小編說：總結了協同處置污泥對水泥窯設備運行工況、產品性能及污染物控制等方面的影響。對污泥水泥窯協同處置的項目規(guī)模、協同處置形式和發(fā)展趨勢進行了分析，最后提出了發(fā)展建議和展望。
1 協同處置污泥對水泥窯的影響
1.1 對熟料生產設備的影響
目前我國大部分項目的污泥處置量為100～600 t/d，進廠污泥含水率30%～80%，灰分40%～60%。污泥加入后對生料組分影響較小，但是當一些微量元素過量時對水泥窯的生產設備和熟料性質有負面影響。當原料中氯元素含量較多時，易在窯尾、風管和排風機等處生成低溫共熔物而結皮并堵塞通道；硫、氯、熔融組分能侵蝕耐火磚，降低保溫效果，導致生產不穩(wěn)定。
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(qū)間的熱負荷增加6%～10%，從穩(wěn)定分解爐操作狀態(tài)的角度考慮，需適當降低水泥窯系統的產量以保證水泥熟料的質量及污泥的徹底焚燒；重慶拉法基南山工廠發(fā)現，焚燒污泥時窯尾10 m內會結皮，當停燒污泥時結皮現象消失，通過增加預熱器通風可緩解結皮現象；北京水泥廠投加污泥導致分解爐出口煙氣溫度有所上升，而且污泥在爐內燃燒導致原有的溫度曲線發(fā)生變化，窯內物料的液態(tài)過早出現，導致出現結皮等現象；山東某水泥廠2017年接收污泥的氯離子含量達0.4%，易造成預熱器及下料管堵塞，降低水泥窯和水泥磨的運轉率；華新水泥（黃石）項目的經驗也表明，協同處置會令水泥熟料減產，當入窯水量為1 t時會導致熟料減產2 t，單窯熟料產量可由5 500 t/d下降至5 200 t/d。
1.2 對熟料礦物相及強度的影響
當污泥投加比例適度時，引入的微量元素在熟料燒結過程中起到了礦化和助熔的作用，改善了水泥生料的易燒性。一般情況下，污泥摻入量在1%～5%，可降低熟料中游離鈣（f-CaO）的含量。當污泥投加比例適度時，可提高水泥強度；當投加比例超過2%～2.5%時，水泥的早期強度將有所下降，原因可能是：污泥中SiO2在生料中的比例過高導致C2S（2CaO·SiO2）反應轉化為C3S（3CaO·SiO2）的比例下降，導致水泥強度發(fā)展緩慢、早期強度低；污泥中堿的過量存在能夠破壞熟料礦物的形成，使得水化過快，凝結時間變短，對熟料強度產生不利影響；污泥中過量的磷會促使C3S分解為CaO和α-C2S。
在廣州越堡項目中，2009年熟料3 d平均強度為33.2 MPa、28 d平均強度為60.8 MPa，處置污泥后沒有影響水泥熟料質量；萬安華新項目中，熟料強度下降不明顯，仍處于正常波動范圍之內（變動范圍<3%）。
1.3 對系統風量的影響
水泥窯是敏感的熱工系統，熱流、氣流及物料流的變化會打破系統本身的平衡。潘泂等以5 000 t/d規(guī)模水泥窯處理620 t/d污泥測算，因增加污泥喂料系統和污泥帶入的水分導致窯尾廢氣處理系統風量增加15%～20%?？紫榫甑纫蔡岢?，未完全干化污泥中的水分在水泥窯協同處置過程中蒸發(fā)時體積會大幅膨脹，給窯尾排風機帶來負面影響。
廣州越堡項目中，處理城市污泥后系統的總通風量增加幅度為5%～10%；處理城市污泥導致進入高溫風機的煙氣溫度增加5～10 ℃，工況風量隨著煙氣量和煙氣溫度的增加而增大，對熟料生產能力有較明顯的影響；山鋁、湖州等部分水泥廠協同處置含水率大于50%的污泥時，窯尾預熱器溫度上升5～20 ℃，窯尾高溫風機風量增加。
1.4 對系統能耗的影響
摻燒污泥時，污泥所含水分蒸發(fā)產生的煙氣量與為保證分解爐內足夠熱力強度而補充用煤增加的窯尾煙氣量相疊加，導致預熱器風速增加，系統阻力增大，預熱器換熱效率下降，進而導致窯系統的熱平衡及物料平衡的關系產生變化，導致高溫風機風量上升，窯尾預熱器的排氣溫度升高，系統的總熱耗增加。高長明通過分析北京金隅和廣州越堡的數據認為，污泥水泥窯協同處置系統中，水分的進入導致單位熟料熱耗增加3%～4%、電耗增加8%～12%；饒珊珊等發(fā)現污泥在窯尾煙室投加時，喂煤量保持不變的情況下，熟料的產量下降10%左右，折合燃煤量為310.1 kg/t濕污泥；湖州南方水泥有限公司利用5 000 t/d水泥熟料生產線協同處置200 t含水率80%污泥（單條生產線），統計燃煤量約150 kg/t濕污泥
