市政污泥作為水泥窯低碳能源的工業(yè)應(yīng)用研究

摘要：市政污泥是一種存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的二次資源，若未能低成本實(shí)現(xiàn)無害化、資源化、能源化利用，則容易引發(fā)環(huán)境問題。本文開發(fā)設(shè)計(jì)市政污泥作為水泥窯低碳能源的應(yīng)用系統(tǒng)，研究市政污泥作為水泥窯低碳能源的可行性和優(yōu)越性，分析污泥成分、熱值對(duì)煤粉制備系統(tǒng)和水泥窯系統(tǒng)熱工制度的影響。結(jié)果表明，污泥與原煤聯(lián)合粉磨制成混合燃料粉，經(jīng)高溫煅燒后，可消除有毒有害氣體。污泥配入量為原煤量的30%時(shí)，煤磨系統(tǒng)及燒成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量波動(dòng)較小，此時(shí)綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳。此外，污泥含水率越低，制成混合燃料粉時(shí)，煤粉燃燒性能改善越顯著，標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低越明顯。工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)成功后，正常運(yùn)行期間，最高節(jié)煤率達(dá)8.9%，節(jié)煤率由于煤質(zhì)差異波動(dòng)變化，但一般保持在4%～8%。

關(guān)鍵詞：低碳能源；脫水干燥；混合燃料粉；資源化利用；熱工檢測

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）08-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.008

Research on Industrial Application of Municipal Sludge as Low-Carbon Energy in Cement Kilns

HUANG Bo， YIN Xiaolin， ZHAO Haiyang， ZHANG Zhanfeng

（Changsha Zichen Technology Development Co.， Ltd.， Changsha 410000， China）

Abstract： Municipal sludge is a secondary resource that poses environmental risks， if it cannot be used at a low cost for harmless， resourceful， and energy-efficient purposes， it can easily lead to environmental problems. This paper develops and designs an application system for municipal sludge as a low-carbon energy in cement kilns， studies the feasibility and superiority of municipal sludge as a low-carbon energy in cement kilns， and analyzes the impact of sludge composition and calorific value on the coal powder preparation system and thermal system of cement kiln system. The results show that the combined grinding of sludge and raw coal to produce mixed fuel powder can eliminate toxic and harmful gases after high-temperature calcination. When the amount of sludge added is 30% of the raw coal amount， the coal mill system and firing system operate stably， and the fluctuation of the power generation capacity of the waste heat power generation system is relatively small， at this time， the comprehensive economic benefits are the best. In addition， the lower the moisture content of sludge， the more significant the improvement in the combustion performance of coal powder and the more significant the reduction in standard coal consumption when making mixed fuel powder. After successful industrial application experiments， during normal operation， the highest coal saving rate reaches 8.9%， and the coal saving rate fluctuates due to differences in coal quality， but generally remains at 4%～8%.

Keywords： low-carbon energy; dehydration and drying; mixed fuel powder; resource utilization; thermal testing

隨著我國污水處理技術(shù)的革新和污水處理行業(yè)的快速壯大，污泥產(chǎn)生量不斷增高，因而污泥的大規(guī)模無害化消納已經(jīng)成為亟待解決的重點(diǎn)環(huán)境問題。數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，國內(nèi)建成且投入運(yùn)行的污水處理廠有4 000余座，污水處理能力達(dá)2.02億m3/d。

若按處理1萬m3生活污水產(chǎn)生5～8 t（含水率80%）污泥計(jì)，則產(chǎn)生的污泥量超過4 500萬t/a[1]。污泥作為污水處理的終端產(chǎn)物，其含有大量的有毒有害物質(zhì)，如病原體、重金屬和持久性有機(jī)物等，而其中接近80%的污泥沒有得到無害化、穩(wěn)定化處置，極易造成環(huán)境二次污染[2]。目前，較為先進(jìn)的污泥處理方法是設(shè)置污泥專用烘干設(shè)備，利用火電廠或水泥廠等廢氣余熱，先將脫水污泥烘干（減量化），再通過焚燒處理干污泥[3-5]。但這種處理技術(shù)存在一定缺陷，尤其是廢氣污染問題棘手，處理難度高，二次污染大。

