水泥窑协同处置污泥技术探讨
随着我国污水治理行业的蓬勃发展，污水处理厂的污泥产量逐年增加，从2010年的5427万t增长至2017年的7436万t。据预测2023年的污泥处理市场规模将达到867亿元。但由于我国长期以来“重水轻泥”，污泥处理问题未能得到有效解决。开发实施新型、环保的污泥处置技术成为当下的迫切要求。
01 水泥窑协同处置技术及现状
污泥的处置主要有填埋、堆肥和焚烧三种方式，焚烧处置是污泥减量化最显著的方式。焚烧处置又分为建设独立的焚烧系统和依托现有设备进行改造两种，后者可依托现有电厂、燃煤锅炉、垃圾焚烧炉及水泥窑等装置，将污泥与煤或垃圾混烧。
水泥窑协同处置污泥作为全过程清洁的废弃物处置方式，利用水泥生产过程的高温环境来焚烧污泥，窑内呈碱性，可有效避免酸性物质和重金属挥发。水泥窑协同处置污泥过程中，有机物被彻底分解，二噁英很难形成。同时污泥焚烧产生的热能被回收，残渣和飞灰作为水泥成分配人熟料中，实现资源化和污泥减量化。与污泥其它处理方式相比，水泥窑处置技术更彻底，也不会产生二次污染，满足“减量化、无害化、资源化”的原则。
近年来，我国在水泥窑协同处置上攻克了许多技术难关，取得了初步成绩。水泥窑协同处置技术成功地投入生产应用。据统计，目前已建成水泥窑协同处置生活垃圾生产线43条，年处置垃圾约500万t；协同处置污泥24条，年处置污泥约195万t，在建和拟建的水泥窑协同处置生产线还有90多条。由此可见，水泥窑协同处置技术形成了良好的发展态势，前景广阔。
02 处置方案及技术路线
一、污泥特性
污泥成分复杂，含有各种微生物、多种重金属及大量的难降解物质，具体分为泥、沙等无机物以及菌体等有机物两类。如处置不当，会造成环境再污染。相关研究表明：污泥的化学特性与水泥生产所用的原料基本相似。与普通硅酸盐水泥相比，利用污泥和焚烧飞灰产生的水泥在颗粒度、相对密度上基本相似，在稳固性、膨胀密度、固化时间上也较好。因此，利用水泥窑协同处置污泥是一种可行的资源化处理方式。
二、处置方案及技术路线
污泥预处理工艺与投入水泥窑位置作为水泥窑协同处置污泥技术的关键要素，依此分类，协同处置污泥的主要工艺路线如下。
1、投入窑尾烟室
参考《水泥窑协同处置污泥工程设计规范》(GB50757-2012)：含水率为30％-80％的污泥可从窑尾烟室处进料，但是宜设置喷枪等强制给料设备，且烟室内温度下降宜控制在100℃以内，以防造成局部堵塞结皮。水泥窑协同处置技术中将含水率70％-80％的污泥直接进入窑尾烟室焚烧是目前国内应用最广泛的，该技术占全部处置生产线的50％以上，工艺流程见图1。
图1 污泥投入窑尾烟室的工艺流程图
污泥送入污泥仓后，仓内设置液压滑架，通过滑架的往复运动防止污泥在仓底淤积，形成死角、起拱。污泥在滑架的作用下进入卸料口，经双螺旋给料机输送至单杠闸柱塞泵内去窑尾烟室。污泥仓顶部卸料口设置液压翻板门，以使仓处于密封常态。仓卸料区域设置格栅，防止大块杂物进入堵塞柱塞泵。在污泥输送管道入窑尾烟室的末端设置给料喷枪，以使污泥均匀、散开的形式喷入，增加换热面积，从而降低污泥对窑系统的影响。污泥仓的臭气一部分作为冷却风进入水泥窑篦冷机，另一部分经过活性炭除臭装置除臭达标后，由引风机送人烟囱排放。在水泥线检修期间臭气通过活性炭除臭装置处理后达标排放。
投入水泥窑窑尾烟室下污泥不进行预处理，相对节省了污泥预处理的费用，但易造成烟室内的温度波动，影响水泥生产线的稳定运行。
2、投入分解炉
依规范，含水率不大于30％的污泥可从水泥窑分解炉处进料。此工艺下要对污泥进行热干化预处理，利用水泥生产过程中的废热烟气作为热源，直接或者通过换热装置间接将热量传递给污泥，降低污泥的含水率，工艺流程见图2。
图2 污泥投入分解炉的工艺流程图
污泥送人污泥仓后，依次经过液压驱动滑架、双螺旋给料机，经污泥泵输送到造粒机造粒，再经过干燥机干燥，干化后呈细粉状的污泥经输送机送人分解炉焚烧。干燥机作为换热装置工作时热源为水泥生产中的废热资源。热烟气可与污泥直接接触，也可间接接触。
热干化技术具有占地小、无害化彻底、工艺技术成熟等优点，结合热干化与投入分解炉的污泥处置方式在污泥处置市场越来越受到重视。
3、投入炉排炉或气化炉
本工艺下水泥窑协同处理是依托水泥窑装置设置炉排炉(或气化炉)实现对垃圾和污泥混合处理。在炉排炉焚烧垃圾的基础上，将污泥按一定的比例掺入，实现污泥与生活垃圾的混合焚烧，炉排炉焚烧产生的烟气送入水泥窑分解炉，工艺流程见图3。