經深度脫水或干化處理后，污泥可為水泥窯提供一定熱量。廣州越堡項目發(fā)現，隨著污泥含水率的波動，其對窯尾總熱量的貢獻率在1%～10%變化，2009年進廠污泥平均熱值（干基低位熱值）13.79 MJ/kg（1 MJ/kg=239.14 Kcal/kg），污泥干化過程中，熱值隨著有機物的減少而損失，實測每噸污泥（折合為80%含水率）可節(jié)省原煤170 kg；華新水泥（黃石）項目中，當入窯污泥含水率為50%時（熱值650 Kcal/kg），窯內熱值平衡；當含水率為80%時，每噸污泥需補煤120 kg（5 000 Kcal/kg）；根據萬安華新項目的經驗，污泥干基熱值為800～1 000 Kcal/kg且污泥含水率小于30%～40%時會節(jié)煤。
1.5 對煙氣中重金屬的影響
在各類重金屬中，高揮發(fā)性元素汞（Hg）主要凝結在窯灰上或隨煙氣帶走形成外循環(huán)和排放。有研究建議，污泥在水泥行業(yè)使用時汞含量不應超過0.5 mg/kg；荷蘭禁止含汞污泥在發(fā)電廠協同處置，同時也為水泥窯設定了汞的特殊限值。易揮發(fā)元素鉈（Tl）絕大部分滯留在預熱器內，少量可隨窯灰?guī)Щ馗G系統，隨廢氣排放的約占0.01%。
污泥中的其他重金屬對煙氣的達標排放影響較小。郭慶海等通過水泥窯協同處置石灰干化污泥，發(fā)現煙氣中重金屬濃度雖然有所提高，但是仍低于排放上限一個數量級；聶小琴等的小試表明，干化污泥協同處置時煙氣中的重金屬濃度僅提高10%～28%。
1.6 對煙氣中NOx的影響
在工程和試驗中均發(fā)現，污泥摻燒可降低水泥窯的NOx排放量，減少氨水投量。原因推測如下：污泥中的氨類、氰、烴根等還原性成分可將煙氣中的NOx還原成氮氣；污泥消耗氧氣或通過水煤氣反應形成CO，消耗NOx形成所需氧氣并還原NOx；污泥通過炭化作用生成活性炭，吸附或還原NOx。
廣州越堡項目發(fā)現，污泥干化后可作為脫硝材料使用，系統NOx排放值230 mg/Nm3（10%O2）；重慶拉法基南山工廠中，投加污泥后水泥窯煙氣的SO2含量無變化，NOx含量下降；華新水泥（黃石）項目中發(fā)現，處置RDF和污泥后NOx減排量可達20%～30%，可減少氨投加量70%；遵義拉法基項目投加RDF和污泥后，窯尾NOx和SO2排量會下降，NOx的減排效果更為明顯。
2 污泥水泥窯協同處置能力分析
2.1 水泥窯規(guī)模及變化
我國相關標準規(guī)范提出，污泥水泥窯協同處置宜在2 000 t/d及以上新型干法水泥熟料生產線上進行。不同規(guī)模的熟料生產線污泥處置能力如表1所示。
我國2016 年的水泥產量約占全世界產量的60%；據水泥協會公開數據顯示，截至2017年底，全國新型干法水泥生產線累計1 715條，設計年熟料產能達18.2億t，實際年熟料產能超過20億t。仍在運行的2 500 t/d以下的水泥熟料生產線目前比例為18%；2 500～5 000 t/d生產線最多，達到57%；5 000～10 000 t/d生產線占24%，高于10 000 t/d的生產線小于1%。
《水泥工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出，截至2017年，我國依托新型干法水泥窯技改建成或正在建設協同處置生活垃圾、城市污泥、產業(yè)危險廢棄物的水泥熟料生產線有100多條；雖然到2020年末我國將壓減水泥熟料產能20%（4億t），但水泥窯協同處置生產線占比將由2015年的3%提高至15%。
假設目前全國10%的水泥窯熟料產能可用于協同處置污泥，則每年有2億t熟料產能可供利用；按照脫水污泥與熟料產量比例為5%計算，每年2億t熟料產量可協同處置脫水污泥1 000萬t，約為我國污泥總產量的1/5。
