水泥窑协同处置市政污泥的试验研究与应用

我国城镇化水平正处于高速提升阶段，城市生活污水及市政污泥产生量逐年增加，市政污泥中含有腐殖酸、杂环类化合物、挥发性异臭物、有机氟化物等，若处置不当，容易形成地下水、土壤二次污染等环境隐患。2020年以来，我国市政污泥总量达6 000~9 000万t，如何取代以卫生填埋和土地利用为主的传统处置方式，实现市政污泥处置的无害化、减量化、资源化，成为目前市政污泥处置行业亟须解决的难题。国内市政污泥处置技术研究起步较早，自1960年起，市政污泥处置行业经历了萌芽、缓慢发展和快速发展三大阶段，期间公众对污泥认知度较低，污泥处置不当引起的环境污染问题日益趋现，国家相关政策开始频繁发布。2019年，国家出台《城镇污水处理方案（2019-2021年）》，重点提出将污水处理、污泥处置等生态环境问题，作为解决民生领域首要问题之一。2020年，发改委、住建部联合发布《污水处理设施补短板方案》，指出加大财政支持力度，明确到2023年，县级及以上城市设施能力基本满足生活污水处理需求。2022年，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，大力推行实施污水污泥资源化利用与无害化处置，倒逼污水处理企业重视污泥处置，加大污泥减量化技术的研发投入，推进市政污泥处置行业快速发展。1、水泥窑协同处置市政污泥发展现状与技术优势1.1水泥窑协同处置的发展现状水泥窑协同处置污泥在国外已有30多年的应用历程，在众多发达国家如美国、法国、英国、加拿大、日本等，得到广泛认可和应用。美国采用焚烧方式处置占比全国产出约20%的污泥，其中采用水泥窑协同处置方式占比约6%；日本将全国产出约60%的污泥直接投入水泥窑进行协同焚烧处置。我国开展水泥窑协同处置技术研究起步较晚，于2013年相继推出了《水泥窑协同处置工业废物设计规范》《水泥窑协同处置固体废物技术规范》等标准，为国内水泥窑协同处置污泥行业提供了标准化、规范化的要求。国内目前已建成约45条水泥窑协同处置市政污泥生产线，处置能力为320万t左右，占比污泥产量约3.60%（如图1）。潘泂等通过处置规模为600t/d市政污泥（含水率为60%）的项目现场试验表明，湿污泥带入窑内的水分，会导致窑尾废气处理系统风量增加15%~20%，严重影响水泥熟料生产能力；巢湖海螺水泥利用厂内5 000t/d水泥生产线，对深度脱水后含水率为60%市政污泥进行直喷式入窑，处置能力为600t/d，该处置方式会造成窑尾预热器温度上升10~20℃，使水泥窑烧成系统热耗增加；越堡水泥通过自身6 000t/d水泥窑生产线，建设运行了含水率80%市政污泥干化处置中心，处置能力为600t/d，将污泥干化至35%~40%后，投加入水泥窑内进行焚烧，结果表明污泥对水泥熟料质量没有造成任何影响。图12021-2025年污泥产生量及水泥窑处置量占比预测我国众多工程实践项目表明，水泥窑可以在稳定运行的条件下，协同处置市政污泥，但需要进一步降低污泥含水率，从而利用污泥自身热值作为替代燃料，降低烧成系统热耗、废气处理量。污泥干化可将机械脱水后污泥含水率进一步降低至40%以下，大幅度减少污泥储存和运输量，近年来我国涌现出很多以节能环保为宗旨的新型污泥干化技术，但是大多处于试验阶段或使用条件限制，技术发展并不成熟，无法取代以水泥窑厂内余热发电饱和蒸汽为热源，对污泥进行间接干化的传统手段。干化污泥投加入窑前，应借助CFD模拟技术，根据现场实际运行工况进行参数标定，以现场投加位置和投加量进行数值模拟分析，提高水泥窑协同处置市政污泥的准确性与生产效率，验证水泥窑烧成系统的稳定性。1.2水泥窑协同处置的技术特点及优势水泥窑协同处置市政污泥，既可以充分利用污泥的残留热值，实现资源化，又可以通过工业窑炉内高温气氛分解有机质、病原体，实现无害化，对于缓解化石燃料资源利用及环境污染压力有着重要的意义。相对于传统卫生填埋、土地利用等处置方式，水泥窑协同处置市政污泥具有以下明显优势：（1）有机物分解彻底。水泥回转窑是一个旋转的筒体，一般直径为3.0~5.0m，长度45~100m，焚烧空间很大，窑内物料焚烧温度一般大于1 450℃，空间气体湍流度较大。污泥中的有害物可在分解炉内充分燃烧，即使是稳定的化合物如二噁英等，也可以被完全分解。（2）稳定的焚烧工况。水泥窑入窑投料量较大，一般在200t/d左右，不会因为少量废物投入量和性质的变化，造成大的温度波动而影响焚烧效果。（3）闭路生产下的污泥终端焚烧。市政污泥焚烧过程中产生的粉尘、灰分等，通过布袋收尘器收集后在回转窑内再次进行煅烧。（4）重金属离子的稳定化、固化。