協同處置污泥對水泥窯的影響
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1.1 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）反應轉化為C3S（3CaO·SiO2）的比例下降，導致水泥強度發展緩慢、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，凝結時間變短，對熟料強度產生不利影響；污泥中過量的磷會促使C3S分解為CaO和α-C2S。
1.2 對熟料生產設備的影響
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設備和熟料性質有負面影響。南京純水設備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，導致生產不穩定。
1.3 對系統能耗的影響
摻燒污泥時，污泥所含水分蒸發產生的煙氣量與為保證分解爐內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，系統阻力增大，預熱器換熱效率下降，進而導致窯系統的熱平衡及物料平衡的關系產生變化，導致高溫風機風量上升，窯尾預熱器的排氣溫度升高，系統的總熱耗增加。高長明通過分析北京金隅和廣州越堡的數據認為，污泥水泥窯協同處置系統中，水分的進入導致單位熟料熱耗增加3%～4%、電耗增加8%～12%；饒珊珊等發現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水泥熟料生產線協同處置200 t含水率80%污泥（單條生產線），統計燃煤量約150 kg/t濕污泥。
經深度脫水或干化處理后，污泥可為水泥窯提供一定熱量。
1.4 對系統風量的影響
水泥窯是敏感的熱工系統，熱流、氣流及物料流的變化會打破系統本身的平衡。潘泂等以5 000 t/d規模水泥窯處理620 t/d污泥測算，因增加污泥喂料系統和污泥帶入的水分導致窯尾廢氣處理系統風量增加15%～20%。孔祥娟等也提出，未完全干化污泥中的水分在水泥窯協同處置過程中蒸發時體積會大幅膨脹，給窯尾排風機帶來負面影響。
1.5 對煙氣中NOx的影響
在工程和試驗中均發現，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。
1.6 對煙氣中重金屬的影響
在各類重金屬中，高揮發性元素汞（Hg）主要凝結在窯灰上或隨煙氣帶走形成外循環和排放。有研究建議，污泥在水泥行業使用時汞含量不應超過0.5 mg/kg；荷蘭禁止含汞污泥在發電廠協同處置，南京實驗室純水設備同時也為水泥窯設定了汞的特殊限值。易揮發元素鉈（Tl）絕大部分滯留在預熱器內，少量可隨窯灰帶回窯系統，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。
2 污泥水泥窯協同處置能力分析
2.1 水泥窯規模及變化
我國相關標準規范提出，污泥水泥窯協同處置宜在2 000 t/d及以上新型干法水泥熟料生產線上進行。
我國2016 年的水泥產量約占全世界產量的60%；據水泥協會公開數據顯示，截至2017年底，全國新型干法水泥生產線累計1 715條，設計年熟料產能達18.2億t，實際年熟料產能超過20億t。仍在運行的2 500 t/d以下的水泥熟料生產線目前比例為18%；2 500～5 000 t/d生產線最多，達到57%；5 000～10 000 t/d生產線占24%，高于10 000 t/d的生產線小于1%。
《水泥工業“十三五”發展規劃》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同處置生活垃圾、城市污泥、產業危險廢棄物的水泥熟料生產線有100多條；雖然到2020年末我國將壓減水泥熟料產能20%（4億t），但水泥窯協同處置生產線占比將由2015年的3%提高至15%。
假設目前全國10%的水泥窯熟料產能可用于協同處置污泥，則每年有2億t熟料產能可供利用；按照脫水污泥與熟料產量比例為5%計算，每年2億t熟料產量可協同處置脫水污泥1 000萬t，約為我國污泥總產量的1/5。
2.2 協同處置發展趨勢
2.2.1水泥行業碳減排的需求將促進污泥水泥窯協同處置的應用
水泥行業的碳排放占世界碳排放總量的5%，南京純水設備預計至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，污泥水泥窯協同處置將有效減少碳排放，促進水泥行業的綠色轉型。
2.2.2科學的決策方法將促進污泥水泥窯協同處置的應用
在當前技術經濟條件下，污泥水泥窯協同處置在很多情況下將是多目標分析推薦的最優方案。Rolf等對瑞士污泥處置技術路線進行了多目標分析，發現“干化+水泥窯協同處置”的環境指標和經濟指標最優，成本—效益分析得分最高；Vouk等對克羅地亞北亞德里亞地區的多種污泥處置方式進行了比較，發現污泥水泥窯協同處置是經濟性最佳的方案，也是經濟風險最低的方案。
2.2.3磷回收需求將影響污泥水泥窯協同處置的應用
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國家而言，水泥窯協同處置將是一種安全而且環境友好的方案。
2.3 協同處置形式
目前各類污泥水泥窯協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年后建成的協同處置設施主要接收經深度脫水、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%，單條生產線接收污泥量100～300 t/d居多。
預計新建污泥水泥窯協同處置設施將以接收深度脫水和干化污泥為主，南京實驗室純水設備單條生產線污泥處置規模一般為300 t/d以下。
3 建議及展望
根據對水泥生產企業的調研結果，提出如下建議：
（1）建設循環經濟產業園，不同的污染企業可實現物質循環，形成產品-原料鏈條。
（2）建議在嚴格監管的基礎上，實現污泥的跨境處理，從而充分發揮水泥窯的處置潛力。
（3）企業和政府的責任劃分和付費主體應進一步明確。
（4）建議政府協調各污泥處理水泥窯的檢修時間，避免污泥積壓。
（5）建議政府出臺污泥水泥窯協同處置優惠政策，如污泥協同處置電價補貼。
污泥水泥窯協同處置具有有機物分解徹底、二次污染少、環境與經濟效益顯著等特點；此技術在我國已經有近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穩定運行，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，污泥水泥窯協同處置不失為一種較好的選擇。
隨著環境治理程度的逐步深化、污泥處置管理工作的逐步規范，污泥水泥窯協同處置的優勢將更加明顯、應用將更加普遍，污泥水泥窯協同處置將迎來高速發展階段。
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