污泥協(xié)同處置技術及應用分析

苑衛(wèi)軍 楊征 王輝 韓明汝

(唐山科源環(huán)保技術裝備有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

我國每年產生大量的市政和工業(yè)污泥，按照近年污水產量分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)推算，工業(yè)污泥的產生量約為市政污泥的40%左右[1]。污泥處置技術主要包括填埋、好氧發(fā)酵農用、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處理技術在歐、日等國家得到大力推廣應用，歐盟、日本焚燒處置污泥量2005年分別占處置總量的38%，55%以上，而我國污泥焚燒處置量占比很少，僅占總量的2%～3%[1]。

目前，我國市政(工業(yè))污泥的熱化學處置應用包括單獨焚燒和工業(yè)爐窯協(xié)同處置技術。相比而言，污泥的爐窯協(xié)同處置技術，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)同處置污泥技術應用狀況深入分析，旨在拋磚引玉、拓寬思路，在研究現(xiàn)有協(xié)同處置應用存在的技術及政策不足的同時，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出力。當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。當摻燒含水率為20%～40%的干化或半干化污泥，摻燒比例為3%～5%時，污泥摻燒對鍋爐熱效率的影響不大[2-3]。我國2016年用于發(fā)電的原煤消耗總量為182 666萬t[4]，假設污泥(含水率30%)的摻燒比例為3%，全國火電廠原則上可以處理污泥量(含水率30%)為5 694萬t/a，折合成含水率80%的濕污泥為19 929萬t/a。

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生影響。一般干燥污泥的發(fā)熱量約為8.5～20 MJ/kg，平均發(fā)熱量約為13.69 MJ/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[5]，對水泥窯的熱效率基本不會產生影響。當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[6]。

截至2016年底，中國(不含港澳臺)前50家大企業(yè)集團的水泥熟料設計年產能共計13.68億t(占全國熟料總產能的75%)[7]。北京金隅水泥廠[8]生產熟料3 200 t/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 t。依據(jù)此數(shù)據(jù)核算，年產13.68億t水泥熟料，可協(xié)同處置濕污泥(含水率80%)約21 375萬t/a。

1.2 我國火電廠與水泥窯協(xié)同處置現(xiàn)狀

我國無論是火電廠還是水泥窯，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)同處置污泥生產線(年處置污泥58萬t)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%[9]。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，最主要的影響因素是污泥熱干化過程的能耗過大。目前，國內火電廠和水泥窯協(xié)同處置污泥技術一般采用余熱干化摻燒工藝，根據(jù)污泥干化熱源不同，又分為煙氣直接加熱和蒸汽間接加熱工藝。煙氣為熱源的直接干化工藝，以帶式、轉鼓式和流化床干化技術為代表，干化過程產生的含水氣體與熱煙氣混合，必須進行脫臭等有效處理。水蒸氣為熱源的間接干化工藝，以轉盤式、空心槳葉式、間接接觸回轉式和薄層干化技術為代表，干燥出的水分經冷凝后返回污水處理廠，產生的惡臭廢氣混入鍋爐或水泥窯助燃風進行爐內焚燒處理，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/t左右，不足以彌補企業(yè)協(xié)同處置污泥經濟效益的損失。

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創(chuàng)新量變過程中的必要手段。

2 其他爐窯的協(xié)同處置技術

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[10]將煤氣站污水處理產生的污泥自然風干至含水率60%，與氣化用煤按0.34%，1.0%和1.68%的比例摻混后加入魯奇氣化爐內進行協(xié)同處置，結果顯示，按照以上比例摻混氣化，其生產工藝條件、能耗指標、產品質量及環(huán)境影響基本沒有變化。安徽華誼化工有限公司將包括氣化廢水在內的化工廢水污泥(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[11]。唐黎華等[12]利用工業(yè)污泥作為粘結劑，粘結劑按污泥(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。結果顯示，污泥型煤的型煤特性和氣化特性都相當或優(yōu)于白泥型煤(5.5%白泥作為粘結劑)，其氣化過程無二次污染產生。

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封閉環(huán)境中進行。入爐污泥所含的水分汽化轉入煤氣，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)份轉入煤氣，污泥中固定碳在爐內經過氧化還原轉化為煤氣，以上物質的轉移轉化無二次污染產生。污泥中的重金屬在氣化爐造氣過程中，有的會轉移和轉化到煤氣中，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移和轉化問題的研究，主要集中在H2,CO2,N2和O2等介質環(huán)境，不同反應氣氛影響重金屬在高溫下產物的轉化和揮發(fā)方面。而污泥在氣化爐內的熱干化、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，污泥重金屬的轉移和形態(tài)變化還有待進一步研究。另外，在氣化爐內由熱干化、熱解、氣化、焚燒氧化和灰層氧化的5個區(qū)域，全部有相當比例的水蒸氣參與，水蒸氣在高溫反應區(qū)域對污泥重金屬的影響如何，也需要進一步進行研究?？傊勰嘀械闹亟饘僭跉饣癄t協(xié)同處置過程中的形態(tài)變化和轉移，相對單純的熱干化、熱解、氣化和焚燒更為復雜，需要在工業(yè)化試驗中進一步檢測和分析。

2.2 冶金爐窯協(xié)同處置

冶金爐窯協(xié)同處置污泥以燒結爐窯和高爐應用較為典型。張壘等[13]對含鉻污泥燒結煉鐵協(xié)同處置過程進行了規(guī)?；囼?，結果表明：當鉻泥配入比例低于0.05%時，對燒結工況、燒結產品無顯著影響，污泥中的鉻元素通過燒結礦流向鐵水，協(xié)同處置過程無二次污染產生。鄒方敏等[14]將高爐和轉爐煤氣(煙氣)凈化過程產生的污水污泥(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，取得了良好的經濟效益。黃強等[15]將鋼絲繩污泥(鋼絲繩企業(yè)酸洗、磷化廢水處理后產生的污泥)與其他燒結原料、輔料充分混合，經配料工序送至燒結工序制成塊狀燒結礦，合格的成品燒結礦流入高爐系統(tǒng)進行冶煉，最終制成鐵水。該生產性試驗表明，燒結礦產量1 435 t/d，鐵水產量1 050 t/d，在鋼絲繩污泥50 t/d的配比下，利用燒結-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、產品質量的影響均在達標范圍之內。

燒結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[16]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路線，在此技術設想基礎上，進行分析比較，并結合其他冶金工藝節(jié)點的特點進行有效組合，有可能會產生一種新的污泥協(xié)同處置工藝路線。例如張建等[17]以焦油渣為粘結劑，添加2%的酚氰污水產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，同時可以提高裝爐煤的堆密度并改善焦炭質量。

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)領域廣泛，結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)產生的工業(yè)污泥。

3 結語

我國污泥產量逐年增長，目前就污泥無害化熱處置技術的應用和推廣而言，我國相對歐美日等發(fā)達國家還存在較大差距。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，這除了需要在經濟補償方面強化政策支持力度以外，還需要在工藝技術的創(chuàng)新優(yōu)化方面多做文章。氣化爐和燒結、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，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。