市政污泥資源化集中處置（水泥窯協同）工程案例分析

韋 娟,姚瑞宏，劉琪璇，孫慧華，喬莉莉，孫 鶴

（1.中材國際環境工程（北京）有限公司，北京100102；2.南京中材環保有限公司，江蘇南京210000）

0 前言

隨著我國污水處理廠不斷的增建與運營，污水處理的副產物市政污泥的處置成了越來越凸顯的廢物處置問題。2016年，我國已建污水處理廠30976座，污水處理能力達到1.7億m3/d，根據第五屆世界水大會資料，污水廠產泥經驗為每萬噸污水產6 t濕污泥，則2016年全年產生濕污泥（含水率80%）30723萬t（一年按365天計），預計2020年將達到70200萬t[1]。

市政污泥成分復雜，是包含有機殘片、細菌菌體、無機顆粒和膠體等的非均質體，其組成很大程度上取決于污水水質及其處理工藝[2]。市政污泥特點有含水量高、易腐敗、易散發惡臭，通常含病原微生物、寄生蟲卵及重金屬等有毒有害物質，因此若不能妥善處置甚至隨意堆放，將會造成較嚴重的環保和健康問題。

然而，長久以來“重水輕泥”的城市規劃建設思路以及水處理行業的發展方向導致污泥處理處置技術的更新及應用受到限制[3]。相關調查數據顯示，截止到2016年，我國城市污泥無害化處置率僅為33%，而根據我國相關政策要求，在2020年底前，地級及以上城市污泥無害化處置率要達到90%以上。如何科學合理的對市政污泥進行處理，已經成為當前環保領域中一個研究熱點，受到了越來越多的關注[4]。

1 國內污泥處置方式

現階段，我國市政污泥無害化處置方式主要包括衛生填埋、土地利用、建材利用、焚燒等方式。其中，衛生填埋日益受到土地資源的制約，土地利用方式和建材利用方式存在產品出路不暢等問題，而焚燒方式因其具有污泥最大減量化和徹底無害化的技術優勢，已經日趨成為當前和今后我國市政污泥無害化處置的主流方式。為了對接焚燒工藝、提高污泥焚燒效率，污泥的脫水干化既是污泥焚燒前不可或缺的步驟，也是污泥無害化處置的重要基礎[5]。

與一般的焚燒工藝不同，新型干法回轉窯焚燒技術是利用水泥生產回轉窯的高溫區協同焚燒處置污泥的技術[6]，不需為污泥焚燒設焚燒爐。水泥窯協同處置過程中，污泥將在高溫條件下完全焚燒，焚燒產物經固化最終進入水泥熟料中，從而達到污泥的安全處置，是符合可持續發展戰略的新型環保技術。高溫、焚燒處置污泥，既能充分利用廢物中的有機成分的熱值、實現節能，又能完全利用污泥中的無機成分作為原料。水泥廠地域分布廣，水泥生產量大，有利于污泥就地大量消納，節省運輸費用，方便快捷[7]。

我國針對市政污泥水泥窯協同處置的技術可行性也進行了探索，如安徽皖維集團水泥分公司開展了利用水泥窯處理污泥的研究工作，將壓濾脫水后的污泥作為一種原料，與其他原料一起配料，生產中以每臺水泥窯5～6t/h的使用量來處理污泥，實踐結果表明，對生產工藝稍作調整后，在生料配料中摻入一定量的污泥，仍能保持生產穩定，熟料質量良好。廣州市越堡水泥有限公司在6 000 t/d生產線上新建一座600t/d（含水率80%）的污泥干化處置中心，將污泥干燥后作為燃料進行焚燒，焚燒殘渣替代黏土作為硅質、鋁質原料，使廢棄物變為能源，減少在水泥生產中對黏土的使用量，符合國家發展循環經濟和建設節約型社會的要求，且處置污泥后沒有影響水泥熟料質量[8]。

2 株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協同）項目實例分析

株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協同）項目日處置污泥300 t，包括含水率50%的干污泥250 t和80%的濕污泥50 t。基本能滿足株洲市未來10年內污水處理廠的污泥處置需求。干污泥來自株洲市政污水處理廠的板框壓濾出料皮帶，目前日產生量為70 t；濕污泥來自污水處理廠的離心脫水設備出料口，目前產生量很少（本文暫不討論）。項目于2020年1月6日上午12點開始，以水泥窯生產線協同處置50%含水率干污泥，系統連續帶料50 h，總共處理536.90 t含水率50%的污泥，平均喂料達10.74 t/h。

2.1 處置工藝

株洲市市政污泥資源化集中處置（水泥窯協同）系統工藝流程見圖1。

圖1 株洲市市政污泥資源化集中處置工藝流程圖

2.2 對水泥窯生產的影響

2.2.1 熟料產量和品質影響

表1統計了干化污泥（含水50%）協同處置前后窯磨參數變化，水泥窯協同處置期間，50%含水率污泥正常以10.74 t/h連續喂料，生料實際投料由未投污泥時418 t/h減少至400 t/h，高溫風機由826 r/min增加至836 r/min，由此保證了水泥窯正常穩定生產。生料投料減量會導致水泥窯熟料產量減少4.31%，但考慮污泥中黏土質等原料對熟料生產的貢獻（污泥料耗按3計），250 t/h的污泥量對熟料日減產的總體影響幅度小于4%。

