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    来源:给水排水

    作者:杭世珺

    本文分析了污泥水泥窑协同处置的国内外应用现状,统计了我国部分相关项目的主要工艺条件和处理规模,归纳总结了污泥水泥窑协同处置技术的特点和优势。通过现场调研和分析,提出了我国污泥水泥窑协同处置的6种工艺路线,并通过工程实例对各类工艺路线加以说明。

    0 概述

    随着我国市政污水处理行业的蓬勃发展,水污染治理成效显著,污水处理厂污泥产量逐年增加,我国城市和县城污水处理设施2016年脱水污泥(80%含水率,下同)产量达4 760万t,由于我国长期以来“重水轻泥”,相关设施建设没有同步跟上,污泥处理处置问题未能得到有效解决,形势十分严峻。目前我国污泥处置主要以填埋为主,其污泥消纳能力、环保指标、资源化利用等方面均不能满足要求。污泥水泥窑协同处置技术具有焚烧温度高、处置彻底、灰渣直接利用、无二次污染,一站式无害化处理的特点,是污泥无害化处置的方法之一,国内外均有成熟的应用案例。本文在前期的调研和研究的基础上,总结了该技术的国内外研究和应用现状,对该技术的应用边界条件、主要技术参数作了详细的分析,提出了该技术未来的应用前景,为污泥水泥窑协同处置提供技术支撑。

    1 国内外污泥水泥窑协同处置的应用现状

    在欧美国家,污泥水泥窑协同处置起步较早,形成了完整的法律政策体系并得到了较广泛应用。近年来,日本、瑞士、德国的污泥在水泥窑协同处置的比例分别为28.7%(2015年)、19%(2003年)和14.6%(2010年)。美国有近200 座污水处理厂采用焚烧方式处理污泥,占全国污泥处理总量的20%,其中6%的污泥采用协同焚烧方式处置。

    我国是水泥生产大国,污泥水泥窑协同处置项目逐年增加,已经成为我国污泥热化学处理处置的手段之一。目前我国已建成污泥协同处置设施的水泥熟料生产线30~40条,其中部分项目的基本情况如表1所示。

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    2 污泥水泥窑协同处置技术的特点和优势

    利用水泥回转窑焚烧污泥,减少了残渣、大气污染物、重金属等无序排放造成的环境污染。水泥生产过程中,高温煅烧可分解污泥中的有机物、水泥熟料矿物的水化过程可固化重金属,实现污泥的无害化;污泥中的灰分可作为熟料生产的原料,实现污泥的资源化,体现了循环经济“减量化、再利用、再循环”的原则,符合循环经济发展模式。

    2.1 有机物分解彻底

    水泥回转窑内高温、充足的停留时间和悬浮状态可以保证污泥中的有机物彻底分解。硅酸盐水泥熟料的生产原料主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分,各种原料磨成细粉后,按照适当比例混合并在水泥回转窑内烧至部分熔融,得到以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。水泥熟料生产中,为保证CaCO3分解为CaO,分解炉的气流温度控制在850~1 100 ℃;在回转窑内,硅酸三钙(C3S)在出现液相以后才能形成,回转窑内物料烧成温度1 450~1 550 ℃,炉内最高的气流温度可达1 700~1 800 ℃;物料从窑尾到窑头总的停留时间在40 min左右;气体在高于950 ℃以上温度的停留时间在8 s以上,高于1 300 ℃以上停留时间大于3 s;且窑内物料呈高湍流化状态,二噁英等稳定有机物等也能被完全分解。水泥回转窑是一个热惯性很大,十分稳定的燃烧设备,不会因污泥投入量和性质的变化,造成大的温度波动,系统易于稳定。

    2.2 二次污染少

    水泥熟料生产采用的原料成分决定了水泥回转窑内的碱性气氛,它可以有效地抑制酸性物质的排放,使得SO2和Cl-等化学成分化转化为盐类化合物并得以固定;水泥回转窑可将污泥中的绝大部分重金属离子固化在熟料中,可有效避免其释放和扩散;污泥所含各类物质经水泥回转窑处理后只存在于熟料和烟气中,熟料和烟气在达到相应标准后进行使用和排放,与污泥单独焚烧相比,在水泥窑特定工况下,烟气和飞灰的二次污染风险低得多。

    2.3 环境与经济效益显著

    利用水泥回转窑来处置污泥,虽然需要在工艺设备和给料设施方面进行必要的改造,并需新建污泥贮存和预处理设施,但与新建专用污泥焚烧厂相比,不需新建焚烧炉,投资显著降低;对于设有水泥熟料生产设施的地区,在尚不具备建设永久性污泥处理设施的情况下,采用该工艺有利于污泥就地消纳,简化了工艺环节;通过污泥处置与资源能源回收利用的良好结合,实现了污染物排放总量的本质性降低,符合循环经济的发展要求。

    3 污泥水泥窑协同处置的工艺路线

    污泥水泥窑协同处置,应以满足如下条件:

    (1)水泥窑系统能够维持稳定运行;

    (2)水泥熟料生产和污染物排放均符合相关标准;

    (3)具有一定的经济效益。

    污泥预处理工艺和水泥窑投加点是工艺路线中的两个关键要素,据此分类,我国污泥水泥窑协同处置的主要工艺路线可分为以下几种:

    (1)污泥脱水——窑尾烟室投加;

    (2)污泥深度脱水——分解炉投加;

    (3)污泥直接/间接干化——分解炉投加;

    (4)污泥脱水——气化炉投加;

    (5)污泥脱水——增湿塔喷雾干燥——分解炉投加;

    (6)污泥/污泥焚烧灰渣——原料投加。

    以下简要介绍各个工艺路线的代表性案例,其中大部分案例经过现场调研。


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