协同处置市政污泥在水泥窑的应用

协同处置市政污泥在水泥窑的应用

吴齐跃

广州市越堡水泥有限公司

摘要：市政污泥是污水厂将城市地区的污水收集处理，出厂达标排放后剩余的残留物。随着我国污水处理设施建设的快速发展，污泥产生量日益增加，我国市政污泥产量已达到4300万吨/年（以含水率80％计），污泥处置所面临的问题越来越严峻。目前，市政污泥处置主要采取堆肥、填埋、焚烧、建材利用等方式，其中水泥窑协同处置是应用较为广泛的技术，主要利用水泥窑高温、碱性等热工制度的优势，采用合适的工艺路线来实现污泥无害化处置。据不完全统计，已经开展水泥窑协同处置污泥业务的水泥企业有华新、金隅冀东和华润等，处置规模不一而足，处置工艺不尽相同。水泥窑协同处置市政污泥的生产经验还在不断总结和提高中，本文主要结合笔者所在公司建设的一条处置规模为600t/d的干化污泥处置生产线的运营情况，对协同处置市政污泥在水泥窑的应用进行论述，详情如下。

关键词：协同处置；市政污泥；水泥窑

引言

目前，随着污泥年产出量的不断增加，传统的污泥填埋处置方式因资源化利用率低、处置费用高等，难以满足市政污泥处置需求。新型干法水泥窑因其容积大且热稳定性好，在协同处置市政污泥时，既可节约用地，又可替代部分水泥生产粘土及铁质原材料，具有经济适用性强、资源综合利用率高和节能减排效果好的优势，是目前常用的污泥处置方式。随着水泥生产线协同处置固体废物经验的不断累积及有关标准规范的不断完善，水泥窑协同处置固体废物将在节能环保、经济效益等方面逐渐显现出优势。

1．水泥窑协同处置市政污泥概述

1.1水泥窑协同处置污泥的优势

（1）有机物分解彻底。水泥窑的煅烧温度高达1450℃，远高于普通焚烧炉的温度，污泥在水泥窑中高温下停留时间长，焚烧充分，污泥中主要有机物的有害成分焚毁率可达99.999％以上，即使很稳定的有机物也能被完全分解，致病菌被彻底杀灭。

（2）不产生飞灰。水泥煅烧过程中污泥的可燃成分会燃尽，主要无机成分CaO、SiO2 、Al2O3 和Fe2O3等可以替代部分钙质、硅质等原料，参与熟料烧结过程，成为熟料的一部分，无飞灰二次污染。

（3）抑制二噁英的生成。普通焚烧炉的温度在800℃左右，在焚烧过程中会产生二噁英，而水泥窑的温度高达1450℃，不满足二噁英的生成温度要求，或者生成后又被分解的条件。

（4）无尾气二次污染。一方面，回转窑系统是负压状态运转，烟气和粉尘不会外溢，从根本上防止了污泥处置过程中的再污染。另一方面，回转窑处置污泥的焚烧过程有吸硫、氯作用，因此能改善和降低污染物综合排放量。

（4）重金属固化作用。在高温条件下，污泥中的重金属与水泥原料发生物理化学反应后被固定在水泥结构中，起到尾气净化和重金属高温固化的双重作用。重金属浸出毒性实验显示，被固定在水泥中的重金属浸出量远低于国家标准，且不会随时间的延长而增加浸出量，因此不会对环境产生影响。

（5）处理规模大。水泥回转窑是一个体积较大旋转的筒体，配备的分解炉炉容足够大，不仅可以接受处理大量的废料，而且可以维持均匀、稳定的焚烧气氛。回转窑处理污泥量可以占到水泥窑产量的5～10%。

1.2污泥来源、分类

污泥是污水处理过程产生的固体沉淀物。一般分为来源于市政污水处理厂等市政公用设施的市政污泥，来自排水系统的管网污泥，来自河湖清淤的河湖淤泥，以及工业生产过程产生的固体与水、油、有机污染物、化学污染物的混合物形成的工业污泥。特别指出，业内所说污泥就是指市政污泥。

