水泥窑协同处置城市污泥的生产实践
水泥窑协同处置城市污泥的生产实践
摘要
介绍了水泥窑协同处置城市污泥的生产工艺及废气处置工艺，分析了城市污泥掺入生料配料煅烧水泥熟料的可行性，并通过对掺加城市污泥前后熟料的化学分析、物理性能及熟料六价铬、Cl-、SO3等有害成分进行比对，分析了城市污泥对熟料质量及窑系统的影响。结果表明，在合理掺量的前提下，城市污泥对熟料质量没有影响，而且熟料煤耗略有降低，实现经济和社会效益双盈。
1 水泥窑及危废生产线情况介绍
某公司位于山西省长治市潞城区，拥有一条2 500 t/d水泥熟料生产线，回转窑规格为Φ3.9 m×42 m，篦冷机为FDC-2 600T第四代篦冷机，烧成系统采用单列五级旋风预热器+RFC 5705 SP70型喷旋相结合的复合流场型分解炉。为保护生态环境，实现绿色低碳发展，2022年建成一条专用于处置固态危废的生产线，水泥窑及固态危废处置线主要的工艺设备见表1。
2 原材料的化学分析及煤粉工业分析
该公司生料采用石灰石、尾矿砂、炉渣和钢渣四组分配料，原、燃材料化学分析及入窑煤粉工业分析分别见表2、表3。
表1 水泥窑及城市污泥处置系统主要设备
表2 原材料化学分析%
表3 入窑煤粉工业分析
3 城市污泥的物理化学性质
该公司协同处置的城市污泥来自长治市深水水务有限公司，物料已经过初脱水，呈固态块状，颜色为棕褐色，含水率约45%，用吨包袋装由汽车运输进厂，主要化学成分及热值见表4，重金属分析见表5。
表4 城市污泥的主要化学成分及热值
表5 城市污泥重金属及有害成分检测结果ppm
由表4可见，城市污泥主要化学成分为SiO2、Al2O3，属硅铝质原料，掺入生料配料煅烧水泥熟料，能替代部分尾矿砂和炉渣，且城市污泥含有热值，会降低熟料烧成煤耗。
由表5可见，城市污泥重金属及有害成分主要为Cr、Cl-和S，因此在协同处置过程中，应关重点注熟料六价铬、Cl-及SO3成分。
4 协同处置城市污泥及废气处置工艺
4.1 处置工艺
进厂的城市污泥存放在固态危废库房，处置时由叉车运送至污泥喂料斗，经齿辊破碎机破碎后，由皮带机输送至称重缓冲仓，叉车可根据仓重自行调整上料速度，再经皮带秤计量后，输送至生料磨入磨皮带，与石灰石及其他原材料一起经密封喂料器入生料磨粉磨，工艺流程图如图1所示。
4.2 废气处置工艺
城市污泥储存库及预处理车间设计有废气处置管道，污泥产生的异味均能被抽走，气体管路分两路。水泥窑正常生产时，废气管道经接力风机被抽送到篦冷机高温段风机的进口，入篦冷机后变成高温二次空气入窑；水泥窑停机时，由废气排风机将气体引至活性炭吸附系统，经过处理达标后排入大气。
图1 协同处置城市污泥工艺流程
5 掺加城市污泥的配料方案
该公司熟料三率值指标为KH=0.91±0.02，n=2.60±0.10，P=1.40±0.10，考虑城市污泥化学成分的影响，将配料方案调整为KH=0.92±0.02，n=2.65±0.10，P=1.35±0.10，以避免液相较多对窑系统的影响。经配料理论计算，城市污泥掺加量可达5%，但因考虑熟料六价铬及Cl-的影响，为保证窑系统及熟料质量的稳定，初步掺加量定为2.5%，掺加城市污泥前后原材料配比见表6。
表6 掺加城市污泥前后原材料配比%
6 协同处置对生产的影响
6.1 对熟料性能的影响
掺加城市污泥前后熟料的化学分析及矿物组成见表7，熟料物理性能见表8。
由表7、表8可见，2.5%城市污泥掺入生料配料时，在原材料不变的情况下，熟料化学成分及矿物组成基本稳定，城市污泥投加后熟料初凝和终凝时间略显延长，但均满足国家标准要求。强度及其他物理性能未出现明显变化。
表7 掺加城市污泥前后熟料化学分析及矿物组成
表8 掺加城市污泥前后熟料物理性能
6.2 熟料六价铬、Cl-及SO3分析
掺加城市污泥前后熟料六价铬、Cl-及SO3结果对比见表9。
表9 掺加城市污泥前后熟料六价铬、Cl-及SO3结果对比
该公司熟料部分内控指标：Cl-≤0.045%，R2O≤0.70%，Cr6+≤10 mg/kg。通过表9可以看出，城市污泥按照2.5%配比加入生料配料，熟料中六价铬、Cl-、SO3有所增加，但符合公司内控指标，同时也符合《水泥窑协同处置固体废物技术规范》（GB 30760—2014）限值要求。
6.3 窑产量及能耗分析
水泥窑协同处置市政污泥前后产量及能耗参数见表10。
表10 水泥窑协同处置市政污泥产量及能耗参数
从表10可以看出，城市污泥按照2.5%比例掺入配料，对窑系统的产量没有造成影响，电耗增加2.4 kWh/t，因污泥含有热值，熟料实物煤耗降低0.6 kg/t。
7 生产中存在的问题及解决办法
1）城市污泥的下料问题
因污泥用量小，且水分偏大，污泥仓底下料口易堵塞。检修期间，一是对下料锥体及下料口进行技改，扩大下料口；二是在污泥缓冲仓底部增加仓壁振动器，当断料时，振动器自动开启，解决了城市污泥的断料问题。
2）系统结皮问题
窑系统在处理城市污泥后，现场反映窑尾烟室及分解炉下缩口部位结皮较之前严重，从窑尾烟室取结皮样对有害成分进行了分析，与正常熟料对比，硫、碱含量明显升高，硫碱比偏高。生产中通过调整高温风机及三次风阀，窑尾烟室O2含量控制2.5%~3.0%之间，预热器C1出口CO控制在300 ppm以下，确保窑头及分解炉煤粉燃烧充分。同时重视篦冷机的厚料层操作，提高二、三次风温，促进煤粉的燃烧和窑内温度的提高，窑内O2含量富裕时系统结皮会有所缓解。检修期间在窑尾烟室结皮部位加装两个空气炮，同时在烟室内部安装抗结皮微晶板材，该板材具有抗结皮、耐高温、耐腐蚀、热稳定性好等优良性能，有效缓解了烟室部位结皮。
8 经济效益和社会效益
该公司将城市污泥掺入生料配料煅烧水泥熟料，实现了变废为宝，解决了长治市区污水处理可持续发展的瓶颈，为当地的环保工作做出了贡献。按照回转窑开机天数及掺加量，每年可处置1.8万t城市污泥，城市污泥的处置成本为720元/t（包含人工、电力、维修、折旧、检测等费用），城市污泥处置服务费为800元/t（不含税），年城市污泥处置利润约为144万元，经济效益显著。