水泥窯協同處置市政污泥的試驗研究與應用

我國城鎮(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生量逐年增加，市政污泥中含有腐殖酸、雜環(huán)類化合物、揮發(fā)性異臭物、有機氟化物等，若處置不當，容易形成地下水、土壤二次污染等環(huán)境隱患。2020年以來，我國市政污泥總量達6?000~9?000萬t，如何取代以衛(wèi)生填埋和土地利用為主的傳統處置方式，實現市政污泥處置的無害化、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。國內市政污泥處置技術研究起步較早，自1960年起，市政污泥處置行業(yè)經歷了萌芽、緩慢發(fā)展和快速發(fā)展三大階段，期間公眾對污泥認知度較低，污泥處置不當引起的環(huán)境污染問題日益趨現，國家相關政策開始頻繁發(fā)布。2019年，國家出臺《城鎮(zhèn)污水處理方案（2019-2021年）》，重點提出將污水處理、污泥處置等生態(tài)環(huán)境問題，作為解決民生領域首要問題之一。2020年，發(fā)改委、住建部聯合發(fā)布《污水處理設施補短板方案》，指出加大財政支持力度，明確到2023年，縣級及以上城市設施能力基本滿足生活污水處理需求。2022年，國務院印發(fā)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，大力推行實施污水污泥資源化利用與無害化處置，倒逼污水處理企業(yè)重視污泥處置，加大污泥減量化技術的研發(fā)投入，推進市政污泥處置行業(yè)快速發(fā)展。1、水泥窯協同處置市政污泥發(fā)展現狀與技術優(yōu)勢1.1水泥窯協同處置的發(fā)展現狀水泥窯協同處置污泥在國外已有30多年的應用歷程，在眾多發(fā)達國家如美國、法國、英國、加拿大、日本等，得到廣泛認可和應用。美國采用焚燒方式處置占比全國產出約20%的污泥，其中采用水泥窯協同處置方式占比約6%；日本將全國產出約60%的污泥直接投入水泥窯進行協同焚燒處置。我國開展水泥窯協同處置技術研究起步較晚，于2013年相繼推出了《水泥窯協同處置工業(yè)廢物設計規(guī)范》《水泥窯協同處置固體廢物技術規(guī)范》等標準，為國內水泥窯協同處置污泥行業(yè)提供了標準化、規(guī)范化的要求。國內目前已建成約45條水泥窯協同處置市政污泥生產線，處置能力為320萬t左右，占比污泥產量約3.60%（如圖1）。潘泂等通過處置規(guī)模為600t/d市政污泥（含水率為60%）的項目現場試驗表明，濕污泥帶入窯內的水分，會導致窯尾廢氣處理系統風量增加15%~20%，嚴重影響水泥熟料生產能力；巢湖海螺水泥利用廠內5?000t/d水泥生產線，對深度脫水后含水率為60%市政污泥進行直噴式入窯，處置能力為600t/d，該處置方式會造成窯尾預熱器溫度上升10~20℃，使水泥窯燒成系統熱耗增加；越堡水泥通過自身6?000t/d水泥窯生產線，建設運行了含水率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，投加入水泥窯內進行焚燒，結果表明污泥對水泥熟料質量沒有造成任何影響。圖12021-2025年污泥產生量及水泥窯處置量占比預測我國眾多工程實踐項目表明，水泥窯可以在穩(wěn)定運行的條件下，協同處置市政污泥，但需要進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，降低燒成系統熱耗、廢氣處理量。污泥干化可將機械脫水后污泥含水率進一步降低至40%以下，大幅度減少污泥儲存和運輸量，近年來我國涌現出很多以節(jié)能環(huán)保為宗旨的新型污泥干化技術，但是大多處于試驗階段或使用條件限制，技術發(fā)展并不成熟，無法取代以水泥窯廠內余熱發(fā)電飽和蒸汽為熱源，對污泥進行間接干化的傳統手段。干化污泥投加入窯前，應借助CFD模擬技術，根據現場實際運行工況進行參數標定，以現場投加位置和投加量進行數值模擬分析，提高水泥窯協同處置市政污泥的準確性與生產效率，驗證水泥窯燒成系統的穩(wěn)定性。1.2水泥窯協同處置的技術特點及優(yōu)勢水泥窯協同處置市政污泥，既可以充分利用污泥的殘留熱值，實現資源化，又可以通過工業(yè)窯爐內高溫氣氛分解有機質、病原體，實現無害化，對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。相對于傳統衛(wèi)生填埋、土地利用等處置方式，水泥窯協同處置市政污泥具有以下明顯優(yōu)勢：（1）有機物分解徹底。水泥回轉窯是一個旋轉的筒體，一般直徑為3.0~5.0m，長度45~100m，焚燒空間很大，窯內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，不會因為少量廢物投入量和性質的變化，造成大的溫度波動而影響焚燒效果。