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杭世珺:6条工艺路线、多个工程实例告诉你污泥水泥窑协同处置现状

北极星水处理网  来源:给水排水  作者:杭世珺等  2019/5/6 8:45:44  我要投稿  

北极星水处理网讯:小编说:分析了污泥水泥窑协同处置的国内外应用现状,统计了我国部分相关项目的主要工艺条件和处理规模,归纳总结了污泥水泥窑协同处置技术的特点和优势。通过现场调研和分析,提出了我国污泥水泥窑协同处置的6种工艺路线,并通过工程实例对各类工艺路线加以说明。

0 概述

随着我国市政污水处理行业的蓬勃发展,水污染治理成效显著,污水处理厂污泥产量逐年增加,我国城市和县城污水处理设施2016年脱水污泥(80%含水率,下同)产量达4 760万t,由于我国长期以来“重水轻泥”,相关设施建设没有同步跟上,污泥处理处置问题未能得到有效解决,形势十分严峻。目前我国污泥处置主要以填埋为主,其污泥消纳能力、环保指标、资源化利用等方面均不能满足要求。污泥水泥窑协同处置技术具有焚烧温度高、处置彻底、灰渣直接利用、无二次污染,一站式无害化处理的特点,是污泥无害化处置的方法之一,国内外均有成熟的应用案例。本文在前期的调研和研究的基础上,总结了该技术的国内外研究和应用现状,对该技术的应用边界条件、主要技术参数作了详细的分析,提出了该技术未来的应用前景,为污泥水泥窑协同处置提供技术支撑。

1 国内外污泥水泥窑协同处置的应用现状

在欧美国家,污泥水泥窑协同处置起步较早,形成了完整的法律政策体系并得到了较广泛应用。近年来,日本、瑞士、德国的污泥在水泥窑协同处置的比例分别为28.7%(2015年)、19%(2003年)和14.6%(2010年)。美国有近200 座污水处理厂采用焚烧方式处理污泥,占全国污泥处理总量的20%,其中6%的污泥采用协同焚烧方式处置。

我国是水泥生产大国,污泥水泥窑协同处置项目逐年增加,已经成为我国污泥热化学处理处置的手段之一。目前我国已建成污泥协同处置设施的水泥熟料生产线30~40条,其中部分项目的基本情况如表1所示。

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2 污泥水泥窑协同处置技术的特点和优势

利用水泥回转窑焚烧污泥,减少了残渣、大气污染物、重金属等无序排放造成的环境污染。水泥生产过程中,高温煅烧可分解污泥中的有机物、水泥熟料矿物的水化过程可固化重金属,实现污泥的无害化;污泥中的灰分可作为熟料生产的原料,实现污泥的资源化,体现了循环经济“减量化、再利用、再循环”的原则,符合循环经济发展模式。

2.1 有机物分解彻底

水泥回转窑内高温、充足的停留时间和悬浮状态可以保证污泥中的有机物彻底分解。硅酸盐水泥熟料的生产原料主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分,各种原料磨成细粉后,按照适当比例混合并在水泥回转窑内烧至部分熔融,得到以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。水泥熟料生产中,为保证CaCO3分解为CaO,分解炉的气流温度控制在850~1 100 ℃;在回转窑内,硅酸三钙(C3S)在出现液相以后才能形成,回转窑内物料烧成温度1 450~1 550 ℃,炉内最高的气流温度可达1 700~1 800 ℃;物料从窑尾到窑头总的停留时间在40 min左右;气体在高于950 ℃以上温度的停留时间在8 s以上,高于1 300 ℃以上停留时间大于3 s;且窑内物料呈高湍流化状态,二噁英等稳定有机物等也能被完全分解。水泥回转窑是一个热惯性很大,十分稳定的燃烧设备,不会因污泥投入量和性质的变化,造成大的温度波动,系统易于稳定。

2.2 二次污染少

水泥熟料生产采用的原料成分决定了水泥回转窑内的碱性气氛,它可以有效地抑制酸性物质的排放,使得SO2和Cl-等化学成分化转化为盐类化合物并得以固定;水泥回转窑可将污泥中的绝大部分重金属离子固化在熟料中,可有效避免其释放和扩散;污泥所含各类物质经水泥回转窑处理后只存在于熟料和烟气中,熟料和烟气在达到相应标准后进行使用和排放,与污泥单独焚烧相比,在水泥窑特定工况下,烟气和飞灰的二次污染风险低得多。

2.3 环境与经济效益显著

利用水泥回转窑来处置污泥,虽然需要在工艺设备和给料设施方面进行必要的改造,并需新建污泥贮存和预处理设施,但与新建专用污泥焚烧厂相比,不需新建焚烧炉,投资显著降低;对于设有水泥熟料生产设施的地区,在尚不具备建设永久性污泥处理设施的情况下,采用该工艺有利于污泥就地消纳,简化了工艺环节;通过污泥处置与资源能源回收利用的良好结合,实现了污染物排放总量的本质性降低,符合循环经济的发展要求。

3 污泥水泥窑协同处置的工艺路线

污泥水泥窑协同处置,应以满足如下条件:

(1)水泥窑系统能够维持稳定运行;

(2)水泥熟料生产和污染物排放均符合相关标准;