城市污水经处理后产生的市政污泥由于含水量较高，需要通过一定的机械方式除去部分所含水分。目前国内污水处理厂包含在污水处理环节的污泥脱水工艺基本采用带式脱水，经带式脱水后污泥的固含量约在20%～25%之间，此种状态下的污泥只保持较好的流动性和可泵送性，稳定性很差，因此不能直接通过填埋的方式处理。此种状态的污泥在水泥窑中进行协同处置一般采用泵送方式直接喂入水泥窑窑尾烟室。

为了满足污泥填埋处理对于固化稳定化的要求，部分污水处理厂对固含量10%左右的污泥采用板框压滤的方式进行深度机械脱水，得到固含量在30%～40%的污泥，通常称之为“泥饼”。这个固含量的“泥饼”因具有较好的稳定性而可以采用卫生填埋方式进行处理。对水泥窑协同处置来说，此类“泥饼”可以通过机械喂料方式送入分解炉进行水泥窑协同处置。

继续利用外部热源对污泥进行深度脱水处理，可以得到固含量更高的污泥，理论上可以是绝干污泥。这个过程称之为污泥的“干化”，干化所需外部热源一般是太阳能、风能、电能或各种工业生产过程的余热。污泥干化后可以改变性状，减轻异味，减少处置量，降低运输成本，适用于多元化的无害化处置。此类干化污泥可以通过破碎机破碎，达到一定粒度要求后，再喂入分解炉进行水泥窑协同处置。与前述两种性状的污泥相比，此类干化污泥因为水份低，粒度细，对窑况干扰小，更有利于水泥窑协同处置。近年来，广州市要求区域范围内的相关污水处理厂通过进行技术改造，将污泥干化至含水率30-40%，为后续水泥窑焚烧和电厂掺烧提供了便利。笔者所在公司协同处置的即是这种类型的污泥。

2．协同处置市政污泥在水泥窑的应用

2.1成功实践案例

目前国内利用水泥窑协同处置市政污泥的水泥厂家主要有：

北京水泥厂处置污泥项目于2009年11月正式运行，项目利用3200t/d水泥熟料生产线处置城市污泥500t/d，每年可处置含水80％的污泥约16万吨。

广州市珠江水泥有限公司利用5000t/d水泥熟料生产线处置干化污泥300t/d（含水率为30%-40%），年处置量11万吨。项目于2017年2月通过环评审批，并开工建设，2017年9月正式投料处置运行，运行参数及排放指标完全符合欧洲标准及国家标准规范的要求，获得广州市政府相关部门的一致好评。

广州市越堡水泥有限公司利用6000t/d水泥熟料生产线处置干化污泥300t/d（含水率为30%-40%），项目于2018年5月投入运行，实现了污泥一站式的彻底处置利用，资源化程度高，具有很好的环保效益与社会效益。为满足广州市寻求增加干化污泥处置量的需求，越堡水泥对污泥处置系统进行了升级改造，立项建设了全新的污泥处置清洁化生产项目，提高干化污泥处置量至600t/d。项目于2020年12月开工建设，2021年11月正式投料处置运行，年处置能力达到18.6万吨，为目前国内协同处置市政污泥量最大的水泥生产线之一。

2.2水泥窑协同处置干化污泥生产工艺简介

目前，水泥窑协同处置污泥技术大部分为污泥直接投入分解炉进行焚烧处置。以下笔者以越堡水泥600t/d干化污泥处置清洁化生产项目为例，对干化污泥处置工艺，以及处置干化污泥对窑况的影响进行简单介绍和分析。

