基于能量和質(zhì)量平衡的污泥對(duì)水泥窯的影響

范海宏，呂夢(mèng)琪，李斌斌

(西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710055)

0 引 言

隨著我國(guó)城市的發(fā)展，市政污水處理產(chǎn)生的污泥排放量大幅增加，2018年已達(dá)5 665萬(wàn)噸。目前我國(guó)污泥處置主要以填埋為主，其污泥消納能力、環(huán)保指標(biāo)、資源化利用等方面均不能滿足要求[1-4]。污泥水泥窯協(xié)同處置技術(shù)具有焚燒溫度高、處置徹底、灰渣直接利用、無(wú)二次污染[5-7]、一站式無(wú)害化處理的特點(diǎn)，是污泥無(wú)害化處置的方法之一，國(guó)內(nèi)外均有成熟的應(yīng)用案例[8-10]。

據(jù)報(bào)道，日本、瑞士和德國(guó)的污泥在水泥窯協(xié)同處置的比例分別為28.7%(2015年)、19%(2003年)和14.6%(2010年)[11-12]。我國(guó)目前也已建成水泥窯協(xié)同處置污泥的水泥熟料生產(chǎn)線30～40條[1-2]。如北京水泥廠[13]、廣州越堡水泥廠[14]、陜西聲威建材集團(tuán)[15]等水泥企業(yè)分別采用直接干化和間接干化的方式，以窯尾高溫廢氣為干燥熱源，將脫水污泥干化至低于35%，再加入窯尾系統(tǒng)內(nèi)焚燒；重慶富皇水泥有限公司[16]則將脫水污泥直接送至窯尾煙室焚燒；上海萬(wàn)安華新水泥有限公司則將深度脫水的污泥(含水率50%～55%)投至分解爐；華新水泥(武穴)有限公司將深度脫水污泥干化后再送至分解爐中部[1-2]。由于各個(gè)污水處理廠排放污泥的含水率和干基熱值不盡相同，水泥熟料生產(chǎn)線工藝和裝備條件也相差較大，加之污泥運(yùn)輸、城市環(huán)保要求等存在差別，各水泥生產(chǎn)線對(duì)入窯污泥的要求也不同。按照現(xiàn)有工程應(yīng)用情況，在不影響水泥熟料質(zhì)量的前提下，利用水泥窯協(xié)同處置方式處置的污泥會(huì)降低水泥的產(chǎn)量，增大生產(chǎn)線熟料燒成熱耗。

由于各地污泥的來(lái)源和組成相差較大，進(jìn)入水泥窯系統(tǒng)的含水率也不相同，水泥窯協(xié)同處置污泥系統(tǒng)的運(yùn)行狀況也不盡相同，很難總結(jié)出具有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論。文獻(xiàn)[17]僅從熱工平衡角度分析了污泥對(duì)熱工系統(tǒng)參數(shù)的影響，并未從水泥熟料燒成系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡方面進(jìn)行綜合分析。本文以水泥窯協(xié)同處置污泥系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)建立質(zhì)量和能量衡算方程，分析和預(yù)測(cè)污泥對(duì)系統(tǒng)廢氣量、燃煤消耗和熟料產(chǎn)量的影響。以期為水泥窯協(xié)同處置污泥工業(yè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

1 分析方法

以水泥窯燒成系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)包括預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯和冷卻機(jī)。在不改變系統(tǒng)熱工制度的前提下，污泥從分解爐底部加入系統(tǒng)。研究分別建立系統(tǒng)的質(zhì)量和熱量衡算方程，組成方程組，并給予相應(yīng)的初始條件和邊界條件，求解方程組，得到污泥對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的燃料消耗、熟料產(chǎn)量和廢氣量的影響情況。

