杭世珺：6條工藝路線、多個工程實例告訴你污泥水泥窯協(xié)同處置現(xiàn)狀

　　此文章分析了污泥水泥窯協(xié)同處置的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，統(tǒng)計了我國部分相關(guān)項目的主要工藝條件和處理規(guī)模，歸納總結(jié)了污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的特點和優(yōu)勢。通過現(xiàn)場調(diào)研和分析，提出了我國污泥水泥窯協(xié)同處置的6種工藝路線，并通過工程實例對各類工藝路線加以說明。

　　0 概述

　　隨著我國市政污水處理行業(yè)的蓬勃發(fā)展，水污染治理成效顯著，污水處理廠污泥產(chǎn)量逐年增加，我國城市和縣城污水處理設(shè)施2016年脫水污泥（80%含水率，下同）產(chǎn)量達4 760萬t，由于我國長期以來“重水輕泥”，相關(guān)設(shè)施建設(shè)沒有同步跟上，污泥處理處置問題未能得到有效解決，形勢十分嚴峻。目前我國污泥處置主要以填埋為主，其污泥消納能力、環(huán)保指標、資源化利用等方面均不能滿足要求。污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)具有焚燒溫度高、處置徹底、灰渣直接利用、無二次污染，一站式無害化處理的特點，是污泥無害化處置的方法之一，國內(nèi)外均有成熟的應(yīng)用案例。本文在前期的調(diào)研和研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該技術(shù)的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，對該技術(shù)的應(yīng)用邊界條件、主要技術(shù)參數(shù)作了詳細的分析，提出了該技術(shù)未來的應(yīng)用前景，為污泥水泥窯協(xié)同處置提供技術(shù)支撐。

　　1 國內(nèi)外污泥水泥窯協(xié)同處置的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　在歐美國家，污泥水泥窯協(xié)同處置起步較早，形成了完整的法律政策體系并得到了較廣泛應(yīng)用。近年來，日本、瑞士、德國的污泥在水泥窯協(xié)同處置的比例分別為28.7%（2015年）、19%（2003年）和14.6%（2010年）。美國有近200 座污水處理廠采用焚燒方式處理污泥，占全國污泥處理總量的20%，其中6%的污泥采用協(xié)同焚燒方式處置。

　　我國是水泥生產(chǎn)大國，污泥水泥窯協(xié)同處置項目逐年增加，已經(jīng)成為我國污泥熱化學處理處置的手段之一。目前我國已建成污泥協(xié)同處置設(shè)施的水泥熟料生產(chǎn)線30～40條，其中部分項目的基本情況如表1所示。

　　2 污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)的特點和優(yōu)勢

　　利用水泥回轉(zhuǎn)窯焚燒污泥，減少了殘渣、大氣污染物、重金屬等無序排放造成的環(huán)境污染。水泥生產(chǎn)過程中，高溫煅燒可分解污泥中的有機物、水泥熟料礦物的水化過程可固化重金屬，實現(xiàn)污泥的無害化；污泥中的灰分可作為熟料生產(chǎn)的原料，實現(xiàn)污泥的資源化，體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟“減量化、再利用、再循環(huán)”的原則，符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。

　　2.1 有機物分解徹底

　　水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫、充足的停留時間和懸浮狀態(tài)可以保證污泥中的有機物徹底分解。硅酸鹽水泥熟料的生產(chǎn)原料主要含CaO、SiO₂、Al2O₃、Fe2O₃等成分，各種原料磨成細粉后，按照適當比例混合并在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒至部分熔融，得到以硅酸鈣為主要礦物成分的水硬性膠凝物質(zhì)。水泥熟料生產(chǎn)中，為保證CaCO₃分解為CaO，分解爐的氣流溫度控制在850～1 100 ℃；在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，硅酸三鈣（C₃S）在出現(xiàn)液相以后才能形成，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成溫度1 450～1 550 ℃，爐內(nèi)最高的氣流溫度可達1 700～1 800 ℃；物料從窯尾到窯頭總的停留時間在40 min左右；氣體在高于950 ℃以上溫度的停留時間在8 s以上，高于1 300 ℃以上停留時間大于3 s；且窯內(nèi)物料呈高湍流化狀態(tài)，二噁英等穩(wěn)定有機物等也能被完全分解。水泥回轉(zhuǎn)窯是一個熱慣性很大，十分穩(wěn)定的燃燒設(shè)備，不會因污泥投入量和性質(zhì)的變化，造成大的溫度波動，系統(tǒng)易于穩(wěn)定。