2.2.1污泥处置工艺简述

越堡项目将经过预处理的污泥分别投加至分解炉和预燃室，使污泥达到充分燃烧，减少处置污泥对窑系统稳定性的影响。具体的工艺流程如图1所示。

图1污泥处置工艺流程图

污泥用封闭式污泥罐车运送到污泥处置车间卸料平台，污泥车倒车入位，当窑正常运行时，直接将污泥卸至污泥卸料仓；当停窑检修时，污泥卸至污泥卸料坑，由行车抓斗运至污泥储库，待窑恢复运行后，用行车抓斗运至污泥行车料仓进行处理。污泥通过料仓，经过板喂机后到管状胶带输送机，然后运输至中转站，中转站设有污泥缓存仓，随后经过板喂机后，由管状胶带输送机运送到提升机，由提升机运窑尾，经过链式破碎机破碎后至污泥小仓，经定量给料机计量后通过拉链机喂入预燃室和分解炉主炉进行焚烧处置，大部分有毒有机物达到彻底分解，少量的较大颗粒的烧结渣则由窑尾上升烟道中落下进入回转窑内，再经过回转窑系统煅烧成水泥熟料，彻底实现污泥的无害化处置。

2.2.2系统气体处置

卸车大厅设电动门，同时设有抽负压装置，保持整个卸车大厅的微负压状态，防止臭气外泄。卸料、存储、破碎及输送过程中的臭气经收集后，先进行除尘处理，然后作为篦冷机的冷却风进入窑内进行焚烧处置；当停窑时，臭气去往备用除臭系统进行除臭处理。

在污泥卸车点、中转站、喂料点等部位都配置了布袋除尘器，需要引起重视的是，由于破碎后的污泥中所含水份部分被释放，很容易导致喂料点的收尘器滤袋“糊袋”，降低通风效率，缩短滤袋使用时间，为保证收尘效果，需要加密滤袋检查频次，视情况对滤袋积料进行清理，或者缩短更换新滤袋的周期。

2.2.3污泥喂料点选择与喂料比例

污泥喂料点的选择较为关键，一般应遵循如下原则：

a.煤粉燃烧起燃时不宜过早和过多的与污泥接触，应保证污泥喂入与煤粉预燃烧保持一定的距离，避免污泥在分解炉内无氧状态下与物料进行接触。

b.投加位置应考虑污泥在分解炉塌料的影响，防止污泥颗粒过大或分散不均导致物料直接入窑。投加位置要尽量设置在分解炉风速较高位置或者悬浮较好的部位。

c.考虑分解炉的浓相区和稀相区位置。污泥应直接喂入分解炉的稀相区，尽量防止喂入浓相区，以免影响煤粉燃烧和物料悬浮效果。

d.投加位置要避开生料入分解炉位置一定距离。因为生料碳酸盐分解会大量吸热，污泥与生料入炉位置不合理时将会影响废弃物的燃烧。

e.污泥最好加入到预燃室，以保证污泥在分解炉内具有更长停留时间和预热，减少主炉内对物料悬浮和煤粉燃烧的影响。

f.污泥不宜直接喂入窑尾烟室，也避免挨烟室太近，确保污泥不会大批量从窑尾烟室入窑。同时尽量避开缩口上部锥体部位，防止物料结皮影响喷腾效果。

g．尽可能利用分解炉的旋流炉内缩口的喷腾复合效应，加强可燃污泥在分解炉内的快速起燃和燃烬。开口位置考虑三次风入口方向、方式、数量。

根据越堡分解炉具有带预燃室，主炉管道长，炉容大，物料停留时间长的特点，在预燃室设置了2个喂料点，分解炉主炉上设置了4个喂料点，详见图2示。经过一段时间的摸索，我们找到了各喂料点的最佳投加比例：①、②各占35%，③、④、⑤、⑥各占7.5%。

图2 污泥喂料点分布示意图

2.3水泥窑协同处置干化污泥运行情况分析

2.3.1污泥处置对窑况的影响

表1 污泥处置量变化对窑况的影响

由上表统计结果可以看出：

（1）随污泥处置量增加，熟料平均日产呈现逐步降低趋势。其中2019～2021年，污泥平均日处置量在279～289t/d，与2018年未处置干污泥时相比，熟料平均日产降低了306～357t/d。2022年1～10月，污泥平均日处置量为487t/d，与2018年未处置干污泥时相比，熟料平均日产降低了478t/d。两相比较，相当于每处置1吨污泥导致熟料减产约1～1.2吨。熟料减产程度受污泥喂入量、来源、成分、粒径等因素影响较大，按污泥水分40%考虑，理论计算表明每吨水导致熟料减产2吨，相当于每吨污泥导致熟料减产0.8吨，实际减产值较理论值略高，主要原因很可能是污泥不完全燃烧所致。

