小編說：總結(jié)了協(xié)同處置污泥對水泥窯設備運行工況、產(chǎn)品性能及污染物控制等方面的影響。對污泥水泥窯協(xié)同處置的項目規(guī)模、協(xié)同處置形式和發(fā)展趨勢進行了分析，最后提出了發(fā)展建議和展望。
1 協(xié)同處置污泥對水泥窯的影響
1.1 對熟料生產(chǎn)設備的影響
目前我國大部分項目的污泥處置量為100～600 t/d，進廠污泥含水率30%～80%，灰分40%～60%。污泥加入后對生料組分影響較小，但是當一些微量元素過量時對水泥窯的生產(chǎn)設備和熟料性質(zhì)有負面影響。當原料中氯元素含量較多時，易在窯尾、風管和排風機等處生成低溫共熔物而結(jié)皮并堵塞通道；硫、氯、熔融組分能侵蝕耐火磚，降低保溫效果，導致生產(chǎn)不穩(wěn)定。
廣州越堡的經(jīng)驗表明，分解爐在處理城市污泥后，生料分解的有效空間減少3%～5%，分解爐內(nèi)生料分解區(qū)間的熱負荷增加6%～10%，從穩(wěn)定分解爐操作狀態(tài)的角度考慮，需適當降低水泥窯系統(tǒng)的產(chǎn)量以保證水泥熟料的質(zhì)量及污泥的徹底焚燒；重慶拉法基南山工廠發(fā)現(xiàn)，焚燒污泥時窯尾10 m內(nèi)會結(jié)皮，當停燒污泥時結(jié)皮現(xiàn)象消失，通過增加預熱器通風可緩解結(jié)皮現(xiàn)象；北京水泥廠投加污泥導致分解爐出口煙氣溫度有所上升，而且污泥在爐內(nèi)燃燒導致原有的溫度曲線發(fā)生變化，窯內(nèi)物料的液態(tài)過早出現(xiàn)，導致出現(xiàn)結(jié)皮等現(xiàn)象；山東某水泥廠2017年接收污泥的氯離子含量達0.4%，易造成預熱器及下料管堵塞，降低水泥窯和水泥磨的運轉(zhuǎn)率；華新水泥（黃石）項目的經(jīng)驗也表明，協(xié)同處置會令水泥熟料減產(chǎn)，當入窯水量為1 t時會導致熟料減產(chǎn)2 t，單窯熟料產(chǎn)量可由5 500 t/d下降至5 200 t/d。
1.2 對熟料礦物相及強度的影響
當污泥投加比例適度時，引入的微量元素在熟料燒結(jié)過程中起到了礦化和助熔的作用，改善了水泥生料的易燒性。一般情況下，污泥摻入量在1%～5%，可降低熟料中游離鈣（f-CaO）的含量。當污泥投加比例適度時，可提高水泥強度；當投加比例超過2%～2.5%時，水泥的早期強度將有所下降，原因可能是：污泥中SiO2在生料中的比例過高導致C2S（2CaO·SiO2）反應轉(zhuǎn)化為C3S（3CaO·SiO2）的比例下降，導致水泥強度發(fā)展緩慢、早期強度低；污泥中堿的過量存在能夠破壞熟料礦物的形成，使得水化過快，凝結(jié)時間變短，對熟料強度產(chǎn)生不利影響；污泥中過量的磷會促使C3S分解為CaO和α-C2S。
在廣州越堡項目中，2009年熟料3 d平均強度為33.2 MPa、28 d平均強度為60.8 MPa，處置污泥后沒有影響水泥熟料質(zhì)量；萬安華新項目中，熟料強度下降不明顯，仍處于正常波動范圍之內(nèi)（變動范圍<3%）。
1.3 對系統(tǒng)風量的影響
水泥窯是敏感的熱工系統(tǒng)，熱流、氣流及物料流的變化會打破系統(tǒng)本身的平衡。潘泂等以5 000 t/d規(guī)模水泥窯處理620 t/d污泥測算，因增加污泥喂料系統(tǒng)和污泥帶入的水分導致窯尾廢氣處理系統(tǒng)風量增加15%～20%?？紫榫甑纫蔡岢?，未完全干化污泥中的水分在水泥窯協(xié)同處置過程中蒸發(fā)時體積會大幅膨脹，給窯尾排風機帶來負面影響。
