国家利用水泥工业处理和利用生活垃圾的技术与本项目技术相比，存在分选和后处理系统复杂、处理费用高、易造成二次污染等缺点。水泥窑和垃圾焚烧炉联合处理生活垃圾技术可有效克服这些缺点。
应用实例
1.垃圾焚烧设备和联合焚烧工艺
合肥水泥院在天台水泥厂1号窑系统进行焚烧垃圾工业试验，系统为传统的五级预热器窑生产线，并配有较完善的温度和压力检测设备。生产运行中，系统设备运转率较高，由于窑的直径较小，台时产量较低。按照水泥回转窑和焚烧炉联合处理城市生活垃圾的技术思路，合肥水泥院在天台水泥厂1号窑旁边建设垃圾焚烧炉系统，垃圾焚烧系统主机设备为垃圾焚烧炉和垃圾喂料机。
为使上述水泥烧成系统适应联合焚烧垃圾的要求，对原系统进行了改造，将原窑头罩尺寸加大，增加了简易分解炉和三次风管。在三次风管下面安装了合肥水泥院取得专利权的回转式垃圾焚烧炉，并配套取得专利权的垃圾喂料机，共同组成水泥回转窑和焚烧炉联合处理生活垃圾系统。联合处理垃圾工艺流程如图2，其中细线部分表示原烧成部分，粗线部分表示对原烧成部分改进的内容、增加的简易分解炉、三次风管及垃圾焚烧系统。
系统配有温度和压力检测设备，与焚烧垃圾直接关联的有：安装在靠近简易分解炉端在三次风管上的热电偶和压力传感器，垃圾焚烧系统进热风管道和出烟气管道上装有热电偶。
2、运行和检验数据
焚烧的生活垃圾是由广元市环卫处运输队运来的市区生活垃圾和在工厂附近杨家岩职工生活区收集的生活垃圾，每生产1吨水泥熟料可处理垃圾0.2吨。垃圾焚烧后形成的灰渣无臭气，呈灰白色，颗粒均匀，无结渣，为粉末状，粒径小于3mm。
在水泥生产系统正常运行的情况下，切换到生产水泥同时焚烧垃圾状态，即打开焚烧垃圾系统进、出风管道上的阀门，关闭三次风管中间阀门，把热风引入垃圾焚烧炉。三次风刚进垃圾焚烧系统时，应减少生料喂入烧成系统量，增加分解炉喂煤量，保证分解炉温度，使入窑生料的分解率不降低。然后稳定垃圾喂料量，适当调整三次风管中间阀门开度和分解炉喂煤量，逐步提高生料喂入烧成系统量，形成良性循环。经过3个多小时的精心调整，生料喂入量恢复到切换前的状态。
受现场布置条件和投资资金所限，焚烧炉灰渣由焚烧炉卸出后，人工装入小推车，推至生料入窑小仓斗式提升机前的螺旋输送机处加入，焚烧炉灰渣和生料在输送的过程中混合，最后进入预热器和回转窑。
在连续运行的过程中，以保证系统产量和熟料质量为目的，稳定垃圾焚烧量和稳定分解炉温度为方向，调整分解炉喂煤量和三次风管开度，使系统处于良好状态。在焚烧垃圾的全部时间内，没发生结皮堵料等工艺事故，没有发现异常情况。
连续稳定焚烧垃圾的24小时中,生产水泥熟料299.1吨、焚烧垃圾60.2吨。单独生产水泥熟料，生产299.1吨水泥熟料需烧成煤57.13吨。与此相比，向分解炉少喂煤10.5吨，焚烧垃圾对烧成水泥熟料燃料的替代率为18.4%。焚烧垃圾生产的水泥熟料表观与平时生产的熟料完全相同，其化学成分、率值和矿物组成如表2和表3，强度检验结果见表4。
表2、表3和表4的数据说明，垃圾灰入窑和不焚烧垃圾生产的水泥熟料在化学成分和物理性能方面没有明显差别。
采用水泥回转窑和垃圾焚烧炉联合处理城市生活垃圾工艺不产生废水，不遗留固体废物，仅有废气排放。检测结果表明：焚烧垃圾前和焚烧垃圾中，水泥窑排放废气中的各污染物浓度和吨产品排放量均不超标。在水泥窑产量相同的情况下，焚烧垃圾前和焚烧垃圾中，废气和各污染物排放有如下差别：焚烧垃圾时比不焚烧垃圾时废气量增加了4.88%、颗粒物和氟化物排放浓度基本一致、氮氧化物排放浓度稍微降低、二氧化硫排放浓度稍微增加。
