污泥协同处置技术及应用分析

苑卫军 杨征 王辉 韩明汝

(唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

我国每年产生大量的市政和工业污泥，按照近年污水产量分项统计数据推算，工业污泥的产生量约为市政污泥的40%左右[1]。污泥处置技术主要包括填埋、好氧发酵农用、天然干化综合利用、焚烧处置等。受环境影响和土地资源两方面的限制，污泥的焚烧和热解等热化学处理技术在欧、日等国家得到大力推广应用，欧盟、日本焚烧处置污泥量2005年分别占处置总量的38%，55%以上，而我国污泥焚烧处置量占比很少，仅占总量的2%～3%[1]。

目前，我国市政(工业)污泥的热化学处置应用包括单独焚烧和工业炉窑协同处置技术。相比而言，污泥的炉窑协同处置技术，在系统投资、运营成本以及处置规模方面都具有其独到的优势。本文通过对火电厂、水泥窑以及气化炉和冶金炉窑协同处置污泥技术应用状况深入分析，旨在抛砖引玉、拓宽思路，在研究现有协同处置应用存在的技术及政策不足的同时，进一步拓展协同处置污泥的工业炉窑的种类和技术路线。

1 我国火电厂与水泥窑协同处置

1.1 火电厂与水泥窑协同处置能力

1.1.1 火电厂协同处置能力分析

火电厂污泥掺烧会导致排烟热损失以及灰渣和飞灰中碳的不完全燃烧热损失增大，使锅炉效率降低，并在一定程度上降低锅炉出力。当污泥含水率较低并将掺烧比例控制在一定程度，特别是燃煤热值较高时，掺烧污泥对锅炉热效率的影响较小。当掺烧含水率为20%～40%的干化或半干化污泥，掺烧比例为3%～5%时，污泥掺烧对锅炉热效率的影响不大[2-3]。我国2016年用于发电的原煤消耗总量为182 666万t[4]，假设污泥(含水率30%)的掺烧比例为3%，全国火电厂原则上可以处理污泥量(含水率30%)为5 694万t/a，折合成含水率80%的湿污泥为19 929万t/a。

1.1.2 水泥窑协同处置能力分析

将掺烧污泥的含水率和掺烧比例控制在一定水平，污泥的掺烧对水泥窑系统和水泥熟料的性能基本不会产生影响。一般干燥污泥的发热量约为8.5～20 MJ/kg，平均发热量约为13.69 MJ/kg，根据污泥的实际发热量，将污泥的含水率控制在10%～30%之间，可以满足污泥在水泥工业替代燃料各方面的要求[5]，对水泥窑的热效率基本不会产生影响。当污泥的掺入量控制在基准配合比生料总量的1%(污泥在熟料中的最大残留值为0.88%)左右时，对水泥熟料性能也基本没有影响[6]。

截至2016年底，中国(不含港澳台)前50家大企业集团的水泥熟料设计年产能共计13.68亿t(占全国熟料总产能的75%)[7]。北京金隅水泥厂[8]生产熟料3 200 t/d，掺烧含水率35%的干化污泥，每天可处置湿污泥(含水率80%)500 t。依据此数据核算，年产13.68亿t水泥熟料，可协同处置湿污泥(含水率80%)约21 375万t/a。

1.2 我国火电厂与水泥窑协同处置现状

我国无论是火电厂还是水泥窑，就其协同焚烧处置污泥的总能力而言，都远远大于每年区区几千万吨的污泥总量，但我国目前污泥的协同处置量却非常有限。自2006年国家发改委批准了辽宁第一条水泥窑协同处置污泥生产线(年处置污泥58万t)后，许多地方也开始实施水泥窑协同处置污泥的工程计划，目前利用水泥窑协同处置污泥的企业数量还相对较少，其处置污泥总量远远低于总污泥量的1%[9]。我国一些电厂利用循环流化床(CFB)焚烧发电和余热干化后焚烧发电技术协同处置污泥，但其工程数量和处置总量非常有限。

我国协同处置污泥推广缓慢除了需要增加系统投资、湿污泥运输、污泥干化冷凝液回收、恶臭废气处理等问题以外，最主要的影响因素是污泥热干化过程的能耗过大。目前，国内火电厂和水泥窑协同处置污泥技术一般采用余热干化掺烧工艺，根据污泥干化热源不同，又分为烟气直接加热和蒸汽间接加热工艺。烟气为热源的直接干化工艺，以带式、转鼓式和流化床干化技术为代表，干化过程产生的含水气体与热烟气混合，必须进行脱臭等有效处理。水蒸气为热源的间接干化工艺，以转盘式、空心桨叶式、间接接触回转式和薄层干化技术为代表，干燥出的水分经冷凝后返回污水处理厂，产生的恶臭废气混入锅炉或水泥窑助燃风进行炉内焚烧处理，污染物处置比较彻底。但全过程处置成本较高，我国多数城市对市政污泥处置的政策性财政补贴约为200元/t左右，不足以弥补企业协同处置污泥经济效益的损失。

如果现有火电厂和水泥窑污泥协同处置的巨大潜能得以释放，则我国污泥处置无忧，但潜能完全释放的首要条件是污泥干化技术的革命性创新，就目前状况而言，强化政策性财政补贴是技术创新量变过程中的必要手段。

