水泥窯協同焚燒污泥處置研究進展

摘要：隨著城市化進程加快，我國污水處理設施產生的污泥量顯著增加，其處置已成為環保領域的重要議題。污泥中不僅含有大量有機物、病原體及重金屬，傳統的處理方法效率低下且存在環境風險。文章綜述了水泥窯協同焚燒污泥處置技術原理，利用水泥窯的高溫焚燒環境實現污泥減量化、無害化處理，還通過將干污泥作為替代燃料，降低了水泥生產成本。此外，文章還詳細評估了協同技術的經濟和環境兩項效益，為推動污泥資源化利用提供了依據。

關鍵詞：污泥；協同處置；環保；經濟效益

中圖分類號：TQ172.6；X703文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國城鎮化進程的加速，城市污水處理能力的提升導致污泥產量的急劇增加已成為我國污泥處理處置的難題之一。據相關統計，我國污水處理設施年產污泥可達6000萬噸（以含水率80%計算）［1］。目前，我國污泥處理的主要方法包括填埋、農用、堆肥等，但這些傳統方法在環境保護和固廢資源利用等方面存在諸多不足。為響應國家環保政策和固廢資源循環利用的要求，熱解氣化、干化焚燒、造粒制陶等技術應用的占比逐年提高，以實現污泥的減量化、無害化和資源化處置［2］。2022年國家發改委、住建部和生態環境部聯合印發《污泥無害化處理和資源化利用實施方案》，明確規定有效利用本地垃圾焚燒廠、火力發電廠、水泥窯等窯爐處理能力，協同焚燒處置污泥，有序推進污泥焚燒處理［3］。水泥窯協同焚燒污泥處置項目有增長之勢。

1 技術原理及實施方式

1.1 技術原理

水泥窯協同焚燒污泥處置的技術原理在于其獨特的高溫焚燒環境，能有效實現污泥的無害化處理和資源回收。水泥窯是一種大型旋轉的熱設備，主要用于水泥熟料的生產，包括預熱器、煅燒器和冷卻器3個主要部分，工作溫度可達1450 ℃以上，高溫環境對有機物的分解和無機成分的固化極為有利。經高值化處理后的干污泥作為一種替代燃料被引入水泥窯焚燒，其工藝流程如圖1所示。污泥在預熱器中被干燥和預熱（高值化處理），處理后的干污泥熱值可提升至13～14 MJ/kg，隨后進入煅燒器中完全燃燒，在這一過程中，污泥中的有機物被高溫徹底氧化分解。此外，污泥中的無機成分如硅、鋁和鐵等，與水泥原料反應形成C3S（3CaO·SiO2）和C2S（2CaO·SiO2）等硅酸鹽礦物，可改善水泥熟料的品質，實現資源化利用［4］。與傳統的焚燒爐相比，水泥窯內高溫焚燒環境呈現堿性，能夠處理不同種類和特性的污泥，可有效地降低污泥內重金屬的揮發和控制二噁英的生成［5］，不會產生二次污染。

1.2 實施方式

污泥在水泥窯中的加入方式及操作調整是確保協同處置效率和環境安全的關鍵環節。干污泥作為替代燃料和原料，在水泥生產中的加入需要精確控制，以適應水泥窯的操作特性并最大化其環保和經濟效益。

污泥加入水泥窯的方式主要有兩種。（1）直接加入方式：將經過初步脫水處理的污泥直接送入水泥窯煅燒系統，在煅燒區高溫下完成焚燒。這種方式要求污泥的水分含量較低（如含水率60%及以下），以減少水泥窯內部溫度的影響。（2）預處理后加入方式：通過如蒸汽熱干化、煙氣熱干化或機械干化等方式使污泥達到更低的水分含量（如含水率降至40%及以下）和更適合燃燒的物理狀態，然后投入水泥窯系統。