限于检测条件，未对废气中氯化物、二英、重金属等项目进行检测。根据广元市垃圾的组成、同济大学对垃圾飞灰应用的详细研究和国内外类似的研究，它们均应在相关标准许可的范围内，不会对环境产生污染。
3.运行结果及启发
通过水泥窑和焚烧炉联合处理垃圾技术在天台水泥厂的实际运行，我们有如下的结论和启发。
水泥窑和焚烧炉联合处理生活垃圾不用外加燃料。采用水泥窑和焚烧炉联合处理生活垃圾技术，焚烧混合收集的城市生活垃圾，不外加燃料，在从水泥窑窑头罩抽取的焚烧热风温度大于600℃时，垃圾焚烧温度可达900℃以上，完全符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）对焚烧垃圾的温度控制要求，烟气在850℃以上停留时间远远超过2秒。目前，城市居民普遍使用液体或气体燃料，垃圾中可燃物增加，若不经雨淋，低位热值可达5000kJ/kg以上，随着生活水平的提高，垃圾热值还将大幅度提高。另外，现在水泥生产大部分采用新型干法水泥回转窑，水泥窑窑头罩的热风均大于600℃，甚至达到1000℃。若以950℃热风作为垃圾燃烧的热空气，即使垃圾热值低到3000kJ/kg，燃烧温度也会超过900℃。若有温度比较高的燃烧空气，焚烧炉温度可控制在1100℃左右，以便提升热量利用率和取得更好的处理效果。因此，采用水泥窑和焚烧炉联合处理生活垃圾技术处理城市生活垃圾不用外加燃料。
焚烧垃圾不影响水泥烧成系统的运行和产品质量。在焚烧垃圾过程中，没有发生预热器结皮、堵塞和窑结圈现象，对水泥生产操作没产生影响，其结果比我们预想的好。由于在配料时考虑了垃圾灰的掺入，水泥熟料化学成分几乎没有变化，水泥熟料质量基本不受影响。我们所担心的垃圾中氯、硫、碱对水泥烧成系统的影响没有出现，一方面是垃圾焚烧量还较少，另一方面是因为从窑头罩抽取的焚烧垃圾的热风携带有大量的水泥熟料颗粒，它含有65%以上的CaO，而且处于高温活性期，把垃圾燃烧分解出的酸性物质吸收并固定，自然不会对水泥烧成系统的运行和水泥熟料质量造成影响。
焚烧垃圾起到了替代燃料的作用。在试烧统计阶段，焚烧垃圾对烧成水泥熟料燃料的替代率为18.4%。
水泥窑和焚烧炉联合处理生活垃圾能够实现无害化、资源化和无残留处理。我们在运行过程中进行了力所能及的检测，所检测项目的各项指标结果均符合《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）和《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）排放限值的要求。研究证实，水泥窑和焚烧炉联合处理生活垃圾技术能够实现对生活垃圾的无害化、资源化和无残留处理。
结论
水泥工业处置城市生活垃圾与其他处置方式相比，对垃圾热量和物质利用率更高。这种处理方式除水泥生产线用地外，不需要征用大量土地，不会对地下水产生污染，没有固体废弃物外排，对大气的污染也可减到极轻程度，是最彻底的处理方式之一。水泥窑和垃圾焚烧炉联合处理垃圾技术能适应我国垃圾的特性，实现了对生活垃圾处理的无害化和资源化，其投资和运行费用低，投入产出比高，值得各地环保部门和市政部门采纳。同时，水泥工业是高能耗、高资源消耗的产业，2009年全国水泥产量达16.3亿吨，今后还要继续增长，资源和能源消耗巨大，此项技术使生活垃圾转化为水泥工业的替代燃料和替代原料，将缓解水泥工业对天然资源的依靠，也值得各水泥企业作为节能减排的实用技术进行运用。可以说，水泥窑和垃圾焚烧炉联合处理垃圾达到了节约能源和废物处理、政府和企业双赢、环境和效益双赢的多重目的。