1.1 系統(tǒng)流程

圖1為水泥窯協(xié)同焚燒污泥工藝圖(圖中廢氣為窯尾廢氣和窯頭余風(fēng)總和)，市政污泥從窯尾分解爐加入。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，研究假設(shè)污泥在分解爐中停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，以致水分蒸發(fā)和有機(jī)質(zhì)分解燃燒過(guò)程均在分解爐內(nèi)完成。水蒸氣和污泥焚燒煙氣全部成為窯尾廢氣的一部分，污泥焚燒灰渣與生料一起進(jìn)回轉(zhuǎn)窯燒成熟料。

圖1 水泥窯協(xié)同焚燒污泥系統(tǒng)圖Fig.1 System of co-processing sludge with cement kiln

1.2 衡算方程

正常運(yùn)行過(guò)程中，熱工系統(tǒng)穩(wěn)定，輸入和輸出系統(tǒng)物料平衡。以生產(chǎn)1 kg水泥熟料為物料基準(zhǔn)，0 ℃為溫度基準(zhǔn)，不考慮廢氣帶走飛灰量，則參加污泥前系統(tǒng)的質(zhì)量和能量衡算方程分別為式(1)和式(2)所示，摻加污泥后的分別為式(3)和式(4)所示。

ms0+mr0+mlk0=msh0+mg0

(1)

Qs0+Qr0+Qrr0+Qlk0=Qsh0+Qg0+Qs-sh0

(2)

ms+mr+mlk+msl=msh+mg

(3)

Qs+Qr+Qrr+Qlk+Qsl+Qslr=Qsh+Qg+Qw+Qww+Qslt+Qs-sh

(4)

式中:下標(biāo)0表示摻燒污泥前，無(wú)下標(biāo)0表示摻燒污泥后；ms為生料投加量，ms0=1.56msh，kg·h-1；mr為燃煤投加量，mr0=0.115msh，kg·h-1；mlk為入系統(tǒng)的空氣量，kg·h-1；msl為污泥量，kg·h-1；msh為熟料產(chǎn)量，kg·h-1；mg為系統(tǒng)廢氣量，mg0=2.5msh，kg·h-1；Qs為生料顯熱，kJ·h-1；Qr為燃煤顯熱，kJ·h-1；Qrr為燃煤燃燒放熱量，kJ·h-1；Qlk為空氣顯熱，kJ·h-1；Qsh為熟料顯熱，kJ·h-1；Qg為廢氣顯熱，kJ·h-1；Qs-sh為熟料形成熱，kJ·h-1；Qsl為污泥顯熱，kJ·h-1；Qslr為干污泥燃燒放熱量，kJ·h-1；Qw為污泥水分蒸發(fā)耗熱量，kJ·h-1；Qww為水蒸氣從100 ℃升溫至分解爐溫度吸收熱量，kJ·h-1；Qslt為污泥灰從100 ℃升溫至分解爐溫度吸收熱量，kJ·h-1。

1.3 水泥窯系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化

水泥窯協(xié)同處置污泥的前提是不能影響水泥熟料質(zhì)量，因此，在摻加污泥前后，窯尾燒成系統(tǒng)熱平衡不發(fā)生改變。研究中，污泥從分解爐底部加入，以分解爐溫度不發(fā)生改變作為燒成系統(tǒng)熱工平衡狀態(tài)不發(fā)生變化的表征。假設(shè)進(jìn)出分解爐的水泥生料和氣體的溫度均不發(fā)生改變。

污泥加入分解爐后，在分解爐溫度不改變的條件下，窯尾廢氣量、水泥熟料量、系統(tǒng)耗煤量和生料投加量均會(huì)發(fā)生改變。

(1)水泥熟料量

污泥加入分解爐后，污泥焚燒灰渣最終成為熟料一部分，使熟料量增加，增加量如式(5)所示。

m′sl-sh=msl×(1-Aw)×(1-Ahf)

(5)

式中：m′sl-sh為污泥焚燒灰引起的熟料變化量，kg·h-1；msl為污泥量，kg·h-1；Aw為污泥含水率，%；Ahf為干基污泥揮發(fā)分含量，%。

為維持系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡，需要改變系統(tǒng)生料的投加量，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)熟料產(chǎn)量產(chǎn)生影響，熟料變化量如式(6)所示。

m′s-sh=m′s×(1-Ags)