我國電力、建材等行業(yè)的用煤是動(dòng)力煤消費(fèi)中最主要的部分，2021年，我國動(dòng)力煤消費(fèi)量超40億t，其中電力行業(yè)動(dòng)力煤消耗量為22.5億t，占動(dòng)力煤總消費(fèi)量的56.25%。建材行業(yè)也是一個(gè)動(dòng)力煤消耗量較高的行業(yè)，以水泥熟料生產(chǎn)行業(yè)為例，一條5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線每年需要耗煤24萬～30萬t，而當(dāng)前我國水泥實(shí)際產(chǎn)能高達(dá)35億t。能源是影響工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)成本的重要因素，產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的水泥建材行業(yè)也面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此市政污泥作為水泥窯低碳能源的工業(yè)應(yīng)用研究顯得尤為重要。

1 市政污泥作為水泥窯低碳能源利用的難題

污泥能源化利用難度大，主要原因是其具有高保水能力的絮凝結(jié)構(gòu)，難以脫水干燥。現(xiàn)有的污泥烘干線實(shí)踐顯示，將含水率約80%的脫水污泥烘干至含水率為40%左右的干化污泥，烘干煤耗約為1噸原煤/噸污泥[6-7]。目前，市政污泥作為水泥窯低碳能源利用時(shí)依然存在一些難題。

一是干化/干燥難，同步干燥粉磨難。以何種節(jié)能方式快速干燥污泥，或同步快速干燥粉磨污泥與原煤制成混合燃料粉，如何在水泥窯系統(tǒng)中快速干化污泥實(shí)現(xiàn)清潔燃燒是工業(yè)化應(yīng)用中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。二是燃盡率低。被泥質(zhì)化的有機(jī)質(zhì)、高內(nèi)水菌團(tuán)或生物細(xì)胞高內(nèi)水有機(jī)質(zhì)難燃，影響煤粉燃燒。三是存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)。污泥含有大量的病原體、硫化氫、硫醚及硫醇等污染物，存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，工藝技術(shù)須消除燃燒產(chǎn)生的污染風(fēng)險(xiǎn)[8]。四是可能造成重金屬污染。污泥含有較多難降解的有毒有害物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)污染物、病原微生物等，若未得到安全處置，將會(huì)對(duì)我國生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的威脅[9-10]。為消除可能的重金屬污染，工藝技術(shù)須以可靠方式固化污泥中的重金屬。五是水泥窯系統(tǒng)煤粉的燃燒性能偏差。水泥企業(yè)從燃煤來源及經(jīng)濟(jì)性考慮，一般選用量大價(jià)低的燃燒性能不太理想的燃煤，導(dǎo)致不完全燃燒熱損失大、燃盡率偏低[11]。因此，改善煤粉燃燒性能，提高煤粉的燃盡率，改善窯爐運(yùn)行工況，降低單位產(chǎn)出的標(biāo)準(zhǔn)煤耗成為亟待解決的技術(shù)難題。

2 市政污泥作為水泥窯低碳能源的處置技術(shù)

2.1 原料與燃料成分分析

經(jīng)工業(yè)分析，進(jìn)廠污泥綜合樣的水分含量為12.2%，揮發(fā)分含量為42.39%，灰分含量為40.4%，固定碳含量為4.97%，空氣干燥基熱值為11 133 kJ/kg；

水泥廠現(xiàn)有煤樣的水分含量為2.25%，揮發(fā)分含量為26.32%，灰分含量為19.24%，全硫含量為0.88%，空氣干燥基熱值為22 409 kJ/kg。

2.2 工藝流程

污泥由專車運(yùn)輸進(jìn)廠，卸入污泥泵倉后經(jīng)預(yù)消毒除臭，再通過污泥泵送入污泥庫。在污泥庫陳化一定時(shí)間后，庫底污泥泵送至污泥改性均質(zhì)機(jī)，同時(shí)加入污泥專用復(fù)合型改性調(diào)整劑，經(jīng)輾混均質(zhì)處理為改性污泥后泵送入煤磨快速脫水，混合粉磨制成混合燃料粉。混合燃料粉替代純煤粉直接用作水泥窯系統(tǒng)的頭煤和尾煤用燃料。能源化改性處理污泥中的無機(jī)物在窯系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)化為水泥熟料。污泥作為水泥窯可再生低碳能源利用的工藝流程如圖1所示。

2.3 污泥改性處理前后對(duì)比

在工業(yè)應(yīng)用研究試驗(yàn)中，采用自主研發(fā)的改性調(diào)整劑對(duì)污泥進(jìn)行改性調(diào)理，改性調(diào)整劑對(duì)改善污泥與原煤混合燃料的燃燒性能有積極的促進(jìn)作用，其添加量在污泥量的0.2%～0.6%范圍內(nèi)視污泥特性和工況合理調(diào)整。污泥改性處理前后對(duì)比如圖2所示。