　　2.2 二次污染少

　　水泥熟料生產(chǎn)采用的原料成分決定了水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性氣氛，它可以有效地抑制酸性物質(zhì)的排放，使得SO2和Cl-等化學成分化轉(zhuǎn)化為鹽類化合物并得以固定；水泥回轉(zhuǎn)窯可將污泥中的絕大部分重金屬離子固化在熟料中，可有效避免其釋放和擴散；污泥所含各類物質(zhì)經(jīng)水泥回轉(zhuǎn)窯處理后只存在于熟料和煙氣中，熟料和煙氣在達到相應(yīng)標準后進行使用和排放，與污泥單獨焚燒相比，在水泥窯特定工況下，煙氣和飛灰的二次污染風險低得多。

　　2.3 環(huán)境與經(jīng)濟效益顯著

　　利用水泥回轉(zhuǎn)窯來處置污泥，雖然需要在工藝設(shè)備和給料設(shè)施方面進行必要的改造，并需新建污泥貯存和預(yù)處理設(shè)施，但與新建專用污泥焚燒廠相比，不需新建焚燒爐，投資顯著降低；對于設(shè)有水泥熟料生產(chǎn)設(shè)施的地區(qū)，在尚不具備建設(shè)永久性污泥處理設(shè)施的情況下，采用該工藝有利于污泥就地消納，簡化了工藝環(huán)節(jié)；通過污泥處置與資源能源回收利用的良好結(jié)合，實現(xiàn)了污染物排放總量的本質(zhì)性降低，符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求。

　　3 污泥水泥窯協(xié)同處置的工藝路線

　　污泥水泥窯協(xié)同處置，應(yīng)以滿足如下條件：

　?。?）水泥窯系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定運行；

　?。?）水泥熟料生產(chǎn)和污染物排放均符合相關(guān)標準；

　?。?）具有一定的經(jīng)濟效益。

　　污泥預(yù)處理工藝和水泥窯投加點是工藝路線中的兩個關(guān)鍵要素，據(jù)此分類，我國污泥水泥窯協(xié)同處置的主要工藝路線可分為以下幾種：

　　（1）污泥脫水——窯尾煙室投加；

　　（2）污泥深度脫水——分解爐投加；

　?。?）污泥直接/間接干化——分解爐投加；

　　（4）污泥脫水——氣化爐投加；

　?。?）污泥脫水——增濕塔噴霧干燥——分解爐投加；

　　（6）污泥/污泥焚燒灰渣——原料投加。

　　以下簡要介紹各個工藝路線的代表性案例，其中大部分案例經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研。

　　3.1 污泥脫水——窯尾煙室投加

　　《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50757—2012）規(guī)定，含水率為30%～80%的污泥可從窯尾煙室處進料，但是宜設(shè)置噴槍等強制給料設(shè)備，且煙室內(nèi)溫度下降宜控制在100 ℃以內(nèi)，以防造成局部堵塞結(jié)皮?！端喔G協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》（HJ662-2013）提出，含水率高或塊狀廢物應(yīng)優(yōu)先選擇從窯尾煙室投入。目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是含水率70%～80%的脫水污泥直接進入窯尾煙室焚燒，占全部處置生產(chǎn)線的50%以上。

　　重慶全市有48條新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，其中17條生產(chǎn)線利用水泥窯協(xié)同處置污泥，以上絕大部分設(shè)施均為脫水污泥直接泵送至窯尾煙室。重慶主城區(qū)脫水污泥利用水泥窯協(xié)同處置已呈常態(tài)化，截至2015年，重慶水泥企業(yè)已處置主城區(qū)污泥26萬t。重慶拉法基南山工廠的污泥處置設(shè)施自2008年即投產(chǎn)運行，該廠設(shè)有2 000 t/d和2 500 t/d生產(chǎn)線各1條，脫水污泥通過柱塞泵分別輸送至2條生產(chǎn)線的窯尾煙室。目前設(shè)施運行狀況良好，脫水污泥設(shè)計設(shè)計總處理量100 t/d，實際處理量為120～130 t/d，最高可達150 t/d。