(6)

式中：m′s-sh為生料量變化引起的熟料變化量，kg·h-1；m′s為生料變化量，kg·h-1；Ags為生料燒失量，%。

根據(jù)衡算，得到窯尾廢氣量和生料投料量不發(fā)生改變條件下的水泥熟料量的變化率，分別為式(7)和式(8)所示。

(7)

η′s-sh=0.5×X×100

(8)

(2)生料投加量

污泥加入系統(tǒng)后，為維持熟料量不變化，需要改變生料投加量，其改變量如式(9)所示。

m′sh-s=msl×(1-Aw)×Ahf/(1-Ags)

(9)

式中：m′sh-s為系統(tǒng)熟料量不改變時(shí)的生料變化量，kg·h-1。

為維持窯尾廢氣量恒定，需要改變的生料投加量如式(10)所示。

(10)

式中：m′g-s為系統(tǒng)廢氣量不改變時(shí)的生料變化量，kg·h-1；Mgsl為污泥燃燒產(chǎn)生的廢氣量，kg·kg-1；Mgr為燃煤燃燒產(chǎn)生的廢氣量，kg·kg-1；qsfj為生料分解消耗熱量，kJ·kg-1；qr為標(biāo)煤低位熱值，kJ·kg-1。

根據(jù)衡算，得到窯尾廢氣量和熟料量不發(fā)生改變條件下的生料量的變化率，分別為式(10)和式(11)所示。

(11)

η′s=0.493 1×X×100

(12)

式中:η′g-s為窯尾廢氣量不改變時(shí)的生料變化率，%;η′s為熟料量不發(fā)生改變時(shí)的生料變化量，%。

(3)燃煤消耗量

具有一定熱值的污泥加入分解爐，會(huì)對(duì)其溫度產(chǎn)生影響，為了維持其溫度恒定，必須改變?nèi)济毫浚淖兞咳缡?13)所示。

m′r-r=(Qslr-Qw-Qww-Qslt)/qr

(13)

式中：m′r-r為維持分解爐穩(wěn)定需要改變的燃煤量，kg·h-1。

另外，為保持廢氣量和熟料量不變化，在污泥加入后，需要對(duì)生料投加量加以調(diào)整，進(jìn)而會(huì)影響到分解爐熱平衡，因此也需要對(duì)分解爐投煤量予以調(diào)整，其變化量如式(14)所示。

m′s-r=m′s×qsfj/qr

(14)

式中：m′s-r為因生料量改變而改變的燃煤量，kg·h-1。

根據(jù)衡算，得到窯尾廢氣量、熟料量和生料投料量不發(fā)生改變條件下的燃煤的變化率，分別為式(15)～式(17)所示。

(15)

(16)

(17)

式中：η′g-r為窯尾廢氣量恒定時(shí)燃煤變化率，%；η′sh-r為熟料量恒定時(shí)的燃煤變化率，%；η′s-r為生料投料量不發(fā)生改變時(shí)的燃煤變化率，%。

(4)窯尾廢氣量

窯尾廢氣量的變化源于以下四個(gè)因素：①污泥中水分蒸發(fā)成為水蒸氣，水蒸氣量為msl×Aw；②干污泥燃燒產(chǎn)生煙氣量msl×(1-Aw)×Mgsl；③為維持熟料量或廢氣量穩(wěn)定而改變的生料分解所放出廢氣量m′s×Ags；④為維持分解爐溫度恒定而改變的燃煤燃燒所放出的煙氣量m′r×Mgr。

根據(jù)衡算，得到窯熟料量和生料投料量不發(fā)生改變條件下的廢氣量的變化量，分別為式(18)和式(19)所示。

(18)

(19)

式中：η′sh-g為熟料量不改變時(shí)的廢氣變化率，%；η′s-g為生料投料量恒定時(shí)的廢氣變化率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥對(duì)熟料產(chǎn)量的影響

