苑衛(wèi)軍 楊征 王輝 韓明汝

(唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

我國每年產(chǎn)生大量的市政和工業(yè)污泥，按照近年污水產(chǎn)量分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推算，工業(yè)污泥的產(chǎn)生量約為市政污泥的40%左右[1]。污泥處置技術(shù)主要包括填埋、好氧發(fā)酵農(nóng)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(xué)處理技術(shù)在歐、日等國家得到大力推廣應(yīng)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(xué)處置應(yīng)用包括單獨(dú)焚燒和工業(yè)爐窯協(xié)同處置技術(shù)。相比而言，污泥的爐窯協(xié)同處置技術(shù)，在系統(tǒng)投資、運(yùn)營成本以及處置規(guī)模方面都具有其獨(dú)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(shù)應(yīng)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(yīng)用存在的技術(shù)及政策不足的同時(shí)，進(jìn)一步拓展協(xié)同處置污泥的工業(yè)爐窯的種類和技術(shù)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(dǎo)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(dāng)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(shí)，摻燒污泥對鍋爐熱效率的影響較小。當(dāng)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(shí)，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(shè)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(chǎn)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(shí)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(chǎn)生影響。當(dāng)污泥的摻入量控制在基準(zhǔn)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(shí)，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(tuán)的水泥熟料設(shè)計(jì)年產(chǎn)能共計(jì)13.68億t(占全國熟料總產(chǎn)能的75%)[7]。北京金隅水泥廠[8]生產(chǎn)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(chǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)了遼寧第一條水泥窯協(xié)同處置污泥生產(chǎn)線(年處置污泥58萬t)后，許多地方也開始實(shí)施水泥窯協(xié)同處置污泥的工程計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)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(yùn)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(nèi)火電廠和水泥窯協(xié)同處置污泥技術(shù)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(zhuǎn)鼓式和流化床干化技術(shù)為代表，干化過程產(chǎn)生的含水氣體與熱煙氣混合，必須進(jìn)行脫臭等有效處理。水蒸氣為熱源的間接干化工藝，以轉(zhuǎn)盤式、空心槳葉式、間接接觸回轉(zhuǎn)式和薄層干化技術(shù)為代表，干燥出的水分經(jīng)冷凝后返回污水處理廠，產(chǎn)生的惡臭廢氣混入鍋爐或水泥窯助燃風(fēng)進(jìn)行爐內(nèi)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(cái)政補(bǔ)貼約為200元/t左右，不足以彌補(bǔ)企業(yè)協(xié)同處置污泥經(jīng)濟(jì)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(shù)的革命性創(chuàng)新，就目前狀況而言，強(qiáng)化政策性財(cái)政補(bǔ)貼是技術(shù)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(shù)

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(chǎn)生的污泥自然風(fēng)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(nèi)進(jìn)行協(xié)同處置，結(jié)果顯示，按照以上比例摻混氣化，其生產(chǎn)工藝條件、能耗指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)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(jié)劑，粘結(jié)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?dú)饣癄t造氣。結(jié)果顯示，污泥型煤的型煤特性和氣化特性都相當(dāng)或優(yōu)于白泥型煤(5.5%白泥作為粘結(jié)劑)，其氣化過程無二次污染產(chǎn)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(nèi)封閉環(huán)境中進(jìn)行。入爐污泥所含的水分汽化轉(zhuǎn)入煤氣，然后隨煤氣冷卻冷凝后回入污水系統(tǒng)進(jìn)行處理，污泥中的揮發(fā)份轉(zhuǎn)入煤氣，污泥中固定碳在爐內(nèi)經(jīng)過氧化還原轉(zhuǎn)化為煤氣，以上物質(zhì)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化無二次污染產(chǎn)生。污泥中的重金屬在氣化爐造氣過程中，有的會轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化問題的研究，主要集中在H2,CO2,N2和O2等介質(zhì)環(huán)境，不同反應(yīng)氣氛影響重金屬在高溫下產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和揮發(fā)方面。而污泥在氣化爐內(nèi)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(zhuǎn)移和形態(tài)變化還有待進(jìn)一步研究。另外，在氣化爐內(nèi)由熱干化、熱解、氣化、焚燒氧化和灰層氧化的5個(gè)區(qū)域，全部有相當(dāng)比例的水蒸氣參與，水蒸氣在高溫反應(yīng)區(qū)域?qū)ξ勰嘀亟饘俚挠绊懭绾?，也需要進(jìn)一步進(jìn)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(zhuǎn)移，相對單純的熱干化、熱解、氣化和焚燒更為復(fù)雜，需要在工業(yè)化試驗(yàn)中進(jìn)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(jié)爐窯和高爐應(yīng)用較為典型。張壘等[13]對含鉻污泥燒結(jié)煉鐵協(xié)同處置過程進(jìn)行了規(guī)?；囼?yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)鉻泥配入比例低于0.05%時(shí)，對燒結(jié)工況、燒結(jié)產(chǎn)品無顯著影響，污泥中的鉻元素通過燒結(jié)礦流向鐵水，協(xié)同處置過程無二次污染產(chǎn)生。鄒方敏等[14]將高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣(煙氣)凈化過程產(chǎn)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(jié)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(jīng)濟(jì)效益。黃強(qiáng)等[15]將鋼絲繩污泥(鋼絲繩企業(yè)酸洗、磷化廢水處理后產(chǎn)生的污泥)與其他燒結(jié)原料、輔料充分混合，經(jīng)配料工序送至燒結(jié)工序制成塊狀燒結(jié)礦，合格的成品燒結(jié)礦流入高爐系統(tǒng)進(jìn)行冶煉，最終制成鐵水。該生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，燒結(jié)礦產(chǎn)量1 435 t/d，鐵水產(chǎn)量1 050 t/d，在鋼絲繩污泥50 t/d的配比下，利用燒結(jié)-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(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量的影響均在達(dá)標(biāo)范圍之內(nèi)。

燒結(jié)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(dú)有的優(yōu)勢，對其進(jìn)行深入的試驗(yàn)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(jìn)行脫水干化的多種可能的技術(shù)路線，在此技術(shù)設(shè)想基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析比較，并結(jié)合其他冶金工藝節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)進(jìn)行有效組合，有可能會產(chǎn)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(jié)劑，添加2%的酚氰污水產(chǎn)生的生化污泥制成型煤，并利用該型煤在小焦?fàn)t進(jìn)行了配煤煉焦試驗(yàn)，結(jié)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(jìn)行有效的熱解處置，同時(shí)可以提高裝爐煤的堆密度并改善焦炭質(zhì)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(lǐng)域廣泛，結(jié)合污泥特性和某些爐窯的工藝特點(diǎn)，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(chǎn)生的工業(yè)污泥。

3 結(jié)語

我國污泥產(chǎn)量逐年增長，目前就污泥無害化熱處置技術(shù)的應(yīng)用和推廣而言，我國相對歐美日等發(fā)達(dá)國家還存在較大差距。隨著我國環(huán)境治理力度的強(qiáng)化，污泥無害化熱處置特別是爐窯協(xié)同處置技術(shù)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(qiáng)，但由于經(jīng)濟(jì)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(shí)際處理量極為有限，這除了需要在經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償方面強(qiáng)化政策支持力度以外，還需要在工藝技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化方面多做文章。氣化爐和燒結(jié)、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(jìn)行擴(kuò)展性、挖潛性研發(fā)，有利于深化工業(yè)污泥的有效處置。