2.2 協同處置形式
目前各類污泥水泥窯協同處置項目的脫水污泥處置能力總計超過6 000 t/d。部分中小城市的水泥窯協同處置設施以污泥窯尾直噴為主，污泥干化設施多為2010年前后建成并投入運營，2015年后建成的協同處置設施主要接收經深度脫水、干化或采用其他方式處理后的污泥，污泥含水率一般為30%～60%，單條生產線接收污泥量100～300 t/d居多。
預計新建污泥水泥窯協同處置設施將以接收深度脫水和干化污泥為主，單條生產線污泥處置規(guī)模一般為300 t/d以下。
2.3 協同處置發(fā)展趨勢
2.3.1 磷回收需求將影響污泥水泥窯協同處置的應用
目前部分國家對污水中磷回收的重視程度日益增強，由于無法回收污泥中的磷，污泥水泥窯協同處置可能因此受到影響。
德國的研究表明，從污水和污泥中提取的磷理論上可替代其60%的磷進口量。因此最新的德國污泥處置法規(guī)修訂稿提出污泥中磷含量超過20 g/kg時不得混合焚燒，應在熱處理前通過化學沉淀制備鳥糞石，污泥單獨焚燒產生的爐渣應作為肥料或單獨儲存以便后期回用做肥料。
應該說明的是，污泥處置方式與成本密切相關。發(fā)達國家用于污泥處置的費用較高，但是對于投資不足以支持諸如磷回收等技術的大多數國家而言，水泥窯協同處置將是一種安全而且環(huán)境友好的方案。
2.3.2 水泥行業(yè)碳減排的需求將促進污泥水泥窯協同處置的應用
水泥行業(yè)的碳排放占世界碳排放總量的5%，預計至2050年，世界水泥需求量將保持增長趨勢。采用替代能源可減少化石燃料的消耗，污泥水泥窯協同處置將有效減少碳排放，促進水泥行業(yè)的綠色轉型。
2.3.3 科學的決策方法將促進污泥水泥窯協同處置的應用
在當前技術經濟條件下，污泥水泥窯協同處置在很多情況下將是多目標分析推薦的最優(yōu)方案。Rolf等對瑞士污泥處置技術路線進行了多目標分析，發(fā)現“干化+水泥窯協同處置”的環(huán)境指標和經濟指標最優(yōu)，成本—效益分析得分最高；Vouk等對克羅地亞北亞德里亞地區(qū)的多種污泥處置方式進行了比較，發(fā)現污泥水泥窯協同處置是經濟性最佳的方案，也是經濟風險最低的方案。
3 建議及展望
3.1 建議
根據對水泥生產企業(yè)的調研結果，提出如下建議：
（1）建設循環(huán)經濟產業(yè)園，不同的污染企業(yè)可實現物質循環(huán)，形成產品-原料鏈條。
（2）建議政府協調各污泥處理水泥窯的檢修時間，避免污泥積壓。
（3）建議在嚴格監(jiān)管的基礎上，實現污泥的跨境處理，從而充分發(fā)揮水泥窯的處置潛力。
（4）企業(yè)和政府的責任劃分和付費主體應進一步明確。
（5）建議政府出臺污泥水泥窯協同處置優(yōu)惠政策，如污泥協同處置電價補貼。
3.2 展望
污泥水泥窯協同處置具有有機物分解徹底、二次污染少、環(huán)境與經濟效益顯著等特點；此技術在我國已經有近20年的研究與實踐，有多種類型的設施相繼投入使用并持續(xù)穩(wěn)定運行，充分證明其具有較高的可靠性。因此在當前污泥填埋、土地利用或其他資源化利用出路不順暢的情況下，污泥水泥窯協同處置不失為一種較好的選擇。
隨著環(huán)境治理程度的逐步深化、污泥處置管理工作的逐步規(guī)范，污泥水泥窯協同處置的優(yōu)勢將更加明顯、應用將更加普遍，污泥水泥窯協同處置將迎來高速發(fā)展階段。
致謝：本文為國家污泥處理處置產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟的專項課題“污泥在水泥窯協同焚燒調研”工作成果，感謝廣州市越堡水泥有限公司、重慶拉法基水泥有限公司、上海萬安華新水泥有限公司、北京水泥廠有限公司、華新環(huán)境工程（黃石）有限公司、遵義三岔拉法基瑞安水泥有限公司、安徽銅陵海螺水泥有限公司對現場調研活動的支持和指導。
特此聲明：
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