(1)窯尾廢氣量恒定

圖2是在保持窯尾廢氣量恒定的前提下，污泥含水率和污泥干基摻燒比對(duì)系統(tǒng)熟料產(chǎn)量增加率的影響?？梢钥闯?，圖中熟料增產(chǎn)率均為負(fù)值，說(shuō)明系統(tǒng)廢氣量一定時(shí)，污泥使熟料產(chǎn)量減少，圖中負(fù)的增產(chǎn)率即為減產(chǎn)率。隨著污泥含水率的增加，熟料減產(chǎn)率不斷增大；隨著污泥干基摻燒比的提高，熟料減產(chǎn)率也不斷增大。

圖2 廢氣量恒定條件下污泥含水率和干基摻燒比對(duì)熟料增產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the clinker growth rate under constant waste gas volume

如果以熟料增加率為-20%，即減產(chǎn)率為20%作為企業(yè)可接受的減產(chǎn)最大限值，分析圖2就可以得到在確保污泥廢氣量不改變的條件下，水泥熟料燒成系統(tǒng)對(duì)所處理的污泥在含水率和干基摻燒比方面的要求。

圖2(a)中，對(duì)于干基熱值為10 000 kJ·kg-1的污泥而言，干基摻燒比X小于0.03時(shí)，所能處理的污泥含水率只要不高于80%，熟料減產(chǎn)率均不會(huì)超過(guò)20%的可接受標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于含水率不高于70%的污泥，摻燒比X只要不大于0.05，熟料減產(chǎn)率處于20%以下。

分析圖2(b)中干基熱值為6 000 kJ·kg-1的污泥影響情況，可以看出，含水率小于65%的污泥，其干基摻燒比只要不大于0.05，熟料減產(chǎn)率均低于20%。干基摻燒比為0.04時(shí)，可處理污泥的最大含水率為70%；摻燒比低于0.03(不包括0.03)時(shí)，污泥含水率只要不高于80%，熟料減產(chǎn)率均不會(huì)超過(guò)20%。

綜上所述：在干基摻燒比相同的前提下，污泥干基熱值越大，能處理的污泥含水率越大；當(dāng)污泥含水率不發(fā)生改變時(shí)，污泥干基熱值越大，干基摻燒比也越大；基于污泥干基熱值和含水率，控制污泥摻燒比X的范圍，或者基于干基熱值和摻燒比控制含水率的范圍，均可將減產(chǎn)率控制在一定的可接受范圍之內(nèi)。這對(duì)于水泥窯尾協(xié)同處置污泥具有直接的指導(dǎo)意義。

(2)生料投料量恒定

圖3為水泥生料量恒定不變的條件下，污泥干基摻燒比對(duì)熟料增產(chǎn)率的影響?？梢钥闯?，熟料增產(chǎn)率僅與摻燒比有關(guān)，隨著摻燒比的增大，熟料增產(chǎn)率線性增大。

圖3 生料投料量不改變時(shí)污泥干基摻燒比對(duì)熟料增產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of dry base mixing proportion of sludge on the clinker growth rate under constant crude material quantity

2.2 污泥對(duì)系統(tǒng)煤耗的影響

(1)廢氣量恒定

圖4為窯尾廢氣量恒定時(shí)，污泥在不同干基摻燒比下的系統(tǒng)燃煤增加率情況。總體上看，在廢氣量保持不變的前提下，摻加污泥后，系統(tǒng)燃煤增加率均小于0%，說(shuō)明比不摻加污泥的耗煤量低，即污泥的加入可節(jié)約燃煤量；在一定的污泥干基摻燒比下，隨著所處理污泥含水率的增大，燃煤增加率的負(fù)值越大，即耗煤量越低；污泥含水率不改變時(shí)，干基摻燒比越大，燃煤增加率的負(fù)值越大，耗煤量越低。

