苑衛(wèi)軍楊征王輝韓明汝
（唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司河北唐山 063000）
摘要：對我國火電廠、水泥窯在污泥協(xié)同處置方面的基本情況進行了簡要介紹和分析，并對氣化爐、燒結(jié)窯爐和冶金高爐等爐窯在污泥協(xié)同處置方面的應(yīng)用技術(shù)進行了簡要介紹。指出我國火電廠和水泥窯協(xié)同處置能力較強，但由于經(jīng)濟效益問題，企業(yè)協(xié)同處置污泥的積極性不高，致使行業(yè)實際處理量遠小于其處理能力。同時指出氣化爐、燒結(jié)窯爐和冶金高爐等其他爐窯在協(xié)同處置工業(yè)污泥方面具有適用范圍廣、就地處置成本低等優(yōu)勢，需要對其進行擴展性、挖潛性研發(fā)。
關(guān)鍵詞：市政污泥；工業(yè)污泥；協(xié)同處置；火電廠；水泥窯；氣化爐；冶金爐窯
Sludge co-processing technology and application analysis
Yuan Weijun Yan Zheng Wang Hui Han Mingru
（Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd Tangshan Hebei 063000）
Abstract: This paper briefly introduces and analyzes the basic situation of coal-fired power plant and cement kiln in the co-disposal of sludge, and briefly introduces the application technology of sludge in co-processing of gasifier, sintering kiln and metallurgical blast furnace.Introduction.It is pointed out that China's thermal power plants and cement kiln have strong co-processing capabilities, but due to economic benefits, the enthusiasm of enterprises to co-process sludge is not high, resulting in the actual processing capacity of the industry is much smaller than its processing capacity.At the same time, it is pointed out that other furnaces such as gasifiers, sintering kiln and metallurgical blast furnaces have the advantages of wide application range and low in-situ disposal cost in co-processing industrial sludge, and need to be developed and tapped.
Key words: municipal sludge; industrial sludge; co-processing; thermal power plant; cement kiln; gasifier; metallurgical furnace
0引言
2016年全國生活用水量為821.6×109m3【1】，假設(shè)對全部生活污水進行處理，按照一般污水處理廠處理1萬噸生活污水產(chǎn)生污泥（含水80%）5-8噸計算，2016年全國污泥（含水80%）產(chǎn)生量約為4108-6573萬噸。除市政污泥外，我國每年還會產(chǎn)生大量的工業(yè)污泥，按照近年污水產(chǎn)量分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)推算，工業(yè)污泥的產(chǎn)生量約為市政污泥的40%左右。目前污泥處置技術(shù)主要包括填埋、好氧發(fā)酵農(nóng)用、天然干化綜合利用、焚燒處置等。受環(huán)境影響和土地資源兩方面的限制，污泥的焚燒和熱解等熱化學(xué)處理技術(shù)日益在歐、日等國家大力推廣應(yīng)用，在歐盟焚燒處置污泥的量2005年已占處置總量的10%以上，在日本焚燒處置污泥占污泥處置總量的比例2005年為55%，至2011年這一比例數(shù)據(jù)已增長為66.9%，相比之下，我國污泥焚燒處置量占比很少，僅占總處置量的2-3%【2,3】。