3 市政污泥作為水泥窯低碳能源的生產(chǎn)應(yīng)用

在入磨原煤中配入改性污泥制成的污泥煤粉（混合燃料粉）細(xì)度控制在80 μm篩余1%～2%、水分含量小于1%，按使用原煤粉一樣的正常工藝控制要求送入窯頭噴煤管和分解爐燃燒。因水泥廠采用的是燃燒性能差的無煙煤和半煙煤，污泥對(duì)煤粉燃燒性能的不利影響是廠方非常擔(dān)心的一個(gè)重大問題，且加污泥的混合燃料粉的熱值略有下降，為此從調(diào)試期開始就不同污泥配入比例進(jìn)行試驗(yàn)分析，如表1所示。污泥能源化應(yīng)用前后窯頭火焰對(duì)比如圖3所示。在工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)成功后，正常運(yùn)行期間，經(jīng)水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)部門統(tǒng)計(jì)，最高節(jié)煤率達(dá)8.9%，節(jié)煤率由于進(jìn)廠煤質(zhì)差異波動(dòng)較大，但一般保持在4%～8%。

4 污泥異臭處理與清潔化生產(chǎn)的應(yīng)用

在實(shí)施過程中，污泥能源化處理項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)工藝要求進(jìn)行安裝和施工，達(dá)到清潔生產(chǎn)要求。

4.1 進(jìn)廠污泥的預(yù)消毒和除臭

污泥車將送進(jìn)廠內(nèi)過磅的含水率75%～85%的污泥直接卸入泵倉內(nèi)，然后立刻封閉倉門。預(yù)消毒除臭系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，在污泥入泵倉過程中，霧化噴淋污泥除臭消毒劑，一則防止污染物擴(kuò)散，二則在污泥泵倉打開時(shí)，氧化清除污泥中揮發(fā)的異臭氣體，防止異臭擴(kuò)散影響生產(chǎn)區(qū)空氣。項(xiàng)目投產(chǎn)后連續(xù)運(yùn)行至今，證明進(jìn)廠污泥的預(yù)消毒和除臭系統(tǒng)效果好，運(yùn)行可靠。

4.2 生產(chǎn)線異味凈化

污泥能源化處理項(xiàng)目設(shè)置有毒異臭氣體催化氧化燃燒器和生產(chǎn)線微負(fù)壓抽吸系統(tǒng)。生產(chǎn)線微負(fù)壓抽吸系統(tǒng)由催化氧化器的聚氣抽風(fēng)機(jī)經(jīng)不同管徑的抽風(fēng)管道連接進(jìn)廠污泥泵倉、污泥儲(chǔ)庫、污泥改性均質(zhì)機(jī)、污泥入煤磨泵，生產(chǎn)線形成微負(fù)壓系統(tǒng)，抽吸的氣體經(jīng)催化氧化器內(nèi)的中溫催化氧化室（約450 ℃）氧化和高溫催化氧化區(qū)（750～950 ℃）氧化+熱回收室回收熱焓凈化，廢氣以60～70 ℃的溫度排放。項(xiàng)目投產(chǎn)后連續(xù)運(yùn)行至今，證明生產(chǎn)線微負(fù)壓系統(tǒng)和催化氧化燃燒器的異味凈化效果好，運(yùn)行可靠。

4.3 煤磨廢氣和窯尾廢氣

污泥能源化處理項(xiàng)目儲(chǔ)庫和泵倉內(nèi)的污泥送入污泥改性均質(zhì)機(jī)內(nèi)改性，經(jīng)改性和強(qiáng)氧化處理，污泥的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，然后將其直接泵入煤磨，污泥喂入量視污泥進(jìn)廠量的多少調(diào)整，一般為原煤喂入量的10%～40%，在保持煤磨產(chǎn)量（原煤的喂煤量不變或略增）、煤粉細(xì)度（80μm 篩余1%～2%）、水分含量小于1%的情況下，混合粉磨制成改性的混合燃料粉。制成的混合燃料粉按正常工藝控制要求送入窯爐系統(tǒng)燃燒。因此，煤磨廢氣和窯尾廢氣狀況亦是水泥廠和生態(tài)環(huán)境部門關(guān)注的監(jiān)測重點(diǎn)，生態(tài)環(huán)境部門對(duì)污泥能源化生產(chǎn)線尤其是煤磨廢氣和窯尾廢氣進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，確保污泥能源化處置生產(chǎn)線污染物達(dá)標(biāo)排放。

