水泥窯協(xié)同處置市政污泥的試驗(yàn)研究與應(yīng)用

我國(guó)城鎮(zhèn)化水平正處于高速提升階段，城市生活污水及市政污泥產(chǎn)生量逐年增加，市政污泥中含有腐殖酸、雜環(huán)類(lèi)化合物、揮發(fā)性異臭物、有機(jī)氟化物等，若處置不當(dāng)，容易形成地下水、土壤二次污染等環(huán)境隱患。2020年以來(lái)，我國(guó)市政污泥總量達(dá)6?000~9?000萬(wàn)t，如何取代以衛(wèi)生填埋和土地利用為主的傳統(tǒng)處置方式，實(shí)現(xiàn)市政污泥處置的無(wú)害化、減量化、資源化，成為目前市政污泥處置行業(yè)亟須解決的難題。國(guó)內(nèi)市政污泥處置技術(shù)研究起步較早，自1960年起，市政污泥處置行業(yè)經(jīng)歷了萌芽、緩慢發(fā)展和快速發(fā)展三大階段，期間公眾對(duì)污泥認(rèn)知度較低，污泥處置不當(dāng)引起的環(huán)境污染問(wèn)題日益趨現(xiàn)，國(guó)家相關(guān)政策開(kāi)始頻繁發(fā)布。2019年，國(guó)家出臺(tái)《城鎮(zhèn)污水處理方案（2019-2021年）》，重點(diǎn)提出將污水處理、污泥處置等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，作為解決民生領(lǐng)域首要問(wèn)題之一。2020年，發(fā)改委、住建部聯(lián)合發(fā)布《污水處理設(shè)施補(bǔ)短板方案》，指出加大財(cái)政支持力度，明確到2023年，縣級(jí)及以上城市設(shè)施能力基本滿(mǎn)足生活污水處理需求。2022年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，大力推行實(shí)施污水污泥資源化利用與無(wú)害化處置，倒逼污水處理企業(yè)重視污泥處置，加大污泥減量化技術(shù)的研發(fā)投入，推進(jìn)市政污泥處置行業(yè)快速發(fā)展。1、水泥窯協(xié)同處置市政污泥發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)優(yōu)勢(shì)1.1水泥窯協(xié)同處置的發(fā)展現(xiàn)狀水泥窯協(xié)同處置污泥在國(guó)外已有30多年的應(yīng)用歷程，在眾多發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等，得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。美國(guó)采用焚燒方式處置占比全國(guó)產(chǎn)出約20%的污泥，其中采用水泥窯協(xié)同處置方式占比約6%；日本將全國(guó)產(chǎn)出約60%的污泥直接投入水泥窯進(jìn)行協(xié)同焚燒處置。我國(guó)開(kāi)展水泥窯協(xié)同處置技術(shù)研究起步較晚，于2013年相繼推出了《水泥窯協(xié)同處置工業(yè)廢物設(shè)計(jì)規(guī)范》《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，為國(guó)內(nèi)水泥窯協(xié)同處置污泥行業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的要求。國(guó)內(nèi)目前已建成約45條水泥窯協(xié)同處置市政污泥生產(chǎn)線，處置能力為320萬(wàn)t左右，占比污泥產(chǎn)量約3.60%（如圖1）。潘泂等通過(guò)處置規(guī)模為600t/d市政污泥（含水率為60%）的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，濕污泥帶入窯內(nèi)的水分，會(huì)導(dǎo)致窯尾廢氣處理系統(tǒng)風(fēng)量增加15%~20%，嚴(yán)重影響水泥熟料生產(chǎn)能力；巢湖海螺水泥利用廠內(nèi)5?000t/d水泥生產(chǎn)線，對(duì)深度脫水后含水率為60%市政污泥進(jìn)行直噴式入窯，處置能力為600t/d，該處置方式會(huì)造成窯尾預(yù)熱器溫度上升10~20℃，使水泥窯燒成系統(tǒng)熱耗增加；越堡水泥通過(guò)自身6?000t/d水泥窯生產(chǎn)線，建設(shè)運(yùn)行了含水率80%市政污泥干化處置中心，處置能力為600t/d，將污泥干化至35%~40%后，投加入水泥窯內(nèi)進(jìn)行焚燒，結(jié)果表明污泥對(duì)水泥熟料質(zhì)量沒(méi)有造成任何影響。圖12021-2025年污泥產(chǎn)生量及水泥窯處置量占比預(yù)測(cè)我國(guó)眾多工程實(shí)踐項(xiàng)目表明，水泥窯可以在穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，協(xié)同處置市政污泥，但需要進(jìn)一步降低污泥含水率，從而利用污泥自身熱值作為替代燃料，降低燒成系統(tǒng)熱耗、廢氣處理量。污泥干化可將機(jī)械脫水后污泥含水率進(jìn)一步降低至40%以下，大幅度減少污泥儲(chǔ)存和運(yùn)輸量，近年來(lái)我國(guó)涌現(xiàn)出很多以節(jié)能環(huán)保為宗旨的新型污泥干化技術(shù)，但是大多處于試驗(yàn)階段或使用條件限制，技術(shù)發(fā)展并不成熟，無(wú)法取代以水泥窯廠內(nèi)余熱發(fā)電飽和蒸汽為熱源，對(duì)污泥進(jìn)行間接干化的傳統(tǒng)手段。