水泥窯的操作調整方面，為了適應污泥的物理和化學特性，水泥窯需進行一系列調整以優化燃燒效果和熟料質量，包括調整窯內溫度、氣流和物料流等措施。（1）溫度調整是通過控制燃燒空氣的供給和窯內物料的停留時間來實現的，確保污泥中的有機物質得到完全燃燒，同時控制熟料的燒成溫度。有研究表明，水泥窯在處理含污泥的混合物時，窯內運行溫度維持在1350～1450 ℃［6］，這一溫度區間能確保污泥中有機物質的徹底燃燒并最大限度減少NOx的生成［7］。（2）氣流調整主要是為了優化燃燒空氣的分布和提高熱效率，防止局部溫度過高或過低影響熟料的質量。有研究指出，適當增加空氣供給量并優化氣流分布，可以提高水泥窯的熱效率并減少局部溫度過高或過低的問題，氣流量的調整可以提高熟料的燒成質量并減少能耗。（3）物料流調整是通過調節原料的進泥速率和成分比例，以適應加入污泥后新的化學反應平衡。為適應污泥的化學特性，調整原料的投料比，如增加石灰石比例以穩定熟料的硅酸鹽組成，將有助于保持熟料的質量并優化化學反應。此外，為了確保環境標準的達標，水泥窯在加入污泥后還需要加強排放控制，特別是對二噁英、NOx和SOx等污染物的監控和管理，實施先進的排放控制技術，如SCR和ESP，顯著降低了NOx和SOx的排放，同時粉塵排放也得到了有效控制。

1.3 技術優點

水泥窯協同焚燒污泥處置的優點：

（1）能高效分解污泥中的有機物和固化重金屬等有害物質。

（2）高值化處理后的干污泥可以替代水泥窯的燃料煤，降低水泥生產的原材料和能源成本，增強水泥企業的市場競爭力。

（3）減輕污泥處理設施的環境負擔。本文主要綜述該技術的應用現狀，闡明了污泥干化耦合水泥窯協同處置過程所產生的經濟效益和環境影響。

2 經濟及環境效益

2.1 經濟效益

水泥窯協同焚燒污泥處置具有顯著的經濟效益。首先，將污泥作為替代燃料使用在水泥生產中，可以顯著減少對傳統化石燃料的依賴。有研究表明，使用污泥替代部分傳統燃料后，水泥廠的燃料成本降低。高值化處理后的干污泥（含水率40%）成分及熱值，如表1—3所示（污泥取樣自山西省長治市某項目）。按100 t/d的污泥協同處置項目折算，每1 t干污泥約替代0.25 t動力煤，動力煤以每噸800元計價，年節約費用約732萬元。

此外，污泥的熱值利用和無機物的回收能進一步減少生產成本，且材料可循環利用。研究表明，可以使用干城市污泥作為部分替代原料生產與普通水泥所有主要化學成分極度接近的生態水泥，用干污泥代替熟料生產中總原料的15%，鋁土礦、泥灰泥和鐵礦石的消耗量可分別減少50%、35%和17%。此外，消耗的石灰量將增加6%，其中，干污泥替代量的增加與生態水泥漿體中C2S和C3S的形成分別呈正相關和負相關關系，這極大降低了生產成本，可提高水泥廠經濟效益。其次，協同處置技術通過高效的污染物控制，減輕了環境治理的壓力，從而降低了企業的環境合規成本。在環保法規越來越嚴格的背景下，傳統的污泥處置方法如填埋或單獨焚燒的環境合規成本在不斷上升。相比之下，協同處置技術由于其較低的污染物排放，可以有效避免因環保不達標造成的不良后果。

2.2 環境效益

水泥窯協同焚燒污泥處置過程中主要關注的排放物指標包括NOx、NH3、多環芳烴、二噁英、重金屬等有害物質。這些物質的存在可能對環境造成重大影響，因此對其排放進行嚴格控制和評估至關重要。

有研究表明，水泥窯協同焚燒污泥處置有利于減少NOx排放［8］，而NOx減少主要取決于污泥中NH3的釋放量。同時，煙氣中NOx與NH3濃度呈負相關關系（見圖2），污泥投料對NOx脫除的貢獻隨著SNCR系統氨水量的增加而減小。此外，總多環芳烴的排放量似乎隨著污泥入窯量的增加而增加。而多環芳烴的分布變化不大，低分子量多環芳烴主要以氣相分布，在水泥窯污泥共處理過程中占主要比例［9］。

二噁英是在污泥焚燒過程中可能產生的有害物質之一。二噁英主要通過不完全燃燒有機物質產生，尤其是在溫度不穩定或氧氣供應不足的情況下更為明顯。然而，在水泥窯中，由于工作環境處于高溫（通常超過1450℃）和良好的氧化條件下，可以顯著減少二噁英的生成。此外，現代水泥窯設備通常配備高效的煙氣清潔系統，如靜電除塵器和布袋除塵器，這些措施有助于進一步降低二噁英等有害物質的排放。

