水泥窯協同處置污泥技術探討

陳 慧（南京凱盛開能環保能源有限公司，江蘇 南京210036）

0 前言

隨著我國污水治理行業的蓬勃發展，污水處理廠的污泥產量逐年增加，從2010年的5427萬t增長至2017年的7436萬t。據預測2023年的污泥處理市場規模將達到867億元。但由于我國長期以來“重水輕泥”，污泥處理問題未能得到有效解決。開發實施新型、環保的污泥處置技術成為當下的迫切要求。

1 水泥窯協同處置技術及現狀

污泥的處置主要有填埋、堆肥和焚燒三種方式，焚燒處置是污泥減量化最顯著的方式。焚燒處置又分為建設獨立的焚燒系統和依托現有設備進行改造兩種，后者可依托現有電廠、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐及水泥窯等裝置，將污泥與煤或垃圾混燒。

水泥窯協同處置污泥作為全過程清潔的廢棄物處置方式，利用水泥生產過程的高溫環境來焚燒污泥，窯內呈堿性，可有效避免酸性物質和重金屬揮發。水泥窯協同處置污泥過程中，有機物被徹底分解，二惡英很難形成。同時污泥焚燒產生的熱能被回收，殘渣和飛灰作為水泥成分配入熟料中，實現資源化和污泥減量化。與污泥其它處理方式相比，水泥窯處置技術更徹底，也不會產生二次污染，滿足“減量化、無害化、資源化”的原則。

近年來，我國在水泥窯協同處置上攻克了許多技術難關,取得了初步成績。水泥窯協同處置技術成功地投入生產應用。據統計，目前已建成水泥窯協同處置生活垃圾生產線43條，年處置垃圾約500萬t；協同處置污泥24條，年處置污泥約195萬t，在建和擬建的水泥窯協同處置生產線還有90多條。由此可見，水泥窯協同處置技術形成了良好的發展態勢，前景廣闊。

2 處置方案及技術路線

2.1 污泥特性

污泥成分復雜，含有各種微生物、多種重金屬及大量的難降解物質，具體分為泥、沙等無機物以及菌體等有機物兩類。如處置不當，會造成環境再污染。

相關研究表明：污泥的化學特性與水泥生產所用的原料基本相似。與普通硅酸鹽水泥相比，利用污泥和焚燒飛灰產生的水泥在顆粒度、相對密度上基本相似，在穩固性、膨脹密度、固化時間上也較好。因此，利用水泥窯協同處置污泥是一種可行的資源化處理方式。

2.2 處置方案及技術路線

污泥預處理工藝與投入水泥窯位置作為水泥窯協同處置污泥技術的關鍵要素，依此分類，協同處置污泥的主要工藝路線如下。

2.2.1 投入窯尾煙室

參考《水泥窯協同處置污泥工程設計規范》（GB 50757—2012）：含水率為30%～80%的污泥可從窯尾煙室處進料，但是宜設置噴槍等強制給料設備，且煙室內溫度下降宜控制在100℃以內，以防造成局部堵塞結皮。水泥窯協同處置技術中將含水率70%～80%的污泥直接進入窯尾煙室焚燒是目前國內應用最廣泛的，該技術占全部處置生產線的50%以上，工藝流程見圖1。

圖1 污泥投入窯尾煙室的工藝流程圖

污泥送入污泥倉后，倉內設置液壓滑架，通過滑架的往復運動防止污泥在倉底淤積，形成死角、起拱。污泥在滑架的作用下進入卸料口，經雙螺旋給料機輸送至單杠閘柱塞泵內去窯尾煙室。污泥倉頂部卸料口設置液壓翻板門，以使倉處于密封常態。倉卸料區域設置格柵，防止大塊雜物進入堵塞柱塞泵。在污泥輸送管道入窯尾煙室的末端設置給料噴槍，以使污泥均勻、散開的形式噴入，增加換熱面積，從而降低污泥對窯系統的影響。污泥倉的臭氣一部分作為冷卻風進入水泥窯篦冷機，另一部分經過活性炭除臭裝置除臭達標后，由引風機送入煙囪排放。在水泥線檢修期間臭氣通過活性炭除臭裝置處理后達標排放。

投入水泥窯窯尾煙室下污泥不進行預處理，相對節省了污泥預處理的費用，但易造成煙室內的溫度波動，影響水泥生產線的穩定運行。

2.2.2 投入分解爐

依規范，含水率不大于30%的污泥可從水泥窯分解爐處進料。此工藝下要對污泥進行熱干化預處理，利用水泥生產過程中的廢熱煙氣作為熱源，直接或者通過換熱裝置間接將熱量傳遞給污泥，降低污泥的含水率，工藝流程見圖2。

污泥送入污泥倉后，依次經過液壓驅動滑架、雙螺旋給料機，經污泥泵輸送到造粒機造粒，再經過干燥機干燥，干化后呈細粉狀的污泥經輸送機送入分解爐焚燒。干燥機作為換熱裝置工作時熱源為水泥生產中的廢熱資源。熱煙氣可與污泥直接接觸，也可間接接觸。

熱干化技術具有占地小、無害化徹底、工藝技術成熟等優點，結合熱干化與投入分解爐的污泥處置方式在污泥處置市場越來越受到重視。

圖2 污泥投入分解爐的工藝流程圖

2.2.3 投入爐排爐或氣化爐

本工藝下水泥窯協同處理是依托水泥窯裝置設置爐排爐（或氣化爐）實現對垃圾和污泥混合處理。在爐排爐焚燒垃圾的基礎上，將污泥按一定的比例摻入，實現污泥與生活垃圾的混合焚燒，爐排爐焚燒產生的煙氣送入水泥窯分解爐，工藝流程見圖3。

