水泥窑协同处置污泥技术发展现状
水泥窑协同处置污泥技术发展现状
程运、李伟明、王昕晔2
(1.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥230051;
2.南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京210023 )
摘要：近年来，城市污泥带来的污染问题日益严重，水泥窑协同处置污泥技术作为一种兼具资源化与无害化的洁净技术脱颖而出。本文首先通过介绍水泥窑协同处置污泥技术可以使污泥减量化、无害化、稳定化、资源化的技术优势，阐述了其工业实施的可行性。然后结合国内水泥窑协同处置污泥技术应用现状阐述了水泥窑协同处置污泥技术发展现状：目前国内主要采用将污泥投入水泥窑分解炉或烟室的技术路线。分析认为：应该进行水泥窑协同处置污泥系统适应性与稳定性研究及预热预分解装备研发，从而降低协同处置对水泥生产线的影响，提高水泥窑协同处置能力。最后对水泥窑协同处置污泥技术进行展望。
关键词：污泥；水泥窑；协同处置；应用现状
中图分类号：TQ172.9 文献标识码：B文章编号：1671—8321 (2021) 06—0087—05
0引言
中国经济快速发展与人民生活水平的逐步提高，生活 污水处理量逐渐增加，生活污泥产生量也随之增加。住房 与城乡建设部公布的信息显示，截至2019年末，我[_城市、县城、乡镇及镇乡级特殊区域污水处理厂共计6189座（污水 处理量约为6.3 x1(V%3)，产生含水率为80%的污泥约6300 余万t(按污水量的0.1%计)"•2|。此外，造纸、冶金、石油、电镀、钢铁等行业也会产生大量工业污泥=由此产生了两个矛 盾，即污泥产生量大与污泥处理处置能力不足的矛盾，以及 社会对环保的重视与对工业生产需要的矛盾。在此背景下，污泥的无害化处理处置受到愈来愈多的关注=
目前，我国污泥处理处置方法主要有填埋、堆肥、干化后焚烧等，其中焚烧法因为可以快速实现污泥无害化、减量化和回收热能的优点得到了广泛的应用。而水泥窑 协同处置污泥是污泥焚烧的一种特殊方式，指将满足或 经过预处理后满足人窑要求的污泥投人水泥窑，在进行 水泥熟料生产的同时实现污泥无害化处置=相较于传统 的焚烧技术，水泥窑协同处置技术不仅利用了污泥中有 机组分燃烧产生的热量作为部分热源，而且利用了污泥 中无机组分作为水泥原料之一，从而实现了污泥中有机 组分与无机组分的资源化利用。
本文首先通过介绍污泥与水泥的组分关联，阐述水泥窑协同处置污泥的优势；接着对比介绍几种水泥窑协同处 置污泥技术的方案，以及国内水泥窑协同处置污泥技术应 用现状；最后对水泥窑协同处置污泥技术面临的问题提出 相关建议并对未来的发展进行展望。
1水泥窑协同处置污泥的技术优势
1.1污泥的资源化与能源化
污泥的无机组分特征决定了水泥窑可用于协同处置 污泥。典型的生活污泥灰分、污泥焚烧飞灰、水泥生料和 熟料以及水泥的组分如表1所示c
污泥与水泥的化学组分|2_61
类别C aO S i02Fe203A l2〇3M gO S〇3其他
污泥灰分
17.7118.9611.12  5.27  6.36  3.4437.14
世界上最贵的轿车22.9916.8317.56  5.06  1.01  3.2033.35
污泥焚烧飞灰
24-2526-376〜72〜3220 〜37
21.820.320.0  6.8  3.20.527.4
水泥生料
42.0714.32  2.06-  2.580.2638.71
43.4714.59  2.200.880.1838.68
水泥熟料
65.6821.39  3.21  4.45  1.66-  3.61
65.6621.41  3.21  4.41  2.42-  2.89
水泥
6520-63-6
63.8022.20  3.20  5.10  1.40  2.00  2.3注：表示文献中缺少该项数据
罐头的做法2021.6 CHINA CEMENT \87
环境工程Environmental Engineering
污泥灰分和污泥焚烧飞灰的主要组分别为CaO、Si02、Fe20,、A1203、M gO等，与水泥生料的组分相似，所以 污泥焚烧后的灰可部分替代水泥生料。