廣州越堡項目中，處理城市污泥后系統(tǒng)的總通風量增加幅度為5%～10%；處理城市污泥導致進入高溫風機的煙氣溫度增加5～10 ℃，工況風量隨著煙氣量和煙氣溫度的增加而增大，對熟料生產(chǎn)能力有較明顯的影響；山鋁、湖州等部分水泥廠協(xié)同處置含水率大于50%的污泥時，窯尾預熱器溫度上升5～20 ℃，窯尾高溫風機風量增加。
1.4 對系統(tǒng)能耗的影響
摻燒污泥時，污泥所含水分蒸發(fā)產(chǎn)生的煙氣量與為保證分解爐內(nèi)足夠熱力強度而補充用煤增加的窯尾煙氣量相疊加，導致預熱器風速增加，系統(tǒng)阻力增大，預熱器換熱效率下降，進而導致窯系統(tǒng)的熱平衡及物料平衡的關系產(chǎn)生變化，導致高溫風機風量上升，窯尾預熱器的排氣溫度升高，系統(tǒng)的總熱耗增加。高長明通過分析北京金隅和廣州越堡的數(shù)據(jù)認為，污泥水泥窯協(xié)同處置系統(tǒng)中，水分的進入導致單位熟料熱耗增加3%～4%、電耗增加8%～12%；饒珊珊等發(fā)現(xiàn)污泥在窯尾煙室投加時，喂煤量保持不變的情況下，熟料的產(chǎn)量下降10%左右，折合燃煤量為310.1 kg/t濕污泥；湖州南方水泥有限公司利用5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線協(xié)同處置200 t含水率80%污泥（單條生產(chǎn)線），統(tǒng)計燃煤量約150 kg/t濕污泥
經(jīng)深度脫水或干化處理后，污泥可為水泥窯提供一定熱量。廣州越堡項目發(fā)現(xiàn)，隨著污泥含水率的波動，其對窯尾總熱量的貢獻率在1%～10%變化，2009年進廠污泥平均熱值（干基低位熱值）13.79 MJ/kg（1 MJ/kg=239.14 Kcal/kg），污泥干化過程中，熱值隨著有機物的減少而損失，實測每噸污泥（折合為80%含水率）可節(jié)省原煤170 kg；華新水泥（黃石）項目中，當入窯污泥含水率為50%時（熱值650 Kcal/kg），窯內(nèi)熱值平衡；當含水率為80%時，每噸污泥需補煤120 kg（5 000 Kcal/kg）；根據(jù)萬安華新項目的經(jīng)驗，污泥干基熱值為800～1 000 Kcal/kg且污泥含水率小于30%～40%時會節(jié)煤。
1.5 對煙氣中重金屬的影響
在各類重金屬中，高揮發(fā)性元素汞（Hg）主要凝結(jié)在窯灰上或隨煙氣帶走形成外循環(huán)和排放。有研究建議，污泥在水泥行業(yè)使用時汞含量不應超過0.5 mg/kg；荷蘭禁止含汞污泥在發(fā)電廠協(xié)同處置，同時也為水泥窯設定了汞的特殊限值。易揮發(fā)元素鉈（Tl）絕大部分滯留在預熱器內(nèi)，少量可隨窯灰?guī)Щ馗G系統(tǒng)，隨廢氣排放的約占0.01%。
污泥中的其他重金屬對煙氣的達標排放影響較小。郭慶海等通過水泥窯協(xié)同處置石灰干化污泥，發(fā)現(xiàn)煙氣中重金屬濃度雖然有所提高，但是仍低于排放上限一個數(shù)量級；聶小琴等的小試表明，干化污泥協(xié)同處置時煙氣中的重金屬濃度僅提高10%～28%。
1.6 對煙氣中NOx的影響
在工程和試驗中均發(fā)現(xiàn)，污泥摻燒可降低水泥窯的NOx排放量，減少氨水投量。原因推測如下：污泥中的氨類、氰、烴根等還原性成分可將煙氣中的NOx還原成氮氣；污泥消耗氧氣或通過水煤氣反應形成CO，消耗NOx形成所需氧氣并還原NOx；污泥通過炭化作用生成活性炭，吸附或還原NOx。