　　江蘇某水泥窯協(xié)同處置企業(yè)將脫水污泥以5 t/h 的投加量通過柱塞泵輸送至分解爐，發(fā)現(xiàn)在做好入窯前分析并嚴格控制添加比例的情況下，投加市政污泥對水泥熟料的f-CaO及28 d抗壓強度等質(zhì)量指標沒有明顯影響；對水泥生產(chǎn)無明顯影響。

　　3.2 污泥深度脫水——分解爐投加

　　《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50757—2012）規(guī)定，含水率不大于30 %的污泥可從分解爐處進料，這就需要對污泥進行干化處理，但實際上很多項目中深度脫水污泥也進入分解爐協(xié)同處置。

　　上海萬安華新水泥有限公司設(shè)有1 500 t/d生產(chǎn)線1條，脫水污泥設(shè)計處理能力60 t/d，實際處理量可達6 t/h。污泥在污水處理廠深度脫水后（含水率50%～55%），投入分解爐底部。污泥經(jīng)隔膜式板框壓濾機處理，污泥調(diào)質(zhì)主要采用采用石灰（10%～15%），其余藥劑均不含氯，從而保證了水泥窯的操作條件，見圖1。

　　華新水泥（武穴）有限公司水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模分別為6 000 t/d和4 800 t/d，建有污泥深度脫水及直接干化處置設(shè)施，利用水泥窯三次風作為熱源，在球磨機內(nèi)將污泥由55%干化至30%以下，設(shè)計脫水污泥處置能力1 500 t/d。干化污泥投入分解爐焚燒處置。

　　華新水泥（黃石）有限公司2條水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模為5 500 t/d，對RDF和污泥協(xié)同處置，脫水污泥設(shè)計處理能力100 t/d。污泥在預(yù)處理廠深度脫水后（含水率50%），與RDF在同層投入分解爐。

　　山東山鋁水泥有限公司水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模分別為3 000 t/d和3 500 t/d，脫水污泥設(shè)計處理是2×200 t/d，設(shè)計、接收污泥含水率為30%，實際接收污泥含水率為55%，2條生產(chǎn)線實際處理污泥250 t/d，污泥進入分解爐焚燒處置。在水泥熟料不減產(chǎn)的情況下，兩條生產(chǎn)線可處置含水率55%污泥250 t/d,見圖2。

　　遵義三岔拉法基瑞安水泥有限公司水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模為4 600 t/d，對RDF、地煤灰和污泥協(xié)同處置，脫水污泥設(shè)計處理能力360 t/d。污泥在污水處理廠深度脫水至含水率60%以后，經(jīng)汽車運輸至水泥廠，投加至分解爐下部，見圖3。

　　3.3 污泥直接/間接干化——分解爐投加

　　廣州市越堡水泥有限公司水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模為6 000 t/d，設(shè)計脫水污泥處理能力600 t/d。脫水污泥在廠內(nèi)經(jīng)直接干化處理后（含水率控制在25%以下），投入分解爐中部。在污泥直接干化單元中，利用窯尾煙氣作為熱源，煙氣經(jīng)高效旋風收塵器收塵后通過風機升壓進入干燥機，污泥和煙氣在干燥機內(nèi)完成熱交換后向上旋流運動，通過布袋收塵器進行氣固分離。煙氣由石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)和高溫生物滴濾塔除臭系統(tǒng)凈化后排放。越堡公司目前干基污泥處置量為水泥熟料產(chǎn)量的3%，這是由熱源限制、污泥有害成分控制和水泥生產(chǎn)要求多重因素影響的。根據(jù)其運行經(jīng)驗計算，保守條件下干污泥添加比例可為5%，最大投加量可達6%～8%，見圖4。