干化污泥投加入窯前，應(yīng)借助CFD模擬技術(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，以現(xiàn)場(chǎng)投加位置和投加量進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提高水泥窯協(xié)同處置市政污泥的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率，驗(yàn)證水泥窯燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2水泥窯協(xié)同處置的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)水泥窯協(xié)同處置市政污泥，既可以充分利用污泥的殘留熱值，實(shí)現(xiàn)資源化，又可以通過(guò)工業(yè)窯爐內(nèi)高溫氣氛分解有機(jī)質(zhì)、病原體，實(shí)現(xiàn)無(wú)害化，對(duì)于緩解化石燃料資源利用及環(huán)境污染壓力有著重要的意義。相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)生填埋、土地利用等處置方式，水泥窯協(xié)同處置市政污泥具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）有機(jī)物分解徹底。水泥回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的筒體，一般直徑為3.0~5.0m，長(zhǎng)度45~100m，焚燒空間很大，窯內(nèi)物料焚燒溫度一般大于1?450℃，空間氣體湍流度較大。污泥中的有害物可在分解爐內(nèi)充分燃燒，即使是穩(wěn)定的化合物如二噁英等，也可以被完全分解。（2）穩(wěn)定的焚燒工況。水泥窯入窯投料量較大，一般在200t/d左右，不會(huì)因?yàn)樯倭繌U物投入量和性質(zhì)的變化，造成大的溫度波動(dòng)而影響焚燒效果。（3）閉路生產(chǎn)下的污泥終端焚燒。市政污泥焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、灰分等，通過(guò)布袋收塵器收集后在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)再次進(jìn)行煅燒。（4）重金屬離子的穩(wěn)定化、固化。利用水泥工業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝處置市政污泥，其中絕大部分重金屬離子在堿性環(huán)境下經(jīng)高溫固相反應(yīng)生成復(fù)合型礦物，成為熟料礦物晶體中的部分原子替代物，被固化在水泥熟料中。（5）高度實(shí)現(xiàn)資源化利用目標(biāo)。通過(guò)在水泥窯內(nèi)焚燒，低含水率市政污泥具有自身熱值，可以作為替代燃料使用，同時(shí)污泥煅燒后產(chǎn)生的灰分也可收集后作為替代原料。2、水泥窯協(xié)同處置市政污泥試驗(yàn)研究2.1工藝路線試驗(yàn)以巢湖海螺水泥協(xié)同處置市政污泥項(xiàng)目為平臺(tái)，處置規(guī)模為市政污泥600t/d（含水率80%）。脫水后濕污泥直接入窯，會(huì)造成水泥窯燒成系統(tǒng)窯尾煙氣量大、熱耗增加等影響，通過(guò)污泥干化進(jìn)一步降低污泥含水率，能夠提高污泥自身熱值，作為水泥窯系統(tǒng)替代燃料，產(chǎn)生的廢氣可經(jīng)篦冷機(jī)排至回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部焚燒凈化處置。因此，本項(xiàng)目對(duì)深度脫水后市政污泥進(jìn)一步干化，再進(jìn)行入窯焚燒處置，圖2為協(xié)同處置市政污泥工藝流程圖。圖2水泥窯協(xié)同處置市政干化污泥工藝流程污泥壓濾脫水后含水率約80%，經(jīng)蒸汽間接干化可降低至35%~40%，平均噸污泥飽和蒸汽消耗量約為0.7t，項(xiàng)目連續(xù)運(yùn)行投加量為200t/d，干化熱源為水泥廠余熱發(fā)電飽和蒸汽，經(jīng)減壓閥進(jìn)入污泥干化機(jī)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，產(chǎn)生廢氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器進(jìn)入冷凝器進(jìn)行凝結(jié)換熱，過(guò)程中冷凝廢水經(jīng)明渠集中排至污水處理池，采用“調(diào)節(jié)池+氣浮+A/O”工藝處理達(dá)標(biāo)后排放。廢氣則直接進(jìn)入窯頭篦冷機(jī)，通過(guò)窯尾風(fēng)機(jī)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焚燒。市政污泥干化后，通過(guò)螺旋輸送至分解爐投加管路，投加位置為分解爐三次風(fēng)管上方500mm處。