(3)具有一定的经济效益。

污泥预处理工艺和水泥窑投加点是工艺路线中的两个关键要素,据此分类,我国污泥水泥窑协同处置的主要工艺路线可分为以下几种:

(1)污泥脱水——窑尾烟室投加;

(2)污泥深度脱水——分解炉投加;

(3)污泥直接/间接干化——分解炉投加;

(4)污泥脱水——气化炉投加;

(5)污泥脱水——增湿塔喷雾干燥——分解炉投加;

(6)污泥/污泥焚烧灰渣——原料投加。

以下简要介绍各个工艺路线的代表性案例,其中大部分案例经过现场调研。

3.1 污泥脱水——窑尾烟室投加

《水泥窑协同处置污泥工程设计规范》(GB 50757—2012)规定,含水率为30%~80%的污泥可从窑尾烟室处进料,但是宜设置喷枪等强制给料设备,且烟室内温度下降宜控制在100 ℃以内,以防造成局部堵塞结皮。《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ662-2013)提出,含水率高或块状废物应优先选择从窑尾烟室投入。目前国内应用最广泛的水泥窑协同处置技术是含水率70%~80%的脱水污泥直接进入窑尾烟室焚烧,占全部处置生产线的50%以上。

重庆全市有48条新型干法水泥熟料生产线,其中17条生产线利用水泥窑协同处置污泥,以上绝大部分设施均为脱水污泥直接泵送至窑尾烟室。重庆主城区脱水污泥利用水泥窑协同处置已呈常态化,截至2015年,重庆水泥企业已处置主城区污泥26万t。重庆拉法基南山工厂的污泥处置设施自2008年即投产运行,该厂设有2 000 t/d和2 500 t/d生产线各1条,脱水污泥通过柱塞泵分别输送至2条生产线的窑尾烟室。目前设施运行状况良好,脱水污泥设计设计总处理量100 t/d,实际处理量为120~130 t/d,最高可达150 t/d。

江苏某水泥窑协同处置企业将脱水污泥以5 t/h 的投加量通过柱塞泵输送至分解炉,发现在做好入窑前分析并严格控制添加比例的情况下,投加市政污泥对水泥熟料的f-CaO及28 d抗压强度等质量指标没有明显影响;对水泥生产无明显影响。

3.2 污泥深度脱水——分解炉投加

《水泥窑协同处置污泥工程设计规范》(GB 50757—2012)规定,含水率不大于30 %的污泥可从分解炉处进料,这就需要对污泥进行干化处理,但实际上很多项目中深度脱水污泥也进入分解炉协同处置。

上海万安华新水泥有限公司设有1 500 t/d生产线1条,脱水污泥设计处理能力60 t/d,实际处理量可达6 t/h。污泥在污水处理厂深度脱水后(含水率50%~55%),投入分解炉底部。污泥经隔膜式板框压滤机处理,污泥调质主要采用采用石灰(10%~15%),其余药剂均不含氯,从而保证了水泥窑的操作条件,见图1。

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华新水泥(武穴)有限公司水泥熟料生产线规模分别为6 000 t/d和4 800 t/d,建有污泥深度脱水及直接干化处置设施,利用水泥窑三次风作为热源,在球磨机内将污泥由55%干化至30%以下,设计脱水污泥处置能力1 500 t/d。干化污泥投入分解炉焚烧处置。

华新水泥(黄石)有限公司2条水泥熟料生产线规模为5 500 t/d,对RDF和污泥协同处置,脱水污泥设计处理能力100 t/d。污泥在预处理厂深度脱水后(含水率50%),与RDF在同层投入分解炉。

山东山铝水泥有限公司水泥熟料生产线规模分别为3 000 t/d和3 500 t/d,脱水污泥设计处理是2×200 t/d,设计、接收污泥含水率为30%,实际接收污泥含水率为55%,2条生产线实际处理污泥250 t/d,污泥进入分解炉焚烧处置。在水泥熟料不减产的情况下,两条生产线可处置含水率55%污泥250 t/d,见图2。

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遵义三岔拉法基瑞安水泥有限公司水泥熟料生产线规模为4 600 t/d,对RDF、地煤灰和污泥协同处置,脱水污泥设计处理能力360 t/d。污泥在污水处理厂深度脱水至含水率60%以后,经汽车运输至水泥厂,投加至分解炉下部,见图3。

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3.3 污泥直接/间接干化——分解炉投加

广州市越堡水泥有限公司水泥熟料生产线规模为6 000 t/d,设计脱水污泥处理能力600 t/d。脱水污泥在厂内经直接干化处理后(含水率控制在25%以下),投入分解炉中部。在污泥直接干化单元中,利用窑尾烟气作为热源,烟气经高效旋风收尘器收尘后通过风机升压进入干燥机,污泥和烟气在干燥机内完成热交换后向上旋流运动,通过布袋收尘器进行气固分离。烟气由石灰石-石膏脱硫系统和高温生物滴滤塔除臭系统净化后排放。越堡公司目前干基污泥处置量为水泥熟料产量的3%,这是由热源限制、污泥有害成分控制和水泥生产要求多重因素影响的。根据其运行经验计算,保守条件下干污泥添加比例可为5%,最大投加量可达6%~8%,见图4。

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