利用水泥工业回转窑煅烧工艺处置市政污泥，其中绝大部分重金属离子在碱性环境下经高温固相反应生成复合型矿物，成为熟料矿物晶体中的部分原子替代物，被固化在水泥熟料中。（5）高度实现资源化利用目标。通过在水泥窑内焚烧，低含水率市政污泥具有自身热值，可以作为替代燃料使用，同时污泥煅烧后产生的灰分也可收集后作为替代原料。2、水泥窑协同处置市政污泥试验研究2.1工艺路线试验以巢湖海螺水泥协同处置市政污泥项目为平台，处置规模为市政污泥600t/d（含水率80%）。脱水后湿污泥直接入窑，会造成水泥窑烧成系统窑尾烟气量大、热耗增加等影响，通过污泥干化进一步降低污泥含水率，能够提高污泥自身热值，作为水泥窑系统替代燃料，产生的废气可经篦冷机排至回转窑内部焚烧净化处置。因此，本项目对深度脱水后市政污泥进一步干化，再进行入窑焚烧处置，图2为协同处置市政污泥工艺流程图。图2水泥窑协同处置市政干化污泥工艺流程污泥压滤脱水后含水率约80%，经蒸汽间接干化可降低至35%~40%，平均吨污泥饱和蒸汽消耗量约为0.7t，项目连续运行投加量为200t/d，干化热源为水泥厂余热发电饱和蒸汽，经减压阀进入污泥干化机进行热传导，产生废气经旋风除尘器进入冷凝器进行凝结换热，过程中冷凝废水经明渠集中排至污水处理池，采用“调节池+气浮+A/O”工艺处理达标后排放。废气则直接进入窑头篦冷机，通过窑尾风机入回转窑内焚烧。市政污泥干化后，通过螺旋输送至分解炉投加管路，投加位置为分解炉三次风管上方500mm处。2.2CFD模拟市政污泥干化后，首先借助CFD数值模拟技术，标定水泥窑烧成系统实际运行参数，以设定投加位置、投加量及运行参数等条件，对投加入水泥窑分解炉内温度场进行模拟分析，根据温度场变化验证污泥投加位置、投加量等条件，随后进行污泥现场投加试验，提高水泥窑协同处置市政污泥的准确性与生产效率，保证水泥窑烧成系统的稳定运行，形成污泥作为水泥窑替代燃料的产品方案。2.2.1模型建立及数值计算方法分解炉几何模型及网格划分如图3所示，分解炉由锥体、柱体、污泥入口、下料口等组成，模型网格划分选用T-Grid非结构网格，并在混合相流动较为剧烈的区域进行网格加密，网格综合间距为4~200mm，质量为0.4，网格独立性及质量良好，湍流模型选用模拟采用Realizable（带旋流修正）k-ε模型，并根据现场实际运行参数确定模拟边界条件，见表1。2.2.2数值模拟结果分析通过标定项目实际运行参数，以三次风管上方500mm处为模拟投加位置，200t/d为模拟投加量，CFD数值模拟结果见图4，分解炉底部物料出口截面温度场基本呈均匀分布，无明显梯度跳跃和回流区域，分解炉轴向z=0截面温度场呈均布状态，底部下料口由于煤粉进行燃烧反应，温度呈梯度上升趋势，最终出口平均温度约为860℃，温度场总体无明显梯度变化，水泥窑烧成系统运行工况较为稳定。图3分解炉几何模型及网格划分表1边界条件图4出口截面主相温度云图及z=0截面主相温度云图3、运行影响分析3.1冷凝废水成分测定市政污泥干化过程中，饱和蒸汽对湿污泥进行间接传热，产生废气经旋风除尘器收集，随后进入冷凝器进行换热，产生冷凝废水排至厂内污水处理厂，采用“调节池+气浮+A/O”工艺处理，废水处理后取样检测结果见表2，根据GB/T19923—2005《城市污水再生利用工业用水水质标准》，处理后冷凝废水检测项目全部满足工业回用水质标准。表2冷凝废水处理与回用水质标准对比3.2水泥熟料质量影响分析生产水泥所用部分原料的化学成分特性与市政污泥近似，水泥窑协同处置市政污泥具有焚烧法减容、减量化的特征，同时燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，不需要对焚烧灰进行填埋处置，是一种两全其美的水泥生产途径。以巢湖海螺市政污泥处置运行项目为例，含两条新型干法熟料线，设计产量为10 000t/d左右，干化后含水率40%市政污泥处置量为200t/d，理论占比为0.20%，其成分波动的影响是有限的，对生料、熟料的化学成分及率值变化影响很小。水泥窑协同处置干化前后的水泥熟料质量对比数据见表3，在各项检测指标中，SiO2、Fe2O3、Na2O、P2O5、SM、C2S、C4AF和R2O的检测值较协同处置污泥前有小幅增加，C2S检测值增加值最大，为8.28%；C3S减少值最大，为8.0%，市政污泥协同处置后对水泥熟料品质影响较小。表3水泥窑协同处置污泥前后水泥熟料化学成分对比4、结束语试验以含水率80%市政污泥为研究对象，采用间接干化的方式进一步降低含水率，并对过程中产生的废气、废水进行综合收集处理。借助CFD模拟技术与水泥窑协同处置实际运行项目相结合，干化污泥投加分解炉后，炉