圖3 污泥投入爐排爐的工藝流程圖

污泥摻入垃圾主要有垃圾坑加入與在爐排爐進料裝置處加入兩種方式。污泥通過污泥車運輸到污泥倉，污泥倉底部的液壓滑架驅使倉內污泥滑入破碎機破碎，破碎后的污泥送至爐前污泥倉。通過垃圾坑加入是將爐前污泥倉的污泥送入垃圾坑中，利用抓斗的攪拌實現污泥與垃圾的混合。此摻燒方式系統簡單，費用低，但污泥由于粒徑小、密度大，在抓取中易掉落沉到坑底，增加滲濾液和淤泥的清理工作。通過進料裝置處加入是將污泥送至爐排爐推料平臺上，在平臺上實現污泥與垃圾混合，混合后送爐排爐。此摻燒方式只需單獨設置污泥存儲和輸送系統，系統簡單，還可以根據運行實況控制污泥的摻燒比例，運行可靠。為了保證系統的安全穩定運行，污泥的摻混質量比為5%～20%。

結合水泥窯的爐排爐摻燒污泥方式不僅處理了垃圾與污泥過程中的臭氣及有毒物質，實現污泥的無害化處理，還降低了對水泥生產的影響。

3 技術優勢

填埋、堆肥存在二次污染的同時還占用大量土地資源。焚燒工藝中單獨建設焚燒系統投資高，而且不能完全資源化處理飛灰、爐渣等。依托水泥窯裝置的水泥窯協同處理污泥技術在無害化、資源化和經濟性上有獨特的優勢：

（1）有機物分解徹底。水泥窯裝置熱容量大，溫度高，煙氣停留時間長，污泥中的有毒有害物完全分解，焚燒率達99.999%，二惡英在處理過程中也被完全分解。

（2）重金屬等無殘留，無二次污染。在水泥窯協同處置過程中，污泥中的重金屬能被固定在水泥熟料中，結構穩定。焚燒后煙氣經除塵器收塵后，飛灰作為原料送入水泥窯處理系統，無二次污染。

（3）資源化效率高。污泥中有機成分和無機成分得到充分利用，部分有機質和可燃成分在水泥窯中焚燒時產生熱量，無機物作為水泥原料，資源化效率高。

（4）處理量大及工藝穩定。水泥生產線多，生產量大，相對處理的污泥量大；水泥窯運行穩定，熱容量大，處理工藝穩定、方便。

（5）投資少及運營成本低。協同處置工藝不額外占用土地，無需建設焚燒設備。而且水泥廠分布廣，有利于污泥的就地消納，節省運輸成本。數據表明水泥窯協同處置固廢的成本在500～1000元/t，而焚燒爐處置成本約為2倍以上。

4 關鍵因素分析

利用水泥窯協同處置污泥,不僅要確保對環境的無害化,還要確保水泥窯工藝穩定、避免對水泥質量的影響。為此，從以下幾個角度進行了探討:

（1）污泥對水泥窯工藝的影響。水泥生產時窯內溫度達1000℃以上,協同處置污泥時，投入的污泥中水分迅速揮發、固定碳和揮發分燃燒釋放出大量的熱量。投入污泥會引起窯內溫度的驟變，對水泥生產不利。同時，污泥中的微量組份也會對水泥窯工藝的穩定運行產生影響，引入的有害組份如鉀、鈉、氯、硫等會引起系統粘結堵塞,從而直接影響設備運轉率和水泥熟料品質。

（2）污泥對水泥質量的影響。由污泥特性可知，污泥可用于水泥生產的原料。但隨著污泥摻燒比例的增加，熟料成分中SiO2含量增加，SiO2比例過高帶來C2S（2CaO·SiO2）反應轉化為C3S（3CaO·SiO2）比例的降低，導致水泥早期強度低。同時污泥中堿的過量存在會破壞水泥熟料礦物的形成，使得水化過快，凝結時間變短，對熟料強度產生不利影響。

（3）污泥中重金屬的影響。我們要重點關注重金屬浸出問題，這關系到我們的健康及環境。水泥窯協同處置污泥后，污泥中重金屬被固定在熟料礦物相晶格中。晶體結構的熟料為重金屬離子的“固溶”提供了結構上的先決條件。被“固溶”的重金屬必須在礦物相再次被破壞的情況下，如高溫、酸堿腐蝕等，才可能從體系中遷移出。因此，水泥窯協同處置污泥可以很好地固化污泥中的重金屬，不存在重金屬浸出的問題，安全可靠。

綜上所述，水泥窯協同處置污泥技術上可行、經濟上合理、環境上效益顯著，值得推廣。但要保證系統運行穩定及水泥產品質量符合要求，必須要控制污泥的摻燒量。參考國內外運行經驗，污泥投入水泥窯焚燒工藝中污泥摻燒量控制在5%以下。

5 結論

本文對水泥窯協同處置污泥技術及應用進行了探討。利用水泥窯處置污泥不僅可以徹底解決污泥處置的難題，做到“減量化、無害化、資源化”，也還為水泥生產節約了能源和原材料，為污泥資源的開發利用開辟了新途徑。隨著水泥窯處置城市污泥技術不斷完善與推廣,水泥窯協同處置污泥技術必將迎來更廣闊的未來。