污泥水泥窑协同处置现状与展望 (下)

目前我国大部分项目的污泥处置量为100～600 t/d, 进厂污泥含水率30%～80%, 灰分40%～60%。污泥加入后对生料组分影响较小, 但是当一些微量元素过量时对水泥窑的生产设备和熟料性质有负面影响。当原料中氯元素含量较多时, 易在窑尾、风管和排风机等处生成低温共熔物而结皮并堵塞通道;硫、氯、熔融组分能侵蚀耐火砖, 降低保温效果, 导致生产不稳定^[1]。

广州越堡的经验表明, 分解炉在处理城市污泥后, 生料分解的有效空间减少3%～5%, 分解炉内生料分解区间的热负荷增加6%～10%, 从稳定分解炉操作状态的角度考虑, 需适当降低水泥窑系统的产量以保证水泥熟料的质量及污泥的彻底焚烧^[2];重庆拉法基南山工厂发现, 焚烧污泥时窑尾10 m内会结皮, 当停烧污泥时结皮现象消失, 通过增加预热器通风可缓解结皮现象;北京水泥厂投加污泥导致分解炉出口烟气温度有所上升, 而且污泥在炉内燃烧导致原有的温度曲线发生变化, 窑内物料的液态过早出现, 导致出现结皮等现象;山东某水泥厂2017年接收污泥的氯离子含量达0.4%, 易造成预热器及下料管堵塞, 降低水泥窑和水泥磨的运转率;华新水泥 (黄石) 项目的经验也表明, 协同处置会令水泥熟料减产, 当入窑水量为1 t时会导致熟料减产2 t, 单窑熟料产量可由5 500 t/d下降至5 200 t/d。

当污泥投加比例适度时, 引入的微量元素在熟料烧结过程中起到了矿化和助熔的作用, 改善了水泥生料的易烧性。一般情况下, 污泥掺入量在1%～5%, 可降低熟料中游离钙 (f-CaO) 的含量^[3,4,5,6]。当污泥投加比例适度时, 可提高水泥强度;当投加比例超过2%～2.5%时, 水泥的早期强度将有所下降, 原因可能是:污泥中SiO₂在生料中的比例过高导致C₂S (2CaO·SiO₂) 反应转化为C₃S (3CaO·SiO₂) 的比例下降, 导致水泥强度发展缓慢、早期强度低;污泥中碱的过量存在能够破坏熟料矿物的形成, 使得水化过快, 凝结时间变短, 对熟料强度产生不利影响;污泥中过量的磷会促使C₃S分解为CaO和α-C₂S^{[3,5,6,7,8,9,10,11,12]}。

在广州越堡项目中, 2009年熟料3 d平均强度为33.2 MPa、28 d平均强度为60.8 MPa, 处置污泥后没有影响水泥熟料质量^[13];万安华新项目中, 熟料强度下降不明显, 仍处于正常波动范围之内 (变动范围<3%) ^[14]。

水泥窑是敏感的热工系统, 热流、气流及物料流的变化会打破系统本身的平衡^[15]。潘泂等^[16]以5 000 t/d规模水泥窑处理620 t/d污泥测算, 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%。孔祥娟等^[17]也提出, 未完全干化污泥中的水分在水泥窑协同处置过程中蒸发时体积会大幅膨胀, 给窑尾排风机带来负面影响。

广州越堡项目中, 处理城市污泥后系统的总通风量增加幅度为5%～10%;处理城市污泥导致进入高温风机的烟气温度增加5～10 ℃, 工况风量随着烟气量和烟气温度的增加而增大, 对熟料生产能力有较明显的影响^[2];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5～20 ℃, 窑尾高温风机风量增加。