目前，我國市政（工業(yè)）污泥的熱化學(xué)處置應(yīng)用包括單獨焚燒和工業(yè)爐窯協(xié)同處置技術(shù)。相比而言，污泥的爐窯協(xié)同處置技術(shù)，在系統(tǒng)投資、運營成本以及處置規(guī)模方面都具有其獨到的優(yōu)勢。本文通過對火電廠、水泥窯以及氣化爐和冶金爐窯協(xié)同處置污泥技術(shù)應(yīng)用狀況深入分析，旨在拋磚引玉、拓寬思路，在解決現(xiàn)有協(xié)同處置應(yīng)用存在的技術(shù)及政策不足的同時，進一步拓展協(xié)同處置污泥的工業(yè)爐窯的種類和技術(shù)路線。
1我國火電廠與水泥窯協(xié)同處置
1.1火電廠與水泥窯協(xié)同處置能力
1.1.1火電廠協(xié)同處置能力分析
火電廠污泥摻燒會導(dǎo)致排煙熱損失以及灰渣和飛灰中碳的不完全燃燒熱損失增大，使鍋爐效率降低，并在一定程度上降低鍋爐的出力。當(dāng)污泥含水率較低并將摻燒比例控制在一定程度，特別是燃煤熱值較高時，摻燒污泥對鍋爐熱效率的影響較小。當(dāng)摻燒含水率為20-40%的干化或半干化污泥，其摻燒比例為3-5%時，污泥的摻燒對鍋爐熱效率的影響不大【4-7】。我國2016年用于發(fā)電的原煤消耗總量為182666萬噸【8】，假設(shè)污泥（含水率30%）的摻燒比例為3%時，全國火電廠原則上可以處理污泥量（含水率30%）為5694萬噸/年，折合成含水率80%的濕污泥為19929萬噸/年。
1.1.2 水泥窯協(xié)同處置能力分析
將摻燒污泥的含水率和摻燒比例控制在一定水平，污泥的摻燒對水泥窯系統(tǒng)和水泥熟料的性能基本不會產(chǎn)生影響。一般干燥污泥的發(fā)熱量約為 8.5-20MJ/kg，平均發(fā)熱量約為 13.69MJ/kg，根據(jù)污泥的實際發(fā)熱量，將污泥的含水率控制在 10%-30%之間，可以滿足污泥在水泥工業(yè)替代燃料各方面的要求【9】，對水泥窯的熱效率基本不會產(chǎn)生影響。當(dāng)污泥的摻入量控制在基準配合比生料總量的1%（污泥在熟料中的最大殘留值為0.88%）左右時，對水泥熟料性能也基本沒有影響【10】。
截止2016年底，中國（不含港澳臺）前50家大企業(yè)集團的水泥熟料設(shè)計年產(chǎn)能共計13.68億噸（占全國熟料總產(chǎn)能的75%）【11】。北京金隅水泥廠【12】生產(chǎn)熟料3200t/d，摻燒含水率35%的干化污泥，每天可處置濕污泥（含水率80%）500噸。依據(jù)此數(shù)據(jù)核算，年產(chǎn)13.68億噸水泥熟料，可協(xié)同處置濕污泥（含水率80%）約21375萬噸/年。
1.2 我國火電廠與水泥窯協(xié)同處置現(xiàn)狀
無論是我國的火電廠還是水泥窯，就其協(xié)同焚燒處置污泥的總能力而言，都遠遠大于我國每年區(qū)區(qū)幾千萬噸的污泥總量，但我國目前污泥的協(xié)同處置量卻非常有限。自2006年國家發(fā)改委批準了遼寧第一條水泥窯協(xié)同處置污泥生產(chǎn)線（年處置污泥58萬噸）后，許多地方也開始實施水泥窯協(xié)同處置污泥的工程計劃，目前利用水泥窯協(xié)同處置污泥的企業(yè)數(shù)量還相對較少，其處置污泥總量遠遠低于總污泥量的1%【13】。目前我國一些電廠利用循環(huán)流化床（CFB）焚燒發(fā)電和余熱干化后焚燒發(fā)電技術(shù)協(xié)同處置污泥，但其工程數(shù)量和處置總量非常有限。