廣州越堡項目發(fā)現(xiàn)，污泥干化后可作為脫硝材料使用，系統(tǒng)NOx排放值230 mg/Nm3（10%O2）；重慶拉法基南山工廠中，投加污泥后水泥窯煙氣的SO2含量無變化，NOx含量下降；華新水泥（黃石）項目中發(fā)現(xiàn)，處置RDF和污泥后NOx減排量可達20%～30%，可減少氨投加量70%；遵義拉法基項目投加RDF和污泥后，窯尾NOx和SO2排量會下降，NOx的減排效果更為明顯。
2 污泥水泥窯協(xié)同處置能力分析
2.1 水泥窯規(guī)模及變化
我國相關標準規(guī)范提出，污泥水泥窯協(xié)同處置宜在2 000 t/d及以上新型干法水泥熟料生產(chǎn)線上進行。不同規(guī)模的熟料生產(chǎn)線污泥處置能力如表1所示。
我國2016 年的水泥產(chǎn)量約占全世界產(chǎn)量的60%；據(jù)水泥協(xié)會公開數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底，全國新型干法水泥生產(chǎn)線累計1 715條，設計年熟料產(chǎn)能達18.2億t，實際年熟料產(chǎn)能超過20億t。仍在運行的2 500 t/d以下的水泥熟料生產(chǎn)線目前比例為18%；2 500～5 000 t/d生產(chǎn)線最多，達到57%；5 000～10 000 t/d生產(chǎn)線占24%，高于10 000 t/d的生產(chǎn)線小于1%。
《水泥工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出，截至2017年，我國依托新型干法水泥窯技改建成或正在建設協(xié)同處置生活垃圾、城市污泥、產(chǎn)業(yè)危險廢棄物的水泥熟料生產(chǎn)線有100多條；雖然到2020年末我國將壓減水泥熟料產(chǎn)能20%（4億t），但水泥窯協(xié)同處置生產(chǎn)線占比將由2015年的3%提高至15%。
假設目前全國10%的水泥窯熟料產(chǎn)能可用于協(xié)同處置污泥，則每年有2億t熟料產(chǎn)能可供利用；按照脫水污泥與熟料產(chǎn)量比例為5%計算，每年2億t熟料產(chǎn)量可協(xié)同處置脫水污泥1 000萬t，約為我國污泥總產(chǎn)量的1/5。
2.2 協(xié)同處置形式
目前各類污泥水泥窯協(xié)同處置項目的脫水污泥處置能力總計超過6 000 t/d。部分中小城市的水泥窯協(xié)同處置設施以污泥窯尾直噴為主，污泥干化設施多為2010年前后建成并投入運營，2015年后建成的協(xié)同處置設施主要接收經(jīng)深度脫水、干化或采用其他方式處理后的污泥，污泥含水率一般為30%～60%，單條生產(chǎn)線接收污泥量100～300 t/d居多。
預計新建污泥水泥窯協(xié)同處置設施將以接收深度脫水和干化污泥為主，單條生產(chǎn)線污泥處置規(guī)模一般為300 t/d以下。
2.3 協(xié)同處置發(fā)展趨勢
2.3.1 磷回收需求將影響污泥水泥窯協(xié)同處置的應用
目前部分國家對污水中磷回收的重視程度日益增強，由于無法回收污泥中的磷，污泥水泥窯協(xié)同處置可能因此受到影響。
德國的研究表明，從污水和污泥中提取的磷理論上可替代其60%的磷進口量。因此最新的德國污泥處置法規(guī)修訂稿提出污泥中磷含量超過20 g/kg時不得混合焚燒，應在熱處理前通過化學沉淀制備鳥糞石，污泥單獨焚燒產(chǎn)生的爐渣應作為肥料或單獨儲存以便后期回用做肥料。