掺烧污泥时, 污泥所含水分蒸发产生的烟气量与为保证分解炉内足够热力强度而补充用煤增加的窑尾烟气量相叠加, 导致预热器风速增加, 系统阻力增大, 预热器换热效率下降, 进而导致窑系统的热平衡及物料平衡的关系产生变化, 导致高温风机风量上升, 窑尾预热器的排气温度升高, 系统的总热耗增加。高长明^[18]通过分析北京金隅和广州越堡的数据认为, 污泥水泥窑协同处置系统中, 水分的进入导致单位熟料热耗增加3%～4%、电耗增加8%～12%;饶珊珊等^[19]发现污泥在窑尾烟室投加时, 喂煤量保持不变的情况下, 熟料的产量下降10%左右, 折合燃煤量为310.1 kg/t湿污泥;湖州南方水泥有限公司利用5 000 t/d水泥熟料生产线协同处置200 t含水率80%污泥 (单条生产线) , 统计燃煤量约150 kg/t湿污泥^[20,21]。

经深度脱水或干化处理后, 污泥可为水泥窑提供一定热量。广州越堡项目发现, 随着污泥含水率的波动, 其对窑尾总热量的贡献率在1%～10%变化, 2009年进厂污泥平均热值 (干基低位热值) 13.79 MJ/kg (1 MJ/kg=239.14 Kcal/kg) , 污泥干化过程中, 热值随着有机物的减少而损失, 实测每吨污泥 (折合为80%含水率) 可节省原煤170 kg^[22];华新水泥 (黄石) 项目中, 当入窑污泥含水率为50%时 (热值650 Kcal/kg) , 窑内热值平衡;当含水率为80%时, 每吨污泥需补煤120 kg (5 000 Kcal/kg) ;根据万安华新项目的经验, 污泥干基热值为800～1 000 Kcal/kg且污泥含水率小于30%～40%时会节煤。

在各类重金属中, 高挥发性元素汞 (Hg) 主要凝结在窑灰上或随烟气带走形成外循环和排放。有研究建议, 污泥在水泥行业使用时汞含量不应超过0.5 mg/kg^[23];荷兰禁止含汞污泥在发电厂协同处置, 同时也为水泥窑设定了汞的特殊限值^[24]。易挥发元素铊 (Tl) 绝大部分滞留在预热器内, 少量可随窑灰带回窑系统, 随废气排放的约占0.01%^[25]。

污泥中的其他重金属对烟气的达标排放影响较小。郭庆海等^[26]通过水泥窑协同处置石灰干化污泥, 发现烟气中重金属浓度虽然有所提高, 但是仍低于排放上限一个数量级;聂小琴等^[27]的小试表明, 干化污泥协同处置时烟气中的重金属浓度仅提高10%～28%。

在工程和试验中均发现, 污泥掺烧可降低水泥窑的NO_x排放量, 减少氨水投量^{[21,25,28,29,30,31]}。原因推测如下:污泥中的氨类、氰、烃根等还原性成分可将烟气中的NO_x还原成氮气^[21,32];污泥消耗氧气或通过水煤气反应形成CO, 消耗NO_x形成所需氧气并还原NO_x^{[21,28,29,32]};污泥通过炭化作用生成活性炭, 吸附或还原NO_x^[29,31]。

广州越堡项目发现, 污泥干化后可作为脱硝材料使用, 系统NO_x排放值230 mg/Nm³ (10%O₂) ^[33];重庆拉法基南山工厂中, 投加污泥后水泥窑烟气的SO₂含量无变化, NO_x含量下降;华新水泥 (黄石) 项目中发现, 处置RDF和污泥后NO_x减排量可达20%～30%, 可减少氨投加量70%;遵义拉法基项目投加RDF和污泥后, 窑尾NO_x和SO₂排量会下降, NO_x的减排效果更为明显。

我国相关标准规范提出, 污泥水泥窑协同处置宜在2 000 t/d及以上新型干法水泥熟料生产线上进行^{[15,34,35,36,37]}。不同规模的熟料生产线污泥处置能力如表1所示^[38]。

我国2016 年的水泥产量约占全世界产量的60%^[39];据水泥协会公开数据显示, 截至2017年底, 全国新型干法水泥生产线累计1 715条, 设计年熟料产能达18.2亿t, 实际年熟料产能超过20亿t。仍在运行的2 500 t/d以下的水泥熟料生产线目前比例为18%;2 500～5 000 t/d生产线最多, 达到57%;5 000～10 000 t/d生产线占24%, 高于10 000 t/d的生产线小于1%。

