協(xié)同處置污泥對(duì)水泥窯的影響
【www.fvqao.cn南京純水設(shè)備】1 協(xié)同處置污泥對(duì)水泥窯的影響
1.1 對(duì)熟料礦物相及強(qiáng)度的影響
當(dāng)污泥投加比例適度時(shí)，引入的微量元素在熟料燒結(jié)過(guò)程中起到了礦化和助熔的作用，改善了水泥生料的易燒性。一般情況下，污泥摻入量在1%～5%，可降低熟料中游離鈣（f-CaO）的含量。當(dāng)污泥投加比例適度時(shí)，可提高水泥強(qiáng)度；當(dāng)投加比例超過(guò)2%～2.5%時(shí)，水泥的早期強(qiáng)度將有所下降，原因可能是：污泥中SiO2在生料中的比例過(guò)高導(dǎo)致C2S（2CaO·SiO2）反應(yīng)轉(zhuǎn)化為C3S（3CaO·SiO2）的比例下降，導(dǎo)致水泥強(qiáng)度發(fā)展緩慢、早期強(qiáng)度低；污泥中堿的過(guò)量存在能夠破壞熟料礦物的形成，使得水化過(guò)快，凝結(jié)時(shí)間變短，對(duì)熟料強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響；污泥中過(guò)量的磷會(huì)促使C3S分解為CaO和α-C2S。
1.2 對(duì)熟料生產(chǎn)設(shè)備的影響
目前我國(guó)大部分項(xiàng)目的污泥處置量為100～600 t/d，進(jìn)廠污泥含水率30%～80%，灰分40%～60%。污泥加入后對(duì)生料組分影響較小，但是當(dāng)一些微量元素過(guò)量時(shí)對(duì)水泥窯的生產(chǎn)設(shè)備和熟料性質(zhì)有負(fù)面影響。南京純水設(shè)備當(dāng)原料中氯元素含量較多時(shí)，易在窯尾、風(fēng)管和排風(fēng)機(jī)等處生成低溫共熔物而結(jié)皮并堵塞通道；硫、氯、熔融組分能侵蝕耐火磚，降低保溫效果，導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定。
1.3 對(duì)系統(tǒng)能耗的影響
摻燒污泥時(shí)，污泥所含水分蒸發(fā)產(chǎn)生的煙氣量與為保證分解爐內(nèi)足夠熱力強(qiáng)度而補(bǔ)充用煤增加的窯尾煙氣量相疊加，導(dǎo)致預(yù)熱器風(fēng)速增加，系統(tǒng)阻力增大，預(yù)熱器換熱效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致窯系統(tǒng)的熱平衡及物料平衡的關(guān)系產(chǎn)生變化，導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)風(fēng)量上升，窯尾預(yù)熱器的排氣溫度升高，系統(tǒng)的總熱耗增加。高長(zhǎng)明通過(guò)分析北京金隅和廣州越堡的數(shù)據(jù)認(rèn)為，污泥水泥窯協(xié)同處置系統(tǒng)中，水分的進(jìn)入導(dǎo)致單位熟料熱耗增加3%～4%、電耗增加8%～12%；饒珊珊等發(fā)現(xiàn)污泥在窯尾煙室投加時(shí)，喂煤量保持不變的情況下，熟料的產(chǎn)量下降10%左右，折合燃煤量為310.1 kg/t濕污泥；湖州南方水泥有限公司利用5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線協(xié)同處置200 t含水率80%污泥（單條生產(chǎn)線），統(tǒng)計(jì)燃煤量約150 kg/t濕污泥。
經(jīng)深度脫水或干化處理后，污泥可為水泥窯提供一定熱量。
1.4 對(duì)系統(tǒng)風(fēng)量的影響
水泥窯是敏感的熱工系統(tǒng)，熱流、氣流及物料流的變化會(huì)打破系統(tǒng)本身的平衡。潘泂等以5 000 t/d規(guī)模水泥窯處理620 t/d污泥測(cè)算，因增加污泥喂料系統(tǒng)和污泥帶入的水分導(dǎo)致窯尾廢氣處理系統(tǒng)風(fēng)量增加15%～20%。孔祥娟等也提出，未完全干化污泥中的水分在水泥窯協(xié)同處置過(guò)程中蒸發(fā)時(shí)體積會(huì)大幅膨脹，給窯尾排風(fēng)機(jī)帶來(lái)負(fù)面影響。
1.5 對(duì)煙氣中NOx的影響