我國協(xié)同處置污泥推廣緩慢的原因除了需要增加系統(tǒng)投資、濕污泥運輸、污泥干化冷凝液回收、惡臭廢氣處理等問題以外，其最主要的影響因素是污泥熱干化過程的能耗過大。目前，國內(nèi)火電廠和水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)一般采用余熱干化摻燒工藝。根據(jù)污泥干化熱源不同，污泥余熱干化又分為煙氣直接加熱和蒸汽間接加熱工藝。以煙氣為熱源的直接干化工藝，以帶式干化、轉(zhuǎn)鼓式干化和流化床干化技術(shù)為代表，干化過程產(chǎn)生的含水氣體與熱煙氣混合，必須對其進行脫臭等有效處理。以水蒸氣為熱源的間接干化工藝，以轉(zhuǎn)盤式干化、空心槳葉式干化、間接接觸回轉(zhuǎn)式干化和薄層干化技術(shù)為代表，干化過程干燥出的水分經(jīng)冷凝后返回污水處理廠，產(chǎn)生的惡臭廢氣混入鍋爐或水泥窯助燃風(fēng)進行爐內(nèi)焚燒處理，污泥干化過程產(chǎn)生的污染物處置比較徹底。但全過程處置成本較高，我國多數(shù)城市對市政污泥處置的政策性財政補貼約為200元/噸左右，不足以彌補企業(yè)協(xié)同處置污泥經(jīng)濟效益的損失。
如果現(xiàn)有火電廠和水泥窯污泥協(xié)同處置的巨大潛能得以釋放，則我國污泥處置無憂，但潛能完全釋放的首要條件是污泥干化技術(shù)的革命性創(chuàng)新，就目前狀況而言，強化政策性財政補貼是技術(shù)創(chuàng)新量變過程中必要手段。
2其他爐窯的協(xié)同處置技術(shù)
2.1 氣化爐協(xié)同處置
氣化爐協(xié)同處置污泥的工藝路線較多。章媛媛等【14】將煤氣站污水處理產(chǎn)生的污泥自然風(fēng)干至含水率60%后，與氣化用煤按照0.34%、1.0%和1.68%的比例摻混后加入魯奇氣化爐內(nèi)進行協(xié)同處置。結(jié)果顯示，按照以上比例摻混氣化，其生產(chǎn)工藝條件、能耗指標、產(chǎn)品質(zhì)量以及環(huán)境影響基本沒有變化。安徽華誼化工有限公司【15】將包括氣化廢水在內(nèi)的化工廢水污泥（含水率75%）與神府煤一起制成污泥煤漿用于多噴嘴水煤漿氣化爐氣化，煤漿中污泥含量為0.48-0.49%，污泥的添加不僅未影響氣化效果，而且還有效提高了煤漿的穩(wěn)定性。唐黎華等【17】利用工業(yè)污泥作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑按照污泥（干基）添加量2%、白泥添加量0.3%的比例，與無煙煤混合壓制污泥型煤，用于合成氨廠間歇氣化爐造氣。結(jié)果顯示，污泥型煤的型煤特性和氣化特性都相當(dāng)或優(yōu)于白泥型煤（5.5%白泥作為粘結(jié)劑），其氣化過程無二次污染產(chǎn)生。
煤制氣過程中，氣化物料的干燥、干餾熱解、還原氣化、氧化燃燒全部在氣化爐內(nèi)封閉環(huán)境中進行。入爐污泥所含的水分汽化轉(zhuǎn)入煤氣，然后隨煤氣冷卻冷凝后回入污水系統(tǒng)進行處理，污泥中的揮發(fā)份轉(zhuǎn)入煤氣，污泥中固定碳在爐內(nèi)經(jīng)過氧化還原轉(zhuǎn)化為煤氣，以上物質(zhì)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化無二次污染產(chǎn)生。污泥中的重金屬在氣化爐造氣過程中，有的會轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化到煤氣中，有的會以某種形態(tài)殘留在灰渣中，目前，就污泥熱處置過程中重金屬的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化問題的研究，主要集中在H2、CO2、N2和O2等介質(zhì)環(huán)境，不同反應(yīng)氣氛影響重金屬在高溫下產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和揮發(fā)方面。而污泥在氣化爐內(nèi)的熱干化、熱解、氣化區(qū)域全部為CO/H2還原氣氛，在以CO為主的高溫還原氣氛下，污泥重金屬的轉(zhuǎn)移和形態(tài)變化還有待于進一步研究。另外在氣化爐內(nèi)由熱干化、熱解、氣化、焚燒氧化和灰層氧化的五個區(qū)域，全部有相當(dāng)比例的水蒸氣參與，水蒸氣在高溫反應(yīng)區(qū)域?qū)ξ勰嘀亟饘俚挠绊懭绾?，也需要進一步進行研究?？傊?，污泥中的重金屬在氣化爐協(xié)同處置過程中的形態(tài)變化和轉(zhuǎn)移，相對單純的熱干化、熱解、氣化和焚燒更為復(fù)雜，需要在工業(yè)化試驗中進一步的檢測和分析。
2.2冶金爐窯協(xié)同處置