4.4 污染控制結(jié)果

對(duì)污泥卸料斗、污泥入庫泵、污泥入磨泵周圍的清洗廢水用回收裝置集中收集，用污物泵將污水抽回卸料斗，實(shí)現(xiàn)污水零排放。

4.5 解決的技術(shù)難題

污泥能源化處理可完全消除異臭，徹底消毒（殺滅細(xì)菌、病毒及寄生蟲卵），徹底解決病原微生物的擴(kuò)散問題。它可高效解決污泥脫水干燥困難且能耗高的問題。能源化改性調(diào)整處理后，污泥中大量高含水菌團(tuán)的生物膜壁被破壞，污泥的微觀結(jié)構(gòu)和特性改變，使其易于脫水干燥，可利用現(xiàn)有煤磨系統(tǒng)快速制成混合燃料粉，不影響煤磨產(chǎn)量和煤磨電耗?？陀^上，協(xié)同粉磨污泥制成干燥的混合燃料粉不增加額外的電耗和熱耗。

污泥能源化處理可有效解決污泥的難燃性問題，即解決影響煤燃燒的問題，高效利用污泥中的能源，并提高煤粉的燃盡率。污泥中的主要有機(jī)物分為兩類，一是泥質(zhì)化的纖維（類似于硅化木）狀物料，二是高內(nèi)水含量的微生物菌團(tuán)，加之極細(xì)泥質(zhì)的覆裹，客觀上使污泥的燃燒性能變差，導(dǎo)致污泥與煤混燃時(shí)影響煤的燃燒性能。但是，污泥采用含催化燃燒功能的改性調(diào)整劑進(jìn)行改性處理，可有效促進(jìn)污泥中有機(jī)物的燃燒，使難燃污泥轉(zhuǎn)化為助燃劑，使污泥得以高效利用，并可將煤粉的燃盡率提高3%～8%。污泥一般含有多種重金屬，經(jīng)改性調(diào)整劑處理，重金屬能以硅酸根團(tuán)、鋁酸根團(tuán)或硅鋁酸根團(tuán)等形式固熔于礦物晶格中，有效消除潛在污染。污泥能源化處理不僅可以完全消除處理過程的異臭，還能從根本上避免有毒有害廢氣產(chǎn)生。

5 結(jié)論

污泥可以作為水泥窯低碳能源進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，它是繼污泥霧化焚燒、干化焚燒、混制水煤漿、超臨界氧化、混燒等之后的一種創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)可以破壞污泥中大量高含水菌團(tuán)的生物膜壁，使污泥內(nèi)部水滲出后快速脫水干燥。經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用試驗(yàn)，污泥作為水泥窯低碳能源的生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，生產(chǎn)線周邊污染物排放達(dá)標(biāo)，徹底解決污泥處置過程的污染。工業(yè)化應(yīng)用可直接利用含水率約80%的市政污泥，無須新建污泥烘干系統(tǒng)，應(yīng)用過程既未影響煤磨產(chǎn)量，亦未增加粉磨電耗，在水泥廠生產(chǎn)中，改性污泥的干燥制粉能耗接近零。同時(shí)，水泥廠熟料產(chǎn)量和質(zhì)量提高，熟料燒成煤耗顯著降低。改性污泥可促進(jìn)煤粉燃燒，提高煤粉燃燒速度，黑火頭縮短，煤粉燃燒性能顯著變好，熟料結(jié)料轉(zhuǎn)好，還原料基本消失。工業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目單位污泥的平均綜合處置成本約為118.23元/t，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。本項(xiàng)目的成功運(yùn)行開辟污泥利用的一條新途徑，后續(xù)還需要進(jìn)一步研究。本項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)用過程仍存在許多影響水泥窯系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素，下一步將深入優(yōu)化污泥能源化處置工藝流程和參數(shù)，以確保水泥窯系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐表明，可將市政污泥作為生產(chǎn)性資源，改善無煙煤、劣質(zhì)煤等煤粉的燃燒性能，下一步可嘗試將石化污泥、焦化污泥或有機(jī)污泥等其他污泥作為低碳能源應(yīng)用于水泥窯協(xié)同處置。污泥作為低碳能源，可進(jìn)一步開發(fā)，應(yīng)用于煤粉爐、循環(huán)流化床鍋爐等大型工業(yè)窯爐，其處理量可以進(jìn)一步增大，若開發(fā)應(yīng)用成功，可緩解目前污泥圍城的窘境。

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