在工程和試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)，污泥摻燒可降低水泥窯的NOx排放量，減少氨水投量。原因推測(cè)如下：污泥中的氨類(lèi)、氰、烴根等還原性成分可將煙氣中的NOx還原成氮?dú)?；污泥消耗氧氣或通過(guò)水煤氣反應(yīng)形成CO，消耗NOx形成所需氧氣并還原NOx；污泥通過(guò)炭化作用生成活性炭，吸附或還原NOx。
1.6 對(duì)煙氣中重金屬的影響
在各類(lèi)重金屬中，高揮發(fā)性元素汞（Hg）主要凝結(jié)在窯灰上或隨煙氣帶走形成外循環(huán)和排放。有研究建議，污泥在水泥行業(yè)使用時(shí)汞含量不應(yīng)超過(guò)0.5 mg/kg；荷蘭禁止含汞污泥在發(fā)電廠協(xié)同處置，南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備同時(shí)也為水泥窯設(shè)定了汞的特殊限值。易揮發(fā)元素鉈（Tl）絕大部分滯留在預(yù)熱器內(nèi)，少量可隨窯灰?guī)Щ馗G系統(tǒng)，隨廢氣排放的約占0.01%。
污泥中的其他重金屬對(duì)煙氣的達(dá)標(biāo)排放影響較小。
2 污泥水泥窯協(xié)同處置能力分析
2.1 水泥窯規(guī)模及變化
我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出，污泥水泥窯協(xié)同處置宜在2 000 t/d及以上新型干法水泥熟料生產(chǎn)線上進(jìn)行。
我國(guó)2016 年的水泥產(chǎn)量約占全世界產(chǎn)量的60%；據(jù)水泥協(xié)會(huì)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底，全國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線累計(jì)1 715條，設(shè)計(jì)年熟料產(chǎn)能達(dá)18.2億t，實(shí)際年熟料產(chǎn)能超過(guò)20億t。仍在運(yùn)行的2 500 t/d以下的水泥熟料生產(chǎn)線目前比例為18%；2 500～5 000 t/d生產(chǎn)線最多，達(dá)到57%；5 000～10 000 t/d生產(chǎn)線占24%，高于10 000 t/d的生產(chǎn)線小于1%。
《水泥工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出，截至2017年，我國(guó)依托新型干法水泥窯技改建成或正在建設(shè)協(xié)同處置生活垃圾、城市污泥、產(chǎn)業(yè)危險(xiǎn)廢棄物的水泥熟料生產(chǎn)線有100多條；雖然到2020年末我國(guó)將壓減水泥熟料產(chǎn)能20%（4億t），但水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線占比將由2015年的3%提高至15%。
假設(shè)目前全國(guó)10%的水泥窯熟料產(chǎn)能可用于協(xié)同處置污泥，則每年有2億t熟料產(chǎn)能可供利用；按照脫水污泥與熟料產(chǎn)量比例為5%計(jì)算，每年2億t熟料產(chǎn)量可協(xié)同處置脫水污泥1 000萬(wàn)t，約為我國(guó)污泥總產(chǎn)量的1/5。
2.2 協(xié)同處置發(fā)展趨勢(shì)
2.2.1水泥行業(yè)碳減排的需求將促進(jìn)污泥水泥窯協(xié)同處置的應(yīng)用
水泥行業(yè)的碳排放占世界碳排放總量的5%，南京純水設(shè)備預(yù)計(jì)至2050年，世界水泥需求量將保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。采用替代能源可減少化石燃料的消耗，污泥水泥窯協(xié)同處置將有效減少碳排放，促進(jìn)水泥行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。
2.2.2科學(xué)的決策方法將促進(jìn)污泥水泥窯協(xié)同處置的應(yīng)用
在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，污泥水泥窯協(xié)同處置在很多情況下將是多目標(biāo)分析推薦的最優(yōu)方案。Rolf等對(duì)瑞士污泥處置技術(shù)路線進(jìn)行了多目標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)“干化+水泥窯協(xié)同處置”的環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)，成本—效益分析得分最高；Vouk等對(duì)克羅地亞北亞德里亞地區(qū)的多種污泥處置方式進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)污泥水泥窯協(xié)同處置是經(jīng)濟(jì)性最佳的方案，也是經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)最低的方案。