不同来源的污泥成分大致相同，但是热值差异明显，我国部分地区污泥的工业分析和元素分析如表2所示。
我国部分地区污泥的工业分析和元素分析
污泥来源
工业分析/%元素分析/%
热值/(w/k g) A<\f c a C H〇N S
广西【7156.4634.640.7120.65  3.5520.14  4.63  1.047423.34重庆18151.3447.34  1.3225.85  3.7618.01  3.68  1.8310400.40
嘉兴19149.7346.33  3.9416.94  3.6423.00—
1.07  1.666719.00
温州19140.1956.800.4928.98  4.2721.67  1.950.4211379.00
由表2可知，污泥中灰分占比最高，其次是挥发分，固定碳含量极少。一般而言，挥发分含量越高，
其热值也越高。研究表明我国城市污泥热值范围为
5 844kj•kg-LW ilUJ.kg—1，均值为 11850kJ•kg—1。从能量
平衡角度考虑，含水率为80%的污泥焚烧时，要求其热值614680kJ.kg—1；含水率低于30%的污泥焚烧时，要求其热 值為llOOOkJ•kg—^1，所以含水率低（<30%)且热值较高(&11O O O k J•kgM)的污泥可充分利用其可燃成分燃烧产 生的热量，而燃烧产生的灰分及灰渣可作为生料配料，经 过回转窑烧成熟料；灰分高，热值低的污泥可与煤或垃圾 等燃料掺混作掺烧材料，依托水泥窑装置设置炉排炉实 现污泥与垃圾的混合处理。
1.2有害物质的无害化与稳定化
污泥含有细菌微生物、有机物和重金属等污染物。
水泥窑内烧成带温度通常约1 500T，分解炉温度约9〇〇scln_可以将污泥中的有机物全部碳化病原体杀灭。而水泥生料在高温下可以与重金属发生反应，将其固 定在熟料基质内而不易浸出。
重金属在水泥窑内的转化迁移路径如图1所示。
图1污泥中的重金属在水泥窑内的转化迁移机制
挥发性重金属一部分被生料或除尘器捕集重新进人 回转窑并最终迁移至熟料内；另一部分随烟气排人大气。研究表明协同处置含水率30%的干化污泥过程中，随烟气
88 /中国水泥2021.6排出的As+TI+Cd+Pli浓度为1.3x l(T2mg/m3，远小于规范 要求的1.0mg/m3。即便污泥掺混比例增加至30%，烟气 中Hg的排放浓度仅为4.5 x l()_3mg/m3113’141，小于规范要 求的 0.05mg/m3o
而对于迁移至熟料内的挥发性重金属以及难挥发重 金属，水泥窑利用高温碱性及其稳定的氧化环境使他们固 化在熟料的矿物相晶格中，在化学键的作用下，重金属离 子很难从晶格中释放出来，在晶体中稳定存在。研究表明 当污泥灰掺量在0~1.55%时，Co、Cr、Cu、Sr、V、Zn等重金 属的固化率较高，均可达到80%以上。熟料内重金属的含 量及其浸出量均低于GB/T30760-2014《水泥窑协同处置 固体废物技术规范》规定标准。熟料中重金属的含量及熟 料中重金属的浸出量如表3所示|15]。
表3熟料中的重金属含置及其浸出11i m g/k g 重金属As Cd Cr Ni Ph Zn Mn
重金属含量7.83  1.2390.9416.9212.36360.3160.35
重金属
浸出量
0.420.00  5.210.090.000.910.33
重金属
梦见黑蛇含量限值
40.00  1.50150.00100.00100.00500.00600.00
综上所述，水泥窑协同处置技术可实现重金属在熟料 中惰性化、稳定化处理，最大限度地减少污染^1。众多的 研究与生产实际表明，污泥的适量掺入对水泥熟料及水泥 质量没有影响，而且生产的水泥在颗粒度、相对密度、稳固 性、强度与硅酸盐水泥基本相似因此，水泥窑协同 处置污泥技术作为-•种将污泥高度资源化的清洁技术被 广泛应用。
2水泥窑协同处置污泥技术路线及应用现状依据污泥投入水泥窑的位置，
水泥窑协同处置污泥丁
进入分解炉
图5污泥进入分解炉的工艺流程图
利用水泥生产过程中的废热烟气作为热源，通过烘
