【南京純水設備行業(yè)新聞】統(tǒng)計了國局部相關(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置行業(yè)的蓬勃發(fā)展，水污染治理效果顯著，污水處置廠污泥產(chǎn)量逐年增加，國鄉(xiāng)村和縣城污水處置設施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)設施建設沒有同步跟上，純水設備污泥處置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、處置完全、灰渣直接利用、無二次污染，一站式無害化處置的特點，污泥無害化處置的方法之一，國內(nèi)外均有成熟的應用案例。本文在前期的調(diào)研和研究的基礎上，總結(jié)了該技術(shù)的國內(nèi)外研究和應用現(xiàn)狀，對該技術(shù)的應用邊境條件、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)同處置的應用現(xiàn)狀
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較廣泛應用。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 座污水處置廠采用焚燒方式處置污泥，占全國污泥處置總量的20%其中6%污泥采用協(xié)同焚燒方式處置。
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置處置的手段之一。目前我國已建成污泥協(xié)同處置設施的水泥熟料生產(chǎn)線3040條，其中局部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、南京純水設備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)”原則，符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。
2.1 有機物分解完全
水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫、充分的停留時間和懸浮狀態(tài)可以保證污泥中的有機物完全分解。硅酸鹽水泥熟料的生產(chǎn)原料主要含CaOSiO2Al2O3Fe2O3等成分，各種原料磨成細粉后，依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8501 100 ℃；回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，硅酸三鈣（C3S出現(xiàn)液相以后才干形成，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成溫度1 4501 550 ℃，爐內(nèi)氣流溫度可達1 7001 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 以上，高于1 300 ℃以上停留時間大于3 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)定的燃燒設備，不會因污泥投入量和性質(zhì)的變化，造成大的溫度動搖，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，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，可有效防止其釋放和擴散；污泥所含各類物質(zhì)經(jīng)水泥回轉(zhuǎn)窯處置后只存在于熟料和煙氣中，熟料和煙氣在達到相應規(guī)范后進行使用和排放，與污泥單獨焚燒相比，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，雖然需要在工藝設備和給料設施方面進行必要的改造，并需新建污泥貯存和預處理設施，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；對于設有水泥熟料生產(chǎn)設施的地區(qū)，尚不具備建設永久性污泥處置設施的情況下，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實質(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，應以滿足如下條件：
1水泥窯系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定運行；
2水泥熟料生產(chǎn)和污染物排放均符合相關(guān)規(guī)范；
3具有一定的經(jīng)濟效益。
污泥預處置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，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；
3污泥直接/間接干化—分解爐投加；
4污泥脫水—氣化爐投加；
5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)同處置污泥工程設計規(guī)范》GB 507572012規(guī)定，含水率為30%80%污泥可從窯尾煙室處進料，但是宜設置噴槍等強制給料設備，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。水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境維護技術(shù)規(guī)范》HJ662-2013提出，含水率高或塊狀廢物應優(yōu)先選擇從窯尾煙室投入。無錫純水設備目前國內(nèi)應用廣泛的水泥窯協(xié)同處置技術(shù)是含水率70%80%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施自2008年即投產(chǎn)運行，該廠設有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。目前設施運行狀況良好，脫水污泥設計設計總處理量100 t/d實際處置量為120130 t/d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 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)同處置污泥工程設計規(guī)范》GB 507572012規(guī)定，含水率不大于30 %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有1 500 t/d生產(chǎn)線1條，脫水污泥設計處置能力60 t/d實際處置量可達6 t/h污泥在污水處置廠深度脫水后（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施，利用水泥窯三次風作為熱源，球磨機內(nèi)將污泥由55%干化至30%以下，設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，脫水污泥設計處置能力100 t/d污泥在預處置廠深度脫水后（含水率50%與RDF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脫水污泥設計處置是2200 t/d設計、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)線實際處置污泥250 t/d污泥進入分解爐焚燒處置。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，脫水污泥設計處置能力360 t/d污泥在污水處置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設計脫水污泥處置能力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。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，激進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，設計脫水污泥處置能力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燃爐。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
局部水泥企業(yè)依托水泥窯設置氣化爐等專用焚燒爐對垃圾和污泥混合處置。
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%生活污泥、石化污泥及其自然干燥物（含水率約65%進行焚燒處置，流態(tài)化焚燒分解爐的燃燒區(qū)溫度850900 ℃，氣體停留時間≥5.3 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，脫水污泥設計處置能力30 t/d污泥經(jīng)螺桿泵輸送，通過2個投加點進入氣化爐，同時預留進入窯尾煙室的通道。氣化爐內(nèi)的物料在500550 ℃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，一局部物料欠氧燃燒向流動介質(zhì)提供熱源，另一局部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。設計脫水污泥處置能力500 t/d項目利用窯尾增濕塔作為污泥霧化干燥的主要設備，干化后污泥（含水率30%投加至分解爐處置。運行結(jié)果標明，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20112012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)同處置污泥工程設計規(guī)范》GB 507572012強制條款規(guī)定“含有有機質(zhì)的污泥嚴禁以生料或喂料方式入窯”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)同處置的應用現(xiàn)狀和特點，提出了6種工藝路線并介紹了相應工程案例，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測、建議和展望，將在下篇中闡述。