市政污泥资源化集中处置（水泥窑协同）工程案例分析

韦 娟,姚瑞宏，刘琪璇，孙慧华，乔莉莉，孙 鹤

（1.中材国际环境工程（北京）有限公司，北京100102；2.南京中材环保有限公司，江苏南京210000）

0 前言

随着我国污水处理厂不断的增建与运营，污水处理的副产物市政污泥的处置成了越来越凸显的废物处置问题。2016年，我国已建污水处理厂30976座，污水处理能力达到1.7亿m3/d，根据第五届世界水大会资料，污水厂产泥经验为每万吨污水产6 t湿污泥，则2016年全年产生湿污泥（含水率80%）30723万t（一年按365天计），预计2020年将达到70200万t[1]。

市政污泥成分复杂，是包含有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体等的非均质体，其组成很大程度上取决于污水水质及其处理工艺[2]。市政污泥特点有含水量高、易腐败、易散发恶臭，通常含病原微生物、寄生虫卵及重金属等有毒有害物质，因此若不能妥善处置甚至随意堆放，将会造成较严重的环保和健康问题。

然而，长久以来“重水轻泥”的城市规划建设思路以及水处理行业的发展方向导致污泥处理处置技术的更新及应用受到限制[3]。相关调查数据显示，截止到2016年，我国城市污泥无害化处置率仅为33%，而根据我国相关政策要求，在2020年底前，地级及以上城市污泥无害化处置率要达到90%以上。如何科学合理的对市政污泥进行处理，已经成为当前环保领域中一个研究热点，受到了越来越多的关注[4]。

1 国内污泥处置方式

现阶段，我国市政污泥无害化处置方式主要包括卫生填埋、土地利用、建材利用、焚烧等方式。其中，卫生填埋日益受到土地资源的制约，土地利用方式和建材利用方式存在产品出路不畅等问题，而焚烧方式因其具有污泥最大减量化和彻底无害化的技术优势，已经日趋成为当前和今后我国市政污泥无害化处置的主流方式。为了对接焚烧工艺、提高污泥焚烧效率，污泥的脱水干化既是污泥焚烧前不可或缺的步骤，也是污泥无害化处置的重要基础[5]。

与一般的焚烧工艺不同，新型干法回转窑焚烧技术是利用水泥生产回转窑的高温区协同焚烧处置污泥的技术[6]，不需为污泥焚烧设焚烧炉。水泥窑协同处置过程中，污泥将在高温条件下完全焚烧，焚烧产物经固化最终进入水泥熟料中，从而达到污泥的安全处置，是符合可持续发展战略的新型环保技术。高温、焚烧处置污泥，既能充分利用废物中的有机成分的热值、实现节能，又能完全利用污泥中的无机成分作为原料。水泥厂地域分布广，水泥生产量大，有利于污泥就地大量消纳，节省运输费用，方便快捷[7]。

我国针对市政污泥水泥窑协同处置的技术可行性也进行了探索，如安徽皖维集团水泥分公司开展了利用水泥窑处理污泥的研究工作，将压滤脱水后的污泥作为一种原料，与其他原料一起配料，生产中以每台水泥窑5～6t/h的使用量来处理污泥，实践结果表明，对生产工艺稍作调整后，在生料配料中掺入一定量的污泥，仍能保持生产稳定，熟料质量良好。广州市越堡水泥有限公司在6 000 t/d生产线上新建一座600t/d（含水率80%）的污泥干化处置中心，将污泥干燥后作为燃料进行焚烧，焚烧残渣替代黏土作为硅质、铝质原料，使废弃物变为能源，减少在水泥生产中对黏土的使用量，符合国家发展循环经济和建设节约型社会的要求，且处置污泥后没有影响水泥熟料质量[8]。

2 株洲市市政污泥资源化集中处置（水泥窑协同）项目实例分析

株洲市市政污泥资源化集中处置（水泥窑协同）项目日处置污泥300 t，包括含水率50%的干污泥250 t和80%的湿污泥50 t。基本能满足株洲市未来10年内污水处理厂的污泥处置需求。干污泥来自株洲市政污水处理厂的板框压滤出料皮带，目前日产生量为70 t；湿污泥来自污水处理厂的离心脱水设备出料口，目前产生量很少（本文暂不讨论）。项目于2020年1月6日上午12点开始，以水泥窑生产线协同处置50%含水率干污泥，系统连续带料50 h，总共处理536.90 t含水率50%的污泥，平均喂料达10.74 t/h。

2.1 处置工艺

株洲市市政污泥资源化集中处置（水泥窑协同）系统工艺流程见图1。

图1 株洲市市政污泥资源化集中处置工艺流程图

2.2 对水泥窑生产的影响

2.2.1 熟料产量和品质影响

表1统计了干化污泥（含水50%）协同处置前后窑磨参数变化，水泥窑协同处置期间，50%含水率污泥正常以10.74 t/h连续喂料，生料实际投料由未投污泥时418 t/h减少至400 t/h，高温风机由826 r/min增加至836 r/min，由此保证了水泥窑正常稳定生产。生料投料减量会导致水泥窑熟料产量减少4.31%，但考虑污泥中黏土质等原料对熟料生产的贡献（污泥料耗按3计），250 t/h的污泥量对熟料日减产的总体影响幅度小于4%。