2.2.3磷回收需求將影響污泥水泥窯協(xié)同處置的應(yīng)用
目前部分國(guó)家對(duì)污水中磷回收的重視程度日益增強(qiáng)，由于無(wú)法回收污泥中的磷，污泥水泥窯協(xié)同處置可能因此受到影響。
德國(guó)的研究表明，從污水和污泥中提取的磷理論上可替代其60%的磷進(jìn)口量。因此最新的德國(guó)污泥處置法規(guī)修訂稿提出污泥中磷含量超過(guò)20 g/kg時(shí)不得混合焚燒，應(yīng)在熱處理前通過(guò)化學(xué)沉淀制備鳥(niǎo)糞石，污泥單獨(dú)焚燒產(chǎn)生的爐渣應(yīng)作為肥料或單獨(dú)儲(chǔ)存以便后期回用做肥料。
應(yīng)該說(shuō)明的是，污泥處置方式與成本密切相關(guān)。發(fā)達(dá)國(guó)家用于污泥處置的費(fèi)用較高，但是對(duì)于投資不足以支持諸如磷回收等技術(shù)的大多數(shù)國(guó)家而言，水泥窯協(xié)同處置將是一種安全而且環(huán)境友好的方案。
2.3 協(xié)同處置形式
目前各類(lèi)污泥水泥窯協(xié)同處置項(xiàng)目的脫水污泥處置能力總計(jì)超過(guò)6 000 t/d。部分中小城市的水泥窯協(xié)同處置設(shè)施以污泥窯尾直噴為主，污泥干化設(shè)施多為2010年前后建成并投入運(yùn)營(yíng)，2015年后建成的協(xié)同處置設(shè)施主要接收經(jīng)深度脫水、干化或采用其他方式處理后的污泥，污泥含水率一般為30%～60%，單條生產(chǎn)線接收污泥量100～300 t/d居多。
預(yù)計(jì)新建污泥水泥窯協(xié)同處置設(shè)施將以接收深度脫水和干化污泥為主，南京實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備單條生產(chǎn)線污泥處置規(guī)模一般為300 t/d以下。
3 建議及展望
根據(jù)對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，提出如下建議：
（1）建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園，不同的污染企業(yè)可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)，形成產(chǎn)品-原料鏈條。
（2）建議在嚴(yán)格監(jiān)管的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)污泥的跨境處理，從而充分發(fā)揮水泥窯的處置潛力。
（3）企業(yè)和政府的責(zé)任劃分和付費(fèi)主體應(yīng)進(jìn)一步明確。
（4）建議政府協(xié)調(diào)各污泥處理水泥窯的檢修時(shí)間，避免污泥積壓。
（5）建議政府出臺(tái)污泥水泥窯協(xié)同處置優(yōu)惠政策，如污泥協(xié)同處置電價(jià)補(bǔ)貼。
污泥水泥窯協(xié)同處置具有有機(jī)物分解徹底、二次污染少、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)；此技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)有近20年的研究與實(shí)踐，有多種類(lèi)型的設(shè)施相繼投入使用并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，充分證明其具有較高的可靠性。因此在當(dāng)前污泥填埋、土地利用或其他資源化利用出路不順暢的情況下，污泥水泥窯協(xié)同處置不失為一種較好的選擇。
隨著環(huán)境治理程度的逐步深化、污泥處置管理工作的逐步規(guī)范，污泥水泥窯協(xié)同處置的優(yōu)勢(shì)將更加明顯、應(yīng)用將更加普遍，污泥水泥窯協(xié)同處置將迎來(lái)高速發(fā)展階段。
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