應該說明的是，污泥處置方式與成本密切相關。發(fā)達國家用于污泥處置的費用較高，但是對于投資不足以支持諸如磷回收等技術的大多數(shù)國家而言，水泥窯協(xié)同處置將是一種安全而且環(huán)境友好的方案。
2.3.2 水泥行業(yè)碳減排的需求將促進污泥水泥窯協(xié)同處置的應用
水泥行業(yè)的碳排放占世界碳排放總量的5%，預計至2050年，世界水泥需求量將保持增長趨勢。采用替代能源可減少化石燃料的消耗，污泥水泥窯協(xié)同處置將有效減少碳排放，促進水泥行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。
2.3.3 科學的決策方法將促進污泥水泥窯協(xié)同處置的應用
在當前技術經(jīng)濟條件下，污泥水泥窯協(xié)同處置在很多情況下將是多目標分析推薦的最優(yōu)方案。Rolf等對瑞士污泥處置技術路線進行了多目標分析，發(fā)現(xiàn)“干化+水泥窯協(xié)同處置”的環(huán)境指標和經(jīng)濟指標最優(yōu)，成本—效益分析得分最高；Vouk等對克羅地亞北亞德里亞地區(qū)的多種污泥處置方式進行了比較，發(fā)現(xiàn)污泥水泥窯協(xié)同處置是經(jīng)濟性最佳的方案，也是經(jīng)濟風險最低的方案。
3 建議及展望
3.1 建議
根據(jù)對水泥生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，提出如下建議：
（1）建設循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園，不同的污染企業(yè)可實現(xiàn)物質(zhì)循環(huán)，形成產(chǎn)品-原料鏈條。
（2）建議政府協(xié)調(diào)各污泥處理水泥窯的檢修時間，避免污泥積壓。
（3）建議在嚴格監(jiān)管的基礎上，實現(xiàn)污泥的跨境處理，從而充分發(fā)揮水泥窯的處置潛力。
（4）企業(yè)和政府的責任劃分和付費主體應進一步明確。
（5）建議政府出臺污泥水泥窯協(xié)同處置優(yōu)惠政策，如污泥協(xié)同處置電價補貼。
3.2 展望
污泥水泥窯協(xié)同處置具有有機物分解徹底、二次污染少、環(huán)境與經(jīng)濟效益顯著等特點；此技術在我國已經(jīng)有近20年的研究與實踐，有多種類型的設施相繼投入使用并持續(xù)穩(wěn)定運行，充分證明其具有較高的可靠性。因此在當前污泥填埋、土地利用或其他資源化利用出路不順暢的情況下，污泥水泥窯協(xié)同處置不失為一種較好的選擇。
隨著環(huán)境治理程度的逐步深化、污泥處置管理工作的逐步規(guī)范，污泥水泥窯協(xié)同處置的優(yōu)勢將更加明顯、應用將更加普遍，污泥水泥窯協(xié)同處置將迎來高速發(fā)展階段。
致謝：本文為國家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的專項課題“污泥在水泥窯協(xié)同焚燒調(diào)研”工作成果，感謝廣州市越堡水泥有限公司、重慶拉法基水泥有限公司、上海萬安華新水泥有限公司、北京水泥廠有限公司、華新環(huán)境工程（黃石）有限公司、遵義三岔拉法基瑞安水泥有限公司、安徽銅陵海螺水泥有限公司對現(xiàn)場調(diào)研活動的支持和指導。
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