干系统将热量传递给污泥，将污泥的含水率降低至30% 以下，干化后呈细粉状的污泥经输送机送入分解炉焚烧， 焚烧灰渣随物料一起进入窑内高温煅烧生成水泥熟料。 广州市越堡水泥有限公司利用新型干法水泥熟料生产线 (6000t /d )，日处置300t 含水率约30%的生活污泥，已投人 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|231。葛洲坝当阳水泥有限 公司利用此工艺日处置120丨污泥，项目依托一条4 500t /d 新
型干法水泥生产线和一条4 OOOt /tl 新型干法水泥生产线， 协同处置当阳市及周边地区城市污泥[24]。株洲市市政污泥 日处置污泥3001，包括含水率50%的干污泥250t 和80%的 湿污泥50t ，基本能满足株洲市未来10年内污水处理厂
艺可分为四类：分别是将污泥投入生料磨、预热器、分解 炉和窑尾烟室，如图2所示。这四种水泥窑协同处置工艺均 在生产实际中得到了应用，但是随着生产的运行及环保意 识的加强，污泥投入分解
炉/窑尾烟室的工艺逐渐成为主流 的协同处置方案。
加料位置1：立磨
加料位置2：预热器
♦聲入
丨
二
立磨系统_加料位置3：分解炉 加料位置4：烟室
篦冷机 回转窑
图2
水泥窑协同处置污泥工艺加料示意图
2.1污泥作为原料投入生料磨
污泥作为原料进入生料磨的工艺流程如图3所示。 将满足规范要求的污泥加入一定的生石灰，使污泥中的
S i 02+A l 20,+F e 20,+C a 0
含量达到或接近80%，然后将其按
照一定的比例和其它生料配料如石灰石、砂岩和铁粉一 起送入生料磨中进行烘干、粉磨后成为水泥生料，再经过 水泥窑高温煅烧成为水泥熟料。杭州某水泥公司采用此 工艺在熟料生产线（5 000t /d )日处置300t 污泥（含水率约 80%〜85%)'该技术操作简单，同时资源化利用了污泥中 的无机组分，缺点是：（1)筛选满足进人生料磨的污泥难 度大，成本高；（2)由于水泥厂内不密闭，恶臭气味危害环 境与人体健康；（3)污泥中的细菌、病原体等有害物质会污 染生料磨系统，带来二次污染。近年来随着环保意识的进 一步加强，此种工艺方案逐渐被淘汰。
满足规范
加入其他要求的污泥
生料配料
进入丄
进入水k 窑系统
图3污泥进入生料磨的工艺流程图
2.2污泥作为原料投入预热器
污泥作为原料进人预热器的工艺流程如图4所示。将 满足规范要求的污泥，按照一定的比例计量后与其它原料
要求的污泥
混合、供干，然后进人预热器，最后在水泥窑内高温锻烧形 成熟料。此工艺方案投资少，方法简单。污泥经过预热器 供干后，热值提高，可燃成分能充分燃烧，灰分人窑形成熟 料，节约资源。但是相关研究表明，200^450丈是二嗎英 的生成温度区间，而预热器内温度为31〇丈~5501，满足 二噁英的前驱物反应和合成的条件|21’22]。所以，从预热器 进料存在二噁英排放超标的风险。
§
水泥窑系统
图4污泥进入预热器的工艺流程图
2.3污泥投入分解炉
干燥后的污泥可以从水泥窑分解炉处进料，工艺流程 如图5所示。
加入其他
生料配料
烘干系统丁
■
■进入
满足规范
|
2021.6 CHINA CEMENT \
89
Environmental Engineering
的污泥处置需求[251。应用实践证明，该工艺优势是： 干化污泥给料点处在高于850丈的分解炉，分解炉内热 容大且温度稳定，有效地抑制了二噁英前躯物的形成 U3]。越堡水泥有限公司处置污泥过程中二噁英的排放量 为0.026n g T E Q /N m 3，小于O .l n g T E Q /N m 3的国家标准丨23】。 但是由
如何调整照片大小于含水率低于30%污泥已成散状物料，呈细粉状的 污泥经输送机送人分解炉焚烧时极易造成扬尘污染，并且 将污泥干化至含水率30%以下投资高，难度大，所以此工 艺方案仍需要进一步改进。
2.4污泥投入窑尾烟室
含水率为30%~80%的污泥可从窑尾烟室处进料，污 泥通过给料装置进人窖尾烟室后，与其他生料配料混合， 最后在回转窑内高温煅烧生成水泥熟料。工艺流程如图6 所示。重庆富皇水泥有限公司利用4000t /d 的水泥生产线日 处置约50t 污泥（含水率约80%)[26]。