（2）污泥中的热值对系统煤耗有正的影响。其中2019～2021年，污泥平均日处置量在279～289t/d，与2018年未处置干污泥时相比，熟料标准煤耗下降了1.65～2.72kg/t。2022年1～10月，污泥平均日处置量为487t/d，与2018年未处置干污泥时相比，熟料标准煤耗下降了6.9kg/t；与2019～2021年三年平均值相比，熟料标准煤耗下降了4.72 kg/t。统计数据表明协同处置干污泥可以不同程度的降低熟料标准煤耗，当污泥处置量比较低时，对煤耗的影响相对较小，但当处置量加大到一定程度时，降煤耗的效果将得到明显体现。在实际生产中，我们发现相同生料投料量，喂入污泥20t/h与停喂污泥相比，分解炉喂煤量将减少2.5～3t/h，处置污泥的节煤效果非常明显。需要指出的是，与煤粉相比，污泥存在着火快，但燃烬时间长的特点，污泥粒度越粗，污泥水份越高，燃烬时间越长，不完全燃烧的现象越严重。因此，加强破碎机的维护，及时更换磨损的链条，控制好污泥细度，加强污泥源头水份控制，有利于降低煤耗，反之则容易出现C1出口CO含量高，分解炉温度倒挂，污泥大颗粒从烟室直接掉入窑内等不良情况，导致出现窑减产幅度加大，煤耗降低幅度减少等结果。

（3）污泥加入分解炉具有一定的脱硝效果。2019年前越堡公司窑尾氮氧化物排放浓度按照250mg/Nm3控制，与2018年未处置干污泥时的脱硝氨水消耗量相比，2018年5～12月降低了0.28kg/t，2019年降低了0.63 kg/t。随着环保控制标准的提高，2020年窑尾氮氧化物排放浓度按照200mg/Nm3控制，2021年1月起窑尾氮氧化物排放浓度按照100mg/Nm3控制，脱硝氨水用量也逐步增加，但以相同排放浓度标准的2021年与2022年相比，后者的脱硝氨水用量减少了0.51kg/t，体现了污泥喂入量加大后，脱硝效率有所提高。污泥的加入因为本身含有氨类物质，并且加入炉内燃烧较慢，产生还原气氛，导致吨熟料氨水耗用量随污泥处置量的增加呈明显下降趋势。

2.4对熟料质量的影响

表2 处置干污泥前后熟料质量对比情况

上表生产数据表明，随着污泥处置量的增加，熟料标准稠度，初凝和终凝时间，3d和28d抗压强度的变化幅度不大。污泥的处置，在合理控制塌料的前提下，对水泥窑内煅烧影响较小，且污泥中存在的微量元素及部分火山灰活性组分，在熟料煅烧过程中甚至有轻微的矿化作用，因此协同处置污泥，对水泥熟料的性能无明显的影响。项目统计数据也说明了处置污泥期间与不处置期间的熟料质量变化不大。

结语

利用水泥窑协同处置市政污泥，处置工艺满足相关标准规范要求，熟料减产幅度在可接受范围，可以利用污泥的热值降低煤耗，利用污泥的氨基成分及其燃烧产生的还原气氛降低脱硝氨水用量，对熟料的化学成分和产品质量无不利影响，污泥中的重金属被固化在水泥熟料中，窑尾烟气特征污染物排放量及颗粒物几乎没有增加，使污泥的处理达到了稳定化、减量化、无害化和资源化的目的，为解决长期困扰的污泥处理问题，寻求到了一种有效利用的途径。与其它处置途径相比，水泥窑协同处置市政污泥更为经济环保，是一种值得推广的污泥处置方式。相信经过不断摸索、总结和提高，水泥窑协同处置技术还会持续取得新的更大的进步。

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