　　北京水泥廠水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模分別為2 000 t/d和3 000 t/d，利用其中的3 000 t/d水泥回轉(zhuǎn)窯對危險廢物和污泥協(xié)同處置，設(shè)計脫水污泥處理能力500 t/d。脫水污泥在廠內(nèi)經(jīng)渦輪薄層干化處理后，含水率從80%降至35%（半干化）或10%（全干化），投入分解爐之上的預(yù)燃爐。在污泥渦輪薄層干化單元中，利用2條生產(chǎn)線的窯尾煙氣作為熱源，煙氣經(jīng)導熱油換熱用于加熱干燥器內(nèi)的污泥，干化污泥和氣體經(jīng)過旋風分離器和袋式收塵器分離，污泥經(jīng)螺旋冷卻后進入分解爐底部；蒸汽經(jīng)過離心機抽取循環(huán)后經(jīng)熱交換器重新被加熱后大部分返至干燥器的始端。為保證干燥回路在常壓和微負壓狀態(tài)下運行，從污泥干燥過程回路抽取少量蒸汽經(jīng)過冷卻塔冷卻后（不凝氣體）送入水泥窯焚燒。污泥協(xié)同處置對熟料品質(zhì)基本無影響，見圖5。

　　3.4 污泥脫水——氣化爐投加

　　部分水泥企業(yè)依托水泥窯設(shè)置氣化爐等專用焚燒爐對垃圾和污泥混合處理。

　　胡芝娟等在2000年在上海市萬安集團利用水泥窯流態(tài)化焚燒分解爐進行了焚燒污泥半工業(yè)試驗。通過對含水率75%的生活污泥、石化污泥及其自然干燥物（含水率約65%）進行焚燒處理，流態(tài)化焚燒分解爐的燃燒區(qū)溫度850～900 ℃，氣體停留時間≥5.3 s，同時在懸浮態(tài)下進行能夠保證氣體中的有害物燃盡。焚燒后的物料隨氣流進入旋風筒，經(jīng)旋風筒分離后進入水泥生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　安徽銅陵海螺水泥有限公司水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模分別為4 000 t/d和4 500 t/d，一期工程利用4 500 t/d生產(chǎn)線對生活垃圾和污泥協(xié)同處置，脫水污泥設(shè)計處理能力30 t/d。污泥經(jīng)螺桿泵輸送，通過2個投加點進入氣化爐，同時預(yù)留進入窯尾煙室的通道。氣化爐內(nèi)的物料在500～550 ℃的溫度環(huán)境下與爐內(nèi)高溫流動介質(zhì)（流化砂）充分接觸，一部分物料欠氧燃燒向流動介質(zhì)提供熱源，另一部分氣化后形成可燃性氣體送往分解爐內(nèi)進一步焚燒，見圖6。

　　3.5 污泥脫水-增濕塔噴霧干燥-分解爐投加

　　陜西聲威建材集團有限公司2條水泥熟料生產(chǎn)線規(guī)模均為2 500 t/d，利用水泥窯窯尾廢氣進行污泥霧化干燥及協(xié)同焚燒。設(shè)計脫水污泥處理能力500 t/d。項目利用窯尾增濕塔作為污泥霧化干燥的主要設(shè)備，干化后污泥（含水率30%）投加至分解爐處置。運行結(jié)果表明，市政污泥加入后對水泥生產(chǎn)和熟料質(zhì)量均無不良影響。蒸發(fā)消耗熱量平均為3 105 MJ/tH2O（全系統(tǒng)熱量消耗），見圖7。

　　3.6 污泥/污泥焚燒灰渣——原料投加

　　富陽南方水泥有限公司、桐廬紅獅水泥有限公司、杭州錢潮水泥有限公司在2011～2012年針對杭州市政及造紙污泥進行了水泥窯協(xié)同處置試驗工作。投加方式為在原料端與石灰石、砂巖等混合配料后加入。由于《水泥窯協(xié)同處置污泥工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50757—2012）的強制條款規(guī)定“含有有機質(zhì)的污泥嚴禁以生料或煤粉喂料方式入窯”，因此目前此類項目的投加污泥點大部分改為窯尾煙室或分解爐。

　　4 小結(jié)

　　本文分析了污泥水泥窯協(xié)同處置的應(yīng)用現(xiàn)狀和特點，提出了6種工藝路線并介紹了相應(yīng)工程案例，關(guān)于協(xié)同處置污泥對水泥窯的影響以及此類污泥處置方式的模式預(yù)測、建議和展望，將在下篇中闡述。