图6污泥进入烟室的工艺流程图
该工艺的优点在于：（1)含水率70%~80%的污泥可直 接进人窗尾烟室焚烧；（2)容尾烟室温度高，热容大，污泥 焚烧产生的二噁英低于规定值；缺点是：（1)需设置喷 等强制给料设备，且烟室内温度下降宜控制在100S C 以内， 否则造成局部堵塞结皮。（2)为了不增加窑的负荷，污泥 投加量不能过多，限制了此类工艺的推广使用。
上述几种水泥窑协同处置技术方案的对比如表4所 示，可见污泥投人分解炉/窑尾烟室的工艺方案相对其他 工艺方案可行性高，但是面临的一些技术问题需要展开 进一步研究。
3
水泥窑协同处置污泥技术面临的挑战及建议
3.1水泥窑协同处置污泥技术面临的挑战目前我国利用水泥窑熟料生产线建成的污泥协同处 置线约45条，处置能力325万t 。但是随着污泥处理量的增 加，尤其是湿污泥携带人窑的水量较多，对水泥生产线造 成了减产的影响。研究表明窑内水量每增加It ，相应的熟 料减产2t 。另外污泥进料方式及位置对水泥窑系统的稳定 性也存在一定的影响。
美国圣诞节放几天假(1) 污泥中的含水率及有害元素对预热预分解系统
稳定性的影响
1)
潘洞等[27)计算5 O O O t /d 水泥熟料生产线日处置620t
污泥过程中，因增加污泥喂料系统和污泥带入的水分导致 窑尾废气处理系统风量增加15%~20%，对熟料生产能力 有较明显的影响；山铝、湖州等部分水泥厂协同处置含水 率大于50%的污泥时，窑尾预热器温度上升5X ^201，系 统总热耗增加。
2)
污泥中的F ' Cl _等齒化物和R 20等挥发性组分，会
在预热预分解系统挥发凝聚循环，形成富集，导致预热器 结皮堵塞，降低保温效果，导致生产不稳定。如山东某水 泥厂2017年接收污泥的氯离子含量达0.4%，造成预热器及 下料管堵塞，降低了水泥窑和水泥磨的运转率。
(2) 污泥进料方式及位置对水泥窑系统的影响1)
含水率低于30%污泥已成散状物料，呈细粉状的
2023年高速公路免费时间表
污泥经输送机送人分解炉焚烧时极易造成扬尘污染；另
一方面将污泥含水率降低为30%以下，难度较大，投资成 本高。
2)
含水率为30%~80%的污泥从窑尾烟室处进料，但
是需设置喷等强制给料设备，否则造成局部堵塞结皮， 另外烟室内温度下降宜控制在1001以内。随着污泥处置 量的增加，导致携带进人窑内的水量大大增加，增加了窑 的负荷，影响了水泥窑熟料生产线的稳定运行。
3.2解决方案及建议
针对上述问题结合工程实践，为了增加污泥处置量， 降低减产以及对水泥窑稳定性的影响，建议如下：
表4
水泥窑协同处置污泥技术方案对比
工艺方案投入立磨
投人预热器投入分解炉投入窑尾烟室工艺流程污泥筛选难度大，要求高
流程简单流程简单流程简单
对水泥线的影响
较小较小较小
增加窑负荷，造成减产
投资预筛选成本高较低
污泥脱水至30%下成本高
较低环保安全指标
有二次污染风险
有二噁英排放超标风险
有扬尘污染风险
安全环保
90 /中国水泥
2021.6
(1) 进行污泥含水率及有害元素对预热预分解系统
稳定性研究；
(2) 进行进料方式及位置对系统稳定性的影响研
究：
1) 适合不同性质污泥人料方式的研究（颗粒、块状等）；
2) 适合不同性质污泥投入位置的研究（如分解炉、烟 室等）；
通过研究确定污泥人窑含水率的最佳限值，污泥的 最佳投人量，以及最优的进料方式，以此优化协同处置 系统。
4技术展望
(1)
进行预热预分解系统适应性研究及预分解装备 研发，适应来源更广、成分更复杂，毒害物质含量更高的工 业污泥；建立适应性强、处理量大、运行稳定的水泥窑协 同处置系统，为水泥窑协同处置固体废物、危险废物提供 借鉴。
(2) 将干化系统与水泥窑协同处置系统二者有机结 合，具有良好的环境指标和经济指标。
(3)
依托水泥窑装置设置炉排炉/气化炉可实现对垃
圾和污泥混合处理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 渗滤液和派泥的清理工作。另外污泥与垃圾的干化及前期 的分类工作同样需要进一步的研究才能广泛推广。
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