表1 干化污泥（含水50%）协同处置前后窑磨参数变化

50%含水率污泥中含有黏土质原料，其主要对入窑生料硅率的影响决定着烧成熟料的品质。由此，水泥窑协同处置污泥期间，水泥厂主要将原料磨配比控制基准进行修正，主要是KH值由未协同处置时0.97～0.99增加到0.99～1.01。由图2入窑生料KH值变化趋势可知，水泥窑协同处置期间入窑生料KH值整体波动比未协同处置时要小；随着污泥协同处置时间不断递进，入窑生料KH值整体呈现缓升的趋势，可能是生料KH控制基准逐渐提高引发的。

从图3熟料KH值变化趋势可知，协同处置期间熟料的KH值呈现“V”趋势，这侧面说明了污泥投入水泥窑处置会降低熟料KH值，由此解释了后期水泥厂将原料KH配比调整至1.01，导致入窑生料KH值呈现缓升现象，水泥熟料的品质得以保证。

2.2.2 煤耗变化

一般水泥熟料烧成时，硅率较大的原料需要较高的烧成热量。为保证熟料烧成的品质，窑内烧成带的温度会增高，由此对煤用量产生影响。由图4窑头煤用量变化趋势可见，污泥连续喂料期间，窑头用煤量整体呈现少量增加，但由于窑产量有所减产，使得头煤吨熟料量明显增加，从未投污泥的53.08 kg/t升至 55.50 kg/t。

由图5尾煤用量的变化趋势可知，水泥窑系统未投污泥时，其尾煤用量基本波动较大，且8 h用煤量多数高于155 t。由于产量下降和污泥含有可燃有机质的影响，投污泥时尾煤8 h用煤量能降至1400t。从尾煤吨熟料煤耗曲线可知，投污泥后的吨熟料尾煤用量有所降低，说明了污泥投入分解炉后，污泥中的可燃有机质一定程度上可节约尾煤用量。对于协同处置区间界的尾煤用量和吨熟料尾煤均较高，可能主要是由于这两位置正好处于水泥窑协同处置污泥开始和结束时间段。

图2 株洲污泥处置项目入窑生料KH值变化趋势图

图3 株洲污泥处置项目熟料KH值变化趋势图

本项目中的干化污泥是直接投入分解炉内，污泥含有的水分蒸发耗热，影响分解炉内的热量分配。广州越堡的经验表明，分解炉在处理城市污泥后，生料分解的有效空间减少3%～5%，分解炉内生料分解区间的热负荷增加6%～10%[9]。由表1中可见，协同处置时热生料分解率有所降低，降低幅度1%左右，这部分降低的分解率一部分将转移至水泥窑内完成，造成头煤用量增加，一部分要求适当降低水泥窑的产量，以保证水泥熟料的质量及污泥的彻底焚烧。

综上分析，水泥窑协同处置污泥前后，头煤吨熟料煤耗波动较平稳，而尾煤吨熟料煤耗波动较大，可见对总煤耗波动影响占主导的是尾煤吨熟料煤耗变化。由图6熟料总煤耗变化曲线和尾煤占总煤耗比例趋势图可知，污泥连续投入分解炉后，总煤耗是有所降低的，平均129.0 kg/t左右。同样，由于污泥投料的开始、结束边界总煤耗高于连续污泥的总煤耗，这一点与尾煤的变化趋势一致。由此可见，水泥窑协同处置期间，连续喂料的保证对窑况稳定至关重要。

2.3 技术路线显著优势

（1）水泥回转窑的热容量大，工作状态稳定，可稳定处理50%含水率污泥处理量达250 t/d。

（2）水泥窑协同处置50%含水率污泥，可充分利用污泥中的有机成分和无机成分。污泥中有机质和可燃成分高温煅烧产生热量，不仅满足其自身水分蒸发，还可替代部分燃料；焚烧后硅铝质残渣参与水泥配料以节约矿物材料。

图4 株洲污泥处置项目窑头煤用量变化趋势图

图5 株洲污泥处置项目尾煤用量变化趋势图

图6 株洲污泥处置项目总煤耗变化趋势图

3 结语

（1）水泥窑协同处置50%含水率污泥后，污泥中黏土质原料降低了原料KH值，以10.74 t/h连续喂料时，水泥原料磨KH配比控制指标需提高0.01～0.02。

（2）水泥窑烧成熟料量需减产4%，以此保证水泥窑正常稳定生产；污泥中水的蒸发增加了烟气总量，高温风机需由826 r/min增加至836 r/min。

（3）由于污泥中含有可燃的有机质，其可替代部分分解炉的用煤，使协同处置污泥时尾煤用量最低降17.5 t/h；污泥含水的蒸发降低热生料的分解率，由未投污泥时93.75%降低至92.68%，水泥窑内预热分解带负荷增加。

（4）污泥直接投入分解炉，热生料的硅率升高，导致烧成温度升高，窑头用煤量略增；同时因减产，头煤吨熟料用量从未投污泥的53.08 kg/t升至55.50 kg/t。

（5）水泥窑协同处置污泥，连续喂料入分解炉，总煤耗达129.0 kg/t，其中投料的开始、结束期间，尾煤和总煤用量波动较大，其中前者主导了后者，由此，连续喂料的保证对窑况稳定至关重要。