從圖4(b)可以看出，對(duì)于干基熱值6 000 kJ·kg-1的污泥，含水率為30%時(shí)，以摻燒比0.05加入系統(tǒng)的燃煤增加率為-5.08%，而摻燒比0.01時(shí)的燃煤增加率為-1.02%。當(dāng)含水率增大到80%時(shí)，摻燒比0.05和0.01所對(duì)應(yīng)的燃煤增加率分別為-9.01%和-1.80%。

圖4 廢氣量恒定條件下污泥含水率和干基摻燒比對(duì)燃煤增加率的影響Fig.4 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the coal consumption growth rate under constant waste gas volume

圖4(a)中干基熱值10 000 kJ·kg-1的污泥加入系統(tǒng)的情況則略有不同。含水率為30%時(shí)，摻燒比0.05和0.01所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的燃煤增加率分別為-2.36%和-0.47%，當(dāng)含水率增大到80%時(shí)，對(duì)應(yīng)的燃煤增加率則改變?yōu)?6.29%和-1.26%。

(2)熟料產(chǎn)量恒定

保持系統(tǒng)熟料產(chǎn)量不改變，污泥對(duì)燃煤增加率的影響如圖5所示。燃煤增加率隨著污泥含水率的增大而增大，隨著污泥干基摻燒比的增大而減小。在燃煤增加率隨著污泥干基摻燒比變化過(guò)程中，在一定含水率處相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)處的增加率為0%，將此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水率稱(chēng)為臨界含水率。含水率低于臨近含水率時(shí)，系統(tǒng)耗煤量減少，高于臨界含水率，則耗煤量增加。

對(duì)比圖5(a)和(b)可以看出，干基熱值10 000 kJ·kg-1的污泥，臨界含水率為80%，而熱值6 000 kJ·kg-1的污泥，對(duì)應(yīng)臨界含水率為70%。說(shuō)明污泥臨界含水率隨著污泥干基熱值的增大而增大。

圖5 熟料產(chǎn)量恒定時(shí)污泥含水率和干基摻燒比對(duì)燃煤增產(chǎn)率的影響Fig.5 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the coal consumption growth rate under constant clinker output

本文將5%作為燃煤增加率的限值，則圖4中除了熱值6 000 kJ·kg-1且含水率80%的污泥，在摻燒比為0.05時(shí)，其燃煤增加率高于此限值以外，其它所有含水率、摻燒比的污泥在系統(tǒng)中摻燒時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)超出此限值的情況。

(3)生料投料量恒定

圖6為生料投料量恒定時(shí)燃煤增加率的變化情況，可以看出，與熟料量恒定時(shí)的情況相似，即燃煤增加率隨著污泥含水率的增大而增大，隨著污泥干基摻燒比的增大而減小，唯一區(qū)別的是臨界含水率稍小。圖6(a)中熱值10 000 kJ·kg-1的污泥對(duì)應(yīng)的臨界含水率為77%，而圖6(b)中熱值6 000 kJ·kg-1的污泥對(duì)應(yīng)的臨界含水率為65%。

圖6 生料投料量恒定時(shí)污泥含水率和干基摻燒比對(duì)燃煤增加率的影響Fig.6 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the coal consumption growth rate under constant crude material quantity

2.3 污泥對(duì)系統(tǒng)廢氣量的影響

(1)熟料產(chǎn)量恒定

圖7(a)和(b)分別為干基熱值10 000 kJ·kg-1和6 000 kJ·kg-1的污泥加入水泥窯系統(tǒng)后，在保持熟料產(chǎn)量恒定的條件下污泥對(duì)窯尾廢氣量的影響?？梢钥闯?，廢氣量隨著污泥含水率和干基摻燒比的增加而增大。

圖7 熟料量恒定時(shí)污泥含水率和干基摻燒比對(duì)廢氣量增加率的影響Fig.7 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the waste gas volume growth rate under constant clinker output