图3 污泥投入炉排炉的工艺流程图
污泥掺入垃圾主要有垃圾坑加入与在炉排炉进料装置处加入两种方式。污泥通过污泥车运输到污泥仓，污泥仓底部的液压滑架驱使仓内污泥滑人破碎机破碎，破碎后的污泥送至炉前污泥仓。通过垃圾坑加入是将炉前污泥仓的污泥送入垃圾坑中，利用抓斗的搅拌实现污泥与垃圾的混合。此掺烧方式系统简单，费用低，但污泥由于粒径小、密度大，在抓取中易掉落沉到坑底，增加渗滤液和淤泥的清理工作。通过进料装置处加入是将污泥送至炉排炉推料平台上，在平台上实现污泥与垃圾混合，混合后送炉排炉。此掺烧方式只需单独设置污泥存储和输送系统，系统简单，还可以根据运行实况控制污泥的掺烧比例，运行可靠。为了保证系统的安全稳定运行，污泥的掺混质量比为5％-20％。
结合水泥窑的炉排炉掺烧污泥方式不仅处理了垃圾与污泥过程中的臭气及有毒物质，实现污泥的无害化处理，还降低了对水泥生产的影响。
03 技术优势
填埋、堆肥存在二次污染的同时还占用大量土地资源。焚烧工艺中单独建设焚烧系统投资高，而且不能完全资源化处理飞灰、炉渣等。依托水泥窑装置的水泥窑协同处理污泥技术在无害化、资源化和经济性上有独特的优势：
(1)有机物分解彻底。水泥窑装置热容量大，温度高，烟气停留时间长，污泥中的有毒有害物完全分解，焚烧率达99.999％，二噁英在处理过程中也被完全分解。
(2)重金属等无残留，无二次污染。在水泥窑协同处置过程中，污泥中的重金属能被固定在水泥熟料中，结构稳定。焚烧后烟气经除尘器收尘后，飞灰作为原料送人水泥窑处理系统，无二次污染。
(3)资源化效率高。污泥中有机成分和无机成分得到充分利用，部分有机质和可燃成分在水泥窑中焚烧时产生热量，无机物作为水泥原料，资源化效率高。
(4)处理量大及工艺稳定。水泥生产线多，生产量大，相对处理的污泥量大；水泥窑运行稳定，热容量大，处理工艺稳定、方便。
(5)投资少及运营成本低。协同处置工艺不额外占用土地，无需建设焚烧设备。而且水泥厂分布广，有利于污泥的就地消纳，节省运输成本。数据表明水泥窑协同处置固废的成本在500-1000元/t，而焚烧炉处置成本约为2倍以上。
04 关键因素分析
利用水泥窑协同处置污泥，不仅要确保对环境的无害化，还要确保水泥窑工艺稳定、避免对水泥质量的影响。为此，从以下几个角度进行了探讨：
(1)污泥对水泥窑工艺的影响。水泥生产时窑内温度达1000℃以上，协同处置污泥时，投入的污泥中水分迅速挥发、固定碳和挥发分燃烧释放出大量的热量。投入污泥会引起窑内温度的骤变，对水泥生产不利。同时，污泥中的微量组份也会对水泥窑工艺的稳定运行产生影响，引入的有害组份如钾、钠、氯、硫等会引起系统粘结堵塞，从而直接影响设备运转率和水泥熟料品质。
(2)污泥对水泥质量的影响。由污泥特性可知，污泥可用于水泥生产的原料。但随着污泥掺烧比例的增加，熟料成分中SiO2含量增加，SiO2比例过高带来C2S(2CaO·SiO2)反应转化为C3S(3CaO·SiO2)比例的降低，导致水泥早期强度低。同时污泥中碱的过量存在会破坏水泥熟料矿物的形成，使得水化过快，凝结时间变短，对熟料强度产生不利影响。
(3)污泥中重金属的影响。我们要重点关注重金属浸出问题，这关系到我们的健康及环境。水泥窑协同处置污泥后，污泥中重金属被固定在熟料矿物相晶格中。晶体结构的熟料为重金属离子的“固溶”提供了结构上的先决条件。被“固溶”的重金属必须在矿物相再次被破坏的情况下，如高温、酸碱腐蚀等，才可能从体系中迁移出。因此，水泥窑协同处置污泥可以很好地固化污泥中的重金属，不存在重金属浸出的问题，安全可靠。
综上所述，水泥窑协同处置污泥技术上可行、经济上合理、环境上效益显著，值得推广。但要保证系统运行稳定及水泥产品质量符合要求，必须要控制污泥的掺烧量。参考国内外运行经验，污泥投入水泥窑焚烧工艺中污泥掺烧量控制在5％以下。
05结语
本文对水泥窑协同处置污泥技术及应用进行了探讨。利用水泥窑处置污泥不仅可以彻底解决污泥处置的难题，做到“减量化、无害化、资源化”，也还为水泥生产节约了能源和原材料，为污泥资源的开发利用开辟了新途径。随着水泥窑处置城市污泥技术不断完善与推广，水泥窑协同处置污泥技术必将迎来更广阔的未来。
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