重金屬的排放也是協同處置過程中的一個關鍵環境問題。污泥中含有鉛、鎘、汞等重金屬，這些元素在高溫下可能揮發并通過煙氣排放到大氣中。然而，研究表明，污泥在水泥窯中協同處理，非揮發性或低揮發性重金屬的去除率幾乎為100%，但揮發性重金屬，特別是汞，不能通過該工藝去除［10］，主要原因是大部分重金屬能被固化在熟料中，從而減少了其對大氣的直接排放。通過調整燃燒條件和優化原料配比，可以進一步降低重金屬的揮發性。

3 結語

近年來，我國在污泥處理處置領域的相關政策與法規日趨加強，以應對不斷增加的污泥產量及其環境風險。水泥窯協同焚燒污泥處置作為我國污泥干化焚燒的主流工藝之一，是一種有效的資源化和環境友好的污泥處置技術。通過水泥窯的高溫焚燒，不僅可以實現污泥中有機物的完全分解，固化重金屬，減少對環境的潛在危害，而且通過減少對傳統燃料的依賴和提高水泥生產的成本效率，可為水泥廠帶來顯著的經濟效益。

參考文獻

［1］張山，李寧，黃婷，等.雙碳背景下市政污泥協同處置技術路徑碳足跡分析［J］.給水排水，2023（11）：32-39.

［2］楊健雄.水泥窯協同處理污水處理廠剩余污泥的研究進展［J］.中國資源綜合利用，2022（40）：101-103.

［3］國家發展改革委，住房和城鄉建設部，生態環境部.污泥無害化處理和資源化利用實施方案［EB/OL］.（2022-09-22）［2023-09-27］.https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202209/t20220927_1337109.html.

［4］YUSUF R O， NOOR Z Z， ABBA A H， et al. Use of sewage sludge ash （SSA） in the production of cement and concrete： a review［J］. International Journal of Global Environmental， 2012 （12）：214-228.

［5］SOBIK-SZOTYSEK J， WYSTALSKA K. Coprocessing of sewage sludge in cement kiln［M］. United Kingdom： Butterworth-Heinemann， 2019.

［6］WU Y， SONG S， XUE Z， et al. Effect of temperature on hexavalent chromium formation in （Al，Cr）2O3 with calcium aluminate cement in air［J］. ISIJ International， 2019（59）：1178-1183.

［7］LI Y， WANG H， ZHANG J， et al. Co-processing sewage sludge in cement kiln in China［J］. Journal of Water Resource and Protection， 2013（5）： 906-910.

［8］GU Y， CAO H， LIU W， et al. Impact of co-processing sewage sludge on cement kiln NOx emissions reduction［J］. Journal of Environmental Chemical Engineering， 2021（9）： 105511.

［9］LYU D， ZHU T， LIU R， et al. Effects of co-processing sewage sludge in cement kiln on NOx， NH3 and PAHs emissions［J］. Chemosphere， 2016（159）： 595-601.

［10］CONESA J A， GLVEZ A， MATEOS F， et al. Organic and inorganic pollutants from cement kiln stack feeding alternative fuels［J］. Journal of Hazardous Materials， 2008（158）： 585-592.

（編輯 姚 鑫編輯）

Review on research progress of collaborative incineration of sludge disposal incement kilns

QU? Zhaozhou

（Shanghai Xinhuan Gooryee Environment Group Co.， Ltd.， Shanghai 201702， China）

Abstract： With the acceleration of urbanization， the amount of sludge generated by sewage treatment facilities in China has significantly increased， and its disposal has become an important issue in the field of environmental protection. Sludge not only contains a large amount of organic matter， pathogens， and heavy metals， but traditional treatment methods are inefficient and pose environmental risks. The article summarizes the principle of collaborative incineration technology for sludge disposal in cement kilns， utilizing the high-temperature incineration environment of cement kilns to achieve sludge reduction and harmless treatment. It also reduces the production cost of cement by using dry sludge as an alternative fuel. In addition， a detailed evaluation of the economic and environmental benefits of collaborative technology was conducted， providing a basis for promoting the utilization of sludge resources.

Key words： sludge; collaborative disposal; environment protection; economic benefit

作者簡介：瞿兆舟（1982— ），男，高級工程師，碩士；研究方向：垃圾焚燒處置，污泥處理處置及資源化。