表1 干化污泥（含水50%）協同處置前后窯磨參數變化

50%含水率污泥中含有黏土質原料，其主要對入窯生料硅率的影響決定著燒成熟料的品質。由此，水泥窯協同處置污泥期間，水泥廠主要將原料磨配比控制基準進行修正，主要是KH值由未協同處置時0.97～0.99增加到0.99～1.01。由圖2入窯生料KH值變化趨勢可知，水泥窯協同處置期間入窯生料KH值整體波動比未協同處置時要小；隨著污泥協同處置時間不斷遞進，入窯生料KH值整體呈現緩升的趨勢，可能是生料KH控制基準逐漸提高引發的。

從圖3熟料KH值變化趨勢可知，協同處置期間熟料的KH值呈現“V”趨勢，這側面說明了污泥投入水泥窯處置會降低熟料KH值，由此解釋了后期水泥廠將原料KH配比調整至1.01，導致入窯生料KH值呈現緩升現象，水泥熟料的品質得以保證。

2.2.2 煤耗變化

一般水泥熟料燒成時，硅率較大的原料需要較高的燒成熱量。為保證熟料燒成的品質，窯內燒成帶的溫度會增高，由此對煤用量產生影響。由圖4窯頭煤用量變化趨勢可見，污泥連續喂料期間，窯頭用煤量整體呈現少量增加，但由于窯產量有所減產，使得頭煤噸熟料量明顯增加，從未投污泥的53.08 kg/t升至 55.50 kg/t。

由圖5尾煤用量的變化趨勢可知，水泥窯系統未投污泥時，其尾煤用量基本波動較大，且8 h用煤量多數高于155 t。由于產量下降和污泥含有可燃有機質的影響，投污泥時尾煤8 h用煤量能降至1400t。從尾煤噸熟料煤耗曲線可知，投污泥后的噸熟料尾煤用量有所降低，說明了污泥投入分解爐后，污泥中的可燃有機質一定程度上可節約尾煤用量。對于協同處置區間界的尾煤用量和噸熟料尾煤均較高，可能主要是由于這兩位置正好處于水泥窯協同處置污泥開始和結束時間段。

圖2 株洲污泥處置項目入窯生料KH值變化趨勢圖

圖3 株洲污泥處置項目熟料KH值變化趨勢圖

本項目中的干化污泥是直接投入分解爐內，污泥含有的水分蒸發耗熱，影響分解爐內的熱量分配。廣州越堡的經驗表明，分解爐在處理城市污泥后，生料分解的有效空間減少3%～5%，分解爐內生料分解區間的熱負荷增加6%～10%[9]。由表1中可見，協同處置時熱生料分解率有所降低，降低幅度1%左右，這部分降低的分解率一部分將轉移至水泥窯內完成，造成頭煤用量增加，一部分要求適當降低水泥窯的產量，以保證水泥熟料的質量及污泥的徹底焚燒。

綜上分析，水泥窯協同處置污泥前后，頭煤噸熟料煤耗波動較平穩，而尾煤噸熟料煤耗波動較大，可見對總煤耗波動影響占主導的是尾煤噸熟料煤耗變化。由圖6熟料總煤耗變化曲線和尾煤占總煤耗比例趨勢圖可知，污泥連續投入分解爐后，總煤耗是有所降低的，平均129.0 kg/t左右。同樣，由于污泥投料的開始、結束邊界總煤耗高于連續污泥的總煤耗，這一點與尾煤的變化趨勢一致。由此可見，水泥窯協同處置期間，連續喂料的保證對窯況穩定至關重要。

2.3 技術路線顯著優勢

（1）水泥回轉窯的熱容量大，工作狀態穩定，可穩定處理50%含水率污泥處理量達250 t/d。

（2）水泥窯協同處置50%含水率污泥，可充分利用污泥中的有機成分和無機成分。污泥中有機質和可燃成分高溫煅燒產生熱量，不僅滿足其自身水分蒸發，還可替代部分燃料；焚燒后硅鋁質殘渣參與水泥配料以節約礦物材料。

圖4 株洲污泥處置項目窯頭煤用量變化趨勢圖

圖5 株洲污泥處置項目尾煤用量變化趨勢圖

圖6 株洲污泥處置項目總煤耗變化趨勢圖

3 結語

（1）水泥窯協同處置50%含水率污泥后，污泥中黏土質原料降低了原料KH值，以10.74 t/h連續喂料時，水泥原料磨KH配比控制指標需提高0.01～0.02。

（2）水泥窯燒成熟料量需減產4%，以此保證水泥窯正常穩定生產；污泥中水的蒸發增加了煙氣總量，高溫風機需由826 r/min增加至836 r/min。

（3）由于污泥中含有可燃的有機質，其可替代部分分解爐的用煤，使協同處置污泥時尾煤用量最低降17.5 t/h；污泥含水的蒸發降低熱生料的分解率，由未投污泥時93.75%降低至92.68%，水泥窯內預熱分解帶負荷增加。

（4）污泥直接投入分解爐，熱生料的硅率升高，導致燒成溫度升高，窯頭用煤量略增；同時因減產，頭煤噸熟料用量從未投污泥的53.08 kg/t升至55.50 kg/t。

（5）水泥窯協同處置污泥，連續喂料入分解爐，總煤耗達129.0 kg/t，其中投料的開始、結束期間，尾煤和總煤用量波動較大，其中前者主導了后者，由此，連續喂料的保證對窯況穩定至關重要。