2 其他炉窑的协同处置技术

2.1 气化炉协同处置

气化炉协同处置污泥的工艺路线较多。章媛媛等[10]将煤气站污水处理产生的污泥自然风干至含水率60%，与气化用煤按0.34%，1.0%和1.68%的比例掺混后加入鲁奇气化炉内进行协同处置，结果显示，按照以上比例掺混气化，其生产工艺条件、能耗指标、产品质量及环境影响基本没有变化。安徽华谊化工有限公司将包括气化废水在内的化工废水污泥(含水率75%)与神府煤一起制成污泥煤浆用于多喷嘴水煤浆气化炉气化，煤浆中污泥含量为0.48%～0.49%，污泥的添加不仅未影响气化效果，而且还有效提高了煤浆的稳定性[11]。唐黎华等[12]利用工业污泥作为粘结剂，粘结剂按污泥(干基)添加量2%、白泥添加量0.3%的比例，与无烟煤混合压制污泥型煤，用于合成氨厂间歇气化炉造气。结果显示，污泥型煤的型煤特性和气化特性都相当或优于白泥型煤(5.5%白泥作为粘结剂)，其气化过程无二次污染产生。

煤制气过程中，气化物料的干燥、干馏热解、还原气化、氧化燃烧全部在气化炉内封闭环境中进行。入炉污泥所含的水分汽化转入煤气，然后随煤气冷却冷凝后回入污水系统进行处理，污泥中的挥发份转入煤气，污泥中固定碳在炉内经过氧化还原转化为煤气，以上物质的转移转化无二次污染产生。污泥中的重金属在气化炉造气过程中，有的会转移和转化到煤气中，有的会以某种形态残留在灰渣中，目前就污泥热处置过程中重金属的转移和转化问题的研究，主要集中在H2,CO2,N2和O2等介质环境，不同反应气氛影响重金属在高温下产物的转化和挥发方面。而污泥在气化炉内的热干化、热解、气化区域全部为CO/H2还原气氛，在以CO为主的高温还原气氛下，污泥重金属的转移和形态变化还有待进一步研究。另外，在气化炉内由热干化、热解、气化、焚烧氧化和灰层氧化的5个区域，全部有相当比例的水蒸气参与，水蒸气在高温反应区域对污泥重金属的影响如何，也需要进一步进行研究。总之，污泥中的重金属在气化炉协同处置过程中的形态变化和转移，相对单纯的热干化、热解、气化和焚烧更为复杂，需要在工业化试验中进一步检测和分析。

2.2 冶金炉窑协同处置

冶金炉窑协同处置污泥以烧结炉窑和高炉应用较为典型。张垒等[13]对含铬污泥烧结炼铁协同处置过程进行了规模化试验，结果表明：当铬泥配入比例低于0.05%时，对烧结工况、烧结产品无显著影响，污泥中的铬元素通过烧结矿流向铁水，协同处置过程无二次污染产生。邹方敏等[14]将高炉和转炉煤气(烟气)净化过程产生的污水污泥(含水率60%～70%)作为原料配水，通过喷嘴均匀混入烧结配料中协同处置，泥浆中的水分、CaO和SiO2等得到了有效利用，取得了良好的经济效益。黄强等[15]将钢丝绳污泥(钢丝绳企业酸洗、磷化废水处理后产生的污泥)与其他烧结原料、辅料充分混合，经配料工序送至烧结工序制成块状烧结矿，合格的成品烧结矿流入高炉系统进行冶炼，最终制成铁水。该生产性试验表明，烧结矿产量1 435 t/d，铁水产量1 050 t/d，在钢丝绳污泥50 t/d的配比下，利用烧结-高炉系统协同处置钢丝绳污泥，对职业健康、环境保护、产品质量的影响均在达标范围之内。

烧结和高炉等冶金类炉窑在协同处置重金属含量较高的工业污泥方面，具有其独有的优势，对其进行深入的试验和研究有利于深化工业污泥的有效处置。陈坤等[16]根据钢铁企业的高温废渣、高温废气和高温废水的特性，介绍了利用这些废热资源对污泥进行脱水干化的多种可能的技术路线，在此技术设想基础上，进行分析比较，并结合其他冶金工艺节点的特点进行有效组合，有可能会产生一种新的污泥协同处置工艺路线。例如张建等[17]以焦油渣为粘结剂，添加2%的酚氰污水产生的生化污泥制成型煤，并利用该型煤在小焦炉进行了配煤炼焦试验，结果表明：在配合煤中添加10%的该型煤炼焦，既可以对添加的污泥进行有效的热解处置，同时可以提高装炉煤的堆密度并改善焦炭质量。

类似气化炉和冶金炉窑类的工业炉窑种类繁多，所涉及的工业领域广泛，结合污泥特性和某些炉窑的工艺特点，开发更多工业炉窑协同处置污泥的工艺路线，有助于多渠道、低成本、就地化处置本企业产生的工业污泥。

3 结语

我国污泥产量逐年增长，目前就污泥无害化热处置技术的应用和推广而言，我国相对欧美日等发达国家还存在较大差距。随着我国环境治理力度的强化，污泥无害化热处置特别是炉窑协同处置技术开始受到重视。我国火电厂和水泥窑协同处置总体能力较强，但由于经济效益问题，企业协同处置污泥的积极性不高，致使行业实际处理量极为有限，这除了需要在经济补偿方面强化政策支持力度以外，还需要在工艺技术的创新优化方面多做文章。气化炉和烧结、高炉等其他炉窑在协同处置工业污泥方面具有适用范围广、就地处置成本低等，对其进行扩展性、挖潜性研发，有利于深化工业污泥的有效处置。