冶金爐窯協(xié)同處置污泥以燒結(jié)爐窯和高爐應(yīng)用較為典型。張壘等【17】對含鉻污泥燒結(jié)煉鐵協(xié)同處置過程進行了規(guī)?；囼灒Y(jié)果表明：當(dāng)鉻泥配入比例低于0.05%時，對燒結(jié)工況、燒結(jié)產(chǎn)品無顯著影響，污泥中的鉻元素通過燒結(jié)礦流向鐵水，協(xié)同處置過程無二次污染產(chǎn)生。鄒方敏等【18】將高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣（煙氣）凈化過程產(chǎn)生的污水污泥（含水率60-70%）作為原料配水，通過噴嘴均勻混入燒結(jié)配料中協(xié)同處置，泥漿中的水分、CaO和SiO2等得到了有效利用，取得了良好的經(jīng)濟效益。黃強等【19】將鋼絲繩污泥（鋼絲繩企業(yè)酸洗、磷化廢水處理后產(chǎn)生的污泥）與其他燒結(jié)原料、輔料充分混合，經(jīng)配料工序送至燒結(jié)工序制成塊狀燒結(jié)礦，合格的成品燒結(jié)礦流入高爐系統(tǒng)進行冶煉，最終制成鐵水。該生產(chǎn)性試驗表明，燒結(jié)礦產(chǎn)量1435t/d，鐵水產(chǎn)量1050t/d，在鋼絲繩污泥50t/d的配比下，利用燒結(jié)—高爐系統(tǒng)協(xié)同處置鋼絲繩污泥，對職業(yè)健康、環(huán)境保護、產(chǎn)品質(zhì)量的影響均在達標范圍之內(nèi)。
燒結(jié)和高爐等冶金類爐窯在協(xié)同處置重金屬含量較高的工業(yè)污泥方面，具有其獨有的優(yōu)勢，對其進行深入的試驗和研究有利于深化工業(yè)污泥的有效處置。陳坤等【20】根據(jù)鋼鐵企業(yè)的高溫廢渣、高溫廢氣和高溫廢水的特性，介紹了利用這些廢熱資源對污泥進行脫水干化的多種可能的技術(shù)路線，在此技術(shù)設(shè)想基礎(chǔ)上，進行分析比較，并結(jié)合其他冶金工藝節(jié)點的特點進行有效組合，有可能會產(chǎn)生一種新的污泥協(xié)同處置工藝路線。例如張建等【21】以焦油渣為粘結(jié)劑，添加2%的酚氰污水產(chǎn)生的生化污泥制成型煤，并利用該型煤在小焦爐進行了配煤煉焦試驗，結(jié)果表明：在配合煤中添加10%的該型煤煉焦，既可以對添加的污泥進行有效的熱解處置，同時又可以提高裝爐煤的堆密度并改善焦炭質(zhì)量。
類似氣化爐和冶金爐窯類的工業(yè)爐窯種類繁多，所涉及的工業(yè)領(lǐng)域廣泛，結(jié)合污泥特性和某些爐窯的工藝特點，開發(fā)更多工業(yè)爐窯協(xié)同處置污泥的工藝路線，有助于多渠道、低成本、就地化處置本企業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)污泥。
3 結(jié)語
我國污泥產(chǎn)量逐年增長，目前就污泥無害化熱處置技術(shù)的應(yīng)用和推廣而言，我國相對歐美日等發(fā)達國家還存在較大的差距。隨著我國環(huán)境治理力度的強化，污泥無害化熱處置，特別是爐窯協(xié)同處置技術(shù)開始受到重視。我國火電廠和水泥窯協(xié)同處置總體能力較強，但由于經(jīng)濟效益問題，企業(yè)協(xié)同處置污泥的積極性不高，致使行業(yè)實際處理量極為有限，這除了需要在經(jīng)濟補償方面強化政策支持力度以外，還需要在工藝技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化方面多做文章。氣化爐和燒結(jié)、高爐等其他爐窯在協(xié)同處置工業(yè)污泥方面具有適用范圍廣、就地處置成本低等優(yōu)勢，對其進行擴展性、挖潛性研發(fā)，有利于深化工業(yè)污泥的有效處置。
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第一作者
姓名：苑衛(wèi)軍（1968-），男，河北省霸州市，高級工程師，工程碩士，本科畢業(yè)于華北理工大學(xué)，從事工作內(nèi)容：煤炭氣化行業(yè)，研究方向：煤氣化工藝及設(shè)備，聯(lián)系電話： 13703243469， E-mail：2329081462@qq.com。
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