（3）閉路生產下的污泥終端焚燒。市政污泥焚燒過程中產生的粉塵、灰分等，通過布袋收塵器收集后在回轉窯內再次進行煅燒。（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)境下經高溫固相反應生成復合型礦物，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）高度實現資源化利用目標。通過在水泥窯內焚燒，低含水率市政污泥具有自身熱值，可以作為替代燃料使用，同時污泥煅燒后產生的灰分也可收集后作為替代原料。2、水泥窯協同處置市政污泥試驗研究2.1工藝路線試驗以巢湖海螺水泥協同處置市政污泥項目為平臺，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，會造成水泥窯燒成系統窯尾煙氣量大、熱耗增加等影響，通過污泥干化進一步降低污泥含水率，能夠提高污泥自身熱值，作為水泥窯系統替代燃料，產生的廢氣可經篦冷機排至回轉窯內部焚燒凈化處置。因此，本項目對深度脫水后市政污泥進一步干化，再進行入窯焚燒處置，圖2為協同處置市政污泥工藝流程圖。圖2水泥窯協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，項目連續(xù)運行投加量為200t/d，干化熱源為水泥廠余熱發(fā)電飽和蒸汽，經減壓閥進入污泥干化機進行熱傳導，產生廢氣經旋風除塵器進入冷凝器進行凝結換熱，過程中冷凝廢水經明渠集中排至污水處理池，采用“調節(jié)池+氣浮+A/O”工藝處理達標后排放。廢氣則直接進入窯頭篦冷機，通過窯尾風機入回轉窯內焚燒。市政污泥干化后，通過螺旋輸送至分解爐投加管路，投加位置為分解爐三次風管上方500mm處。2.2CFD模擬市政污泥干化后，首先借助CFD數值模擬技術，標定水泥窯燒成系統實際運行參數，以設定投加位置、投加量及運行參數等條件，對投加入水泥窯分解爐內溫度場進行模擬分析，根據溫度場變化驗證污泥投加位置、投加量等條件，隨后進行污泥現場投加試驗，提高水泥窯協同處置市政污泥的準確性與生產效率，保證水泥窯燒成系統的穩(wěn)定運行，形成污泥作為水泥窯替代燃料的產品方案。2.2.1模型建立及數值計算方法分解爐幾何模型及網格劃分如圖3所示，分解爐由錐體、柱體、污泥入口、下料口等組成，模型網格劃分選用T-Grid非結構網格，并在混合相流動較為劇烈的區(qū)域進行網格加密，網格綜合間距為4~200mm，質量為0.4，網格獨立性及質量良好，湍流模型選用模擬采用Realizable（帶旋流修正）k-ε模型，并根據現場實際運行參數確定模擬邊界條件，見表1。2.2.2數值模擬結果分析通過標定項目實際運行參數，以三次風管上方500mm處為模擬投加位置，200t/d為模擬投加量，CFD數值模擬結果見圖4，分解爐底部物料出口截面溫度場基本呈均勻分布，無明顯梯度跳躍和回流區(qū)域，分解爐軸向z=0截面溫度場呈均布狀態(tài)，底部下料口由于煤粉進行燃燒反應，溫度呈梯度上升趨勢，最終出口平均溫度約為860℃，溫度場總體無明顯梯度變化，水泥窯燒成系統運行工況較為穩(wěn)定。圖3分解爐幾何模型及網格劃分表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、運行影響分析3.1冷凝廢水成分測定市政污泥干化過程中，飽和蒸汽對濕污泥進行間接傳熱，產生廢氣經旋風除塵器收集，隨后進入冷凝器進行換熱，產生冷凝廢水排至廠內污水處理廠，采用“調節(jié)池+氣浮+A/O”工藝處理，廢水處理后取樣檢測結果見表2，根據GB/T19923—2005《城市污水再生利用工業(yè)用水水質標準》，處理后冷凝廢水檢測項目全部滿足工業(yè)回用水質標準。表2冷凝廢水處理與回用水質標準對比3.2水泥熟料質量影響分析生產水泥所用部分原料的化學成分特性與市政污泥近似，水泥窯協同處置市政污泥具有焚燒法減容、減量化的特征，同時燃燒后的殘渣成為水泥熟料的一部分，不需要對焚燒灰進行填埋處置，是一種兩全其美的水泥生產途徑。以巢湖海螺市政污泥處置運行項目為例，含兩條新型干法熟料線，設計產量為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%，其成分波動的影響是有限的，對生料、熟料的化學成分及率值變化影響很小。水泥窯協同處置干化前后的水泥熟料質量對比數據見表3，在各項檢測指標中，SiO2、Fe2O3、Na2O、P2O5、SM、C2S、C4AF和R2O的檢測值較協同處置污泥前有小幅增加，C2S檢測值增加值最大，為8.28%；C3S減少值最大，為8.0%，市政污泥協同處置后對水泥熟料品質影響較小。表3水泥窯協同處置污泥前后水泥熟料化學成分對比4、結束語試驗以含水率80%市政污泥為研究對象，采用間接干化的方式進一步降低含水率，并對過程中產生的廢氣、廢水進行綜合收集處理。借助CFD模擬技術與水泥窯協同處置實際運行項目相結合，干化污泥投加分解爐后，爐