《水泥工业“十三五”发展规划》指出^[40], 截至2017年, 我国依托新型干法水泥窑技改建成或正在建设协同处置生活垃圾、城市污泥、产业危险废弃物的水泥熟料生产线有100多条;虽然到2020年末我国将压减水泥熟料产能20% (4亿t) , 但水泥窑协同处置生产线占比将由2015年的3%提高至15%。

假设目前全国10%的水泥窑熟料产能可用于协同处置污泥, 则每年有2亿t熟料产能可供利用;按照脱水污泥与熟料产量比例为5%计算, 每年2亿t熟料产量可协同处置脱水污泥1 000万t, 约为我国污泥总产量的1/5。

目前各类污泥水泥窑协同处置项目的脱水污泥处置能力总计超过6 000 t/d。部分中小城市的水泥窑协同处置设施以污泥窑尾直喷为主, 污泥干化设施多为2010年前后建成并投入运营, 2015年后建成的协同处置设施主要接收经深度脱水、干化或采用其他方式处理后的污泥, 污泥含水率一般为30%～60%, 单条生产线接收污泥量100～300 t/d居多。

预计新建污泥水泥窑协同处置设施将以接收深度脱水和干化污泥为主, 单条生产线污泥处置规模一般为300 t/d以下。

目前部分国家对污水中磷回收的重视程度日益增强, 由于无法回收污泥中的磷, 污泥水泥窑协同处置可能因此受到影响。

德国的研究表明, 从污水和污泥中提取的磷理论上可替代其60%的磷进口量。因此最新的德国污泥处置法规修订稿提出污泥中磷含量超过20 g/kg时不得混合焚烧, 应在热处理前通过化学沉淀制备鸟粪石, 污泥单独焚烧产生的炉渣应作为肥料或单独储存以便后期回用做肥料^[41]。

应该说明的是, 污泥处置方式与成本密切相关。发达国家用于污泥处置的费用较高, 但是对于投资不足以支持诸如磷回收等技术的大多数国家而言, 水泥窑协同处置将是一种安全而且环境友好的方案。

水泥行业的碳排放占世界碳排放总量的5%, 预计至2050年, 世界水泥需求量将保持增长趋势。采用替代能源可减少化石燃料的消耗, 污泥水泥窑协同处置将有效减少碳排放, 促进水泥行业的绿色转型^[42]。

在当前技术经济条件下, 污泥水泥窑协同处置在很多情况下将是多目标分析推荐的最优方案。Rolf等^[43]对瑞士污泥处置技术路线进行了多目标分析, 发现“干化+水泥窑协同处置”的环境指标和经济指标最优, 成本—效益分析得分最高;Vouk等^[44]对克罗地亚北亚德里亚地区的多种污泥处置方式进行了比较, 发现污泥水泥窑协同处置是经济性最佳的方案, 也是经济风险最低的方案。

根据对水泥生产企业的调研结果, 提出如下建议:

(1) 建设循环经济产业园, 不同的污染企业可实现物质循环, 形成产品-原料链条。

(2) 建议政府协调各污泥处理水泥窑的检修时间, 避免污泥积压。

(3) 建议在严格监管的基础上, 实现污泥的跨境处理, 从而充分发挥水泥窑的处置潜力。

(4) 企业和政府的责任划分和付费主体应进一步明确。

(5) 建议政府出台污泥水泥窑协同处置优惠政策, 如污泥协同处置电价补贴。

污泥水泥窑协同处置具有有机物分解彻底、二次污染少、环境与经济效益显著等特点;此技术在我国已经有近20年的研究与实践, 有多种类型的设施相继投入使用并持续稳定运行, 充分证明其具有较高的可靠性。因此在当前污泥填埋、土地利用或其他资源化利用出路不顺畅的情况下, 污泥水泥窑协同处置不失为一种较好的选择。

随着环境治理程度的逐步深化、污泥处置管理工作的逐步规范, 污泥水泥窑协同处置的优势将更加明显、应用将更加普遍, 污泥水泥窑协同处置将迎来高速发展阶段。