以10%作為窯尾廢氣量增加率的限值，圖7中，對(duì)于熱值10 000 kJ·kg-1和6 000 kJ·kg-1的污泥而言，除含水率80%且摻燒比0.05外，其它各摻燒比和含水率下的污泥對(duì)系統(tǒng)廢氣量增加率的影響均在10%的限值以?xún)?nèi)。尤其污泥含水率低于70%時(shí)，只要保證摻燒比在0.008～0.05的范圍內(nèi)，廢氣量增加率均遠(yuǎn)低于10%的限值。

(2)生料投料量恒定

圖8為生料量恒定時(shí)污泥對(duì)窯尾廢氣量的影響，與熟料量恒定時(shí)的結(jié)果相類(lèi)似，廢氣量隨著污泥含水率和干基摻燒比的增加而增大。

圖8 生料投料量恒定時(shí)污泥含水率和干基摻燒比對(duì)廢氣量增產(chǎn)率的影響Fig.8 Effect of water content and dry base mixing proportion of sludge on the waste gas volume growth rate under constant crude material quantity

由圖8(a)可以看出，對(duì)于熱值10 000 kJ·kg-1且含水率80%的污泥，如果以摻燒比0.05加入窯系統(tǒng)，系統(tǒng)廢氣量增加率達(dá)到11.4%，超過(guò)限值。而以低于0.04的摻燒比加入，廢氣量增加率均不會(huì)超出限值。

分析圖8(b)，摻燒熱值6 000 kJ·kg-1且含水率80%的污泥,摻燒比0.05時(shí)，廢氣量增加率為13.1%，超過(guò)限值，摻燒比為0.04時(shí)，增加率為10.4%，也超過(guò)限值，以低于0.03的摻燒比摻燒時(shí)，增加率均遠(yuǎn)低于限值。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)污泥含水率低于70%時(shí)，只要保證摻燒比在0.008～0.05的范圍內(nèi)，廢氣量增加率均遠(yuǎn)低于10%的限值；在保持生料量不改變的前提下，無(wú)論污泥含水率多大，只要污泥干基摻燒比不高于0.03，窯尾廢氣量增加率均不會(huì)超出10%的限值。

窯尾廢氣量增加率不超過(guò)10%的限值，意味著窯尾高溫風(fēng)機(jī)電耗增加率不超過(guò)10%。

3 結(jié) 論

(1)利用系統(tǒng)質(zhì)量和能量衡算，推導(dǎo)出污泥含水率、污泥熱值、污泥摻燒比等參數(shù)與水泥熟料產(chǎn)量、廢氣量和生料投料量增加率之間的關(guān)系式。

(2)系統(tǒng)廢氣量恒定時(shí)，摻加污泥會(huì)使熟料產(chǎn)量和燃煤量減少，且隨著污泥含水率和摻燒比的增加，熟料減產(chǎn)率和燃煤減少率增大；對(duì)于干基熱值10 000 kJ·kg-1且含水率不高于70%的污泥，只要摻燒比不大于0.05，熟料減產(chǎn)率均低于10%的限值。

(3)生料投料量恒定時(shí)，熟料增產(chǎn)率僅與摻燒比有關(guān)，且隨著摻燒比的增大，熟料增產(chǎn)率線性增大。

(4)生料投料量或熟料產(chǎn)量恒定時(shí)，燃煤增加率隨著污泥含水率的增大而增大，隨著污泥干基摻燒比的增大而減小。熟料產(chǎn)量恒定時(shí)，除了熱值6 000 kJ·kg-1且含水率80%的污泥，在摻燒比為0.05時(shí)，其燃煤增加率高于5%限值以外，其它所有含水率、摻燒比的污泥在系統(tǒng)中摻燒時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)超出此限值的情況。

(5)熟料產(chǎn)量恒定時(shí)，廢氣量隨著污泥含水率和干基摻燒比的增加而增大。除含水率80%且摻燒比0.05外，其它各摻燒比和含水率下的污泥對(duì)系統(tǒng)廢氣量增加率的影響均在10%的限值以?xún)?nèi)。