2.2CFD模擬市政污泥干化后，首先借助CFD數(shù)值模擬技術(shù)，標(biāo)定水泥窯燒成系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，以設(shè)定投加位置、投加量及運(yùn)行參數(shù)等條件，對(duì)投加入水泥窯分解爐內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)溫度場(chǎng)變化驗(yàn)證污泥投加位置、投加量等條件，隨后進(jìn)行污泥現(xiàn)場(chǎng)投加試驗(yàn)，提高水泥窯協(xié)同處置市政污泥的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率，保證水泥窯燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，形成污泥作為水泥窯替代燃料的產(chǎn)品方案。2.2.1模型建立及數(shù)值計(jì)算方法分解爐幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，分解爐由錐體、柱體、污泥入口、下料口等組成，模型網(wǎng)格劃分選用T-Grid非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在混合相流動(dòng)較為劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格綜合間距為4~200mm，質(zhì)量為0.4，網(wǎng)格獨(dú)立性及質(zhì)量良好，湍流模型選用模擬采用Realizable（帶旋流修正）k-ε模型，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)確定模擬邊界條件，見(jiàn)表1。2.2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析通過(guò)標(biāo)定項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，以三次風(fēng)管上方500mm處為模擬投加位置，200t/d為模擬投加量，CFD數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖4，分解爐底部物料出口截面溫度場(chǎng)基本呈均勻分布，無(wú)明顯梯度跳躍和回流區(qū)域，分解爐軸向z=0截面溫度場(chǎng)呈均布狀態(tài)，底部下料口由于煤粉進(jìn)行燃燒反應(yīng)，溫度呈梯度上升趨勢(shì)，最終出口平均溫度約為860℃，溫度場(chǎng)總體無(wú)明顯梯度變化，水泥窯燒成系統(tǒng)運(yùn)行工況較為穩(wěn)定。圖3分解爐幾何模型及網(wǎng)格劃分表1邊界條件圖4出口截面主相溫度云圖及z=0截面主相溫度云圖3、運(yùn)行影響分析3.1冷凝廢水成分測(cè)定市政污泥干化過(guò)程中，飽和蒸汽對(duì)濕污泥進(jìn)行間接傳熱，產(chǎn)生廢氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器收集，隨后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行換熱，產(chǎn)生冷凝廢水排至廠內(nèi)污水處理廠，采用“調(diào)節(jié)池+氣浮+A/O”工藝處理，廢水處理后取樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，處理后冷凝廢水檢測(cè)項(xiàng)目全部滿(mǎn)足工業(yè)回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。表2冷凝廢水處理與回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比3.2水泥熟料質(zhì)量影響分析生產(chǎn)水泥所用部分原料的化學(xué)成分特性與市政污泥近似，水泥窯協(xié)同處置市政污泥具有焚燒法減容、減量化的特征，同時(shí)燃燒后的殘?jiān)蔀樗嗍炝系囊徊糠?，不需要?duì)焚燒灰進(jìn)行填埋處置，是一種兩全其美的水泥生產(chǎn)途徑。以巢湖海螺市政污泥處置運(yùn)行項(xiàng)目為例，含兩條新型干法熟料線，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為10?000t/d左右，干化后含水率40%市政污泥處置量為200t/d，理論占比為0.20%，其成分波動(dòng)的影響是有限的，對(duì)生料、熟料的化學(xué)成分及率值變化影響很小。水泥窯協(xié)同處置干化前后的水泥熟料質(zhì)量對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，在各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)中，SiO2、Fe2O3、Na2O、P2O5、SM、C2S、C4AF和R2O的檢測(cè)值較協(xié)同處置污泥前有小幅增加，C2S檢測(cè)值增加值最大，為8.28%；C3S減少值最大，為8.0%，市政污泥協(xié)同處置后對(duì)水泥熟料品質(zhì)影響較小。表3水泥窯協(xié)同處置污泥前后水泥熟料化學(xué)成分對(duì)比4、結(jié)束語(yǔ)試驗(yàn)以含水率80%市政污泥為研究對(duì)象，采用間接干化的方式進(jìn)一步降低含水率，并對(duì)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢水進(jìn)行綜合收集處理。借助CFD模擬技術(shù)與水泥窯協(xié)同處置實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目相結(jié)合，干化污泥投加分解爐后，爐