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污泥協同處置技術及應用分析

發布時間:2021-06-04
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苑衛軍楊征王輝韓明汝
(唐山科源環保技術裝備有限公司河北唐山 063000)

摘要:對我國火電廠、水泥窯在污泥協同處置方面的基本情況進行了簡要介紹和分析,并對氣化爐、燒結窯爐和冶金高爐等爐窯在污泥協同處置方面的應用技術進行了簡要介紹。指出我國火電廠和水泥窯協同處置能力較強,但由于經濟效益問題,企業協同處置污泥的積極性不高,緻使行業實際處理量遠小于其處理能力。同時指出氣化爐、燒結窯爐和冶金高爐等其他爐窯在協同處置工業污泥方面具有适用範圍廣、就地處置成本低等優勢,需要對其進行擴展性、挖潛性研發。
關鍵詞:市政污泥;工業污泥;協同處置;火電廠;水泥窯;氣化爐;冶金爐窯
Sludge co-processing technology and application analysis
Yuan Weijun   Yan Zheng   Wang Hui   Han Mingru
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd  Tangshan Hebei  063000)
Abstract: This paper briefly introduces and analyzes the basic situation of coal-fired power plant and cement kiln in the co-disposal of sludge, and briefly introduces the application technology of sludge in co-processing of gasifier, sintering kiln and metallurgical blast furnace.Introduction.It is pointed out that China's thermal power plants and cement kiln have strong co-processing capabilities, but due to economic benefits, the enthusiasm of enterprises to co-process sludge is not high, resulting in the actual processing capacity of the industry is much smaller than its processing capacity.At the same time, it is pointed out that other furnaces such as gasifiers, sintering kiln and metallurgical blast furnaces have the advantages of wide application range and low in-situ disposal cost in co-processing industrial sludge, and need to be developed and tapped.
Key words: municipal sludge; industrial sludge; co-processing; thermal power plant; cement kiln; gasifier; metallurgical furnace
0引言
        2016年全國生活用水量為821.6×109m3【1】,假設對全部生活污水進行處理,按照一般污水處理廠處理1萬噸生活污水産生污泥(含水80%)5-8噸計算,2016年全國污泥(含水80%)産生量約為4108-6573萬噸。除市政污泥外,我國每年還會産生大量的工業污泥,按照近年污水産量分項統計數據推算,工業污泥的産生量約為市政污泥的40%左右。目前污泥處置技術主要包括填埋、好氧發酵農用、天然幹化綜合利用、焚燒處置等。受環境影響和土地資源兩方面的限制,污泥的焚燒和熱解等熱化學處理技術日益在歐、日等國家大力推廣應用,在歐盟焚燒處置污泥的量2005年已占處置總量的10%以上,在日本焚燒處置污泥占污泥處置總量的比例2005年為55%,至2011年這一比例數據已增長為66.9%,相比之下,我國污泥焚燒處置量占比很少,僅占總處置量的2-3%【2,3】。
       目前,我國市政(工業)污泥的熱化學處置應用包括單獨焚燒和工業爐窯協同處置技術。相比而言,污泥的爐窯協同處置技術,在系統投資、運營成本以及處置規模方面都具有其獨到的優勢。本文通過對火電廠、水泥窯以及氣化爐和冶金爐窯協同處置污泥技術應用狀況深入分析,旨在抛磚引玉、拓寬思路,在解決現有協同處置應用存在的技術及政策不足的同時,進一步拓展協同處置污泥的工業爐窯的種類和技術路線。
1我國火電廠與水泥窯協同處置
1.1火電廠與水泥窯協同處置能力
1.1.1火電廠協同處置能力分析
       火電廠污泥摻燒會導緻排煙熱損失以及灰渣和飛灰中碳的不完全燃燒熱損失增大,使鍋爐效率降低,并在一定程度上降低鍋爐的出力。當污泥含水率較低并将摻燒比例控制在一定程度,特别是燃煤熱值較高時,摻燒污泥對鍋爐熱效率的影響較小。當摻燒含水率為20-40%的幹化或半幹化污泥,其摻燒比例為3-5%時,污泥的摻燒對鍋爐熱效率的影響不大【4-7】。我國2016年用于發電的原煤消耗總量為182666萬噸【8】,假設污泥(含水率30%)的摻燒比例為3%時,全國火電廠原則上可以處理污泥量(含水率30%)為5694萬噸/年,折合成含水率80%的濕污泥為19929萬噸/年。
1.1.2 水泥窯協同處置能力分析
       将摻燒污泥的含水率和摻燒比例控制在一定水平,污泥的摻燒對水泥窯系統和水泥熟料的性能基本不會産生影響。一般幹燥污泥的發熱量約為 8.5-20MJ/kg,平均發熱量約為 13.69MJ/kg,根據污泥的實際發熱量,将污泥的含水率控制在 10%-30%之間,可以滿足污泥在水泥工業替代燃料各方面的要求【9】,對水泥窯的熱效率基本不會産生影響。當污泥的摻入量控制在基準配合比生料總量的1%(污泥在熟料中的最大殘留值為0.88%)左右時,對水泥熟料性能也基本沒有影響【10】。
       截止2016年底,中國(不含港澳台)前50家大企業集團的水泥熟料設計年産能共計13.68億噸(占全國熟料總産能的75%)【11】。北京金隅水泥廠【12】生産熟料3200t/d,摻燒含水率35%的幹化污泥,每天可處置濕污泥(含水率80%)500噸。依據此數據核算,年産13.68億噸水泥熟料,可協同處置濕污泥(含水率80%)約21375萬噸/年。
1.2 我國火電廠與水泥窯協同處置現狀
       無論是我國的火電廠還是水泥窯,就其協同焚燒處置污泥的總能力而言,都遠遠大于我國每年區區幾千萬噸的污泥總量,但我國目前污泥的協同處置量卻非常有限。自2006年國家發改委批準了遼甯第一條水泥窯協同處置污泥生産線(年處置污泥58萬噸)後,許多地方也開始實施水泥窯協同處置污泥的工程計劃,目前利用水泥窯協同處置污泥的企業數量還相對較少,其處置污泥總量遠遠低于總污泥量的1%【13】。目前我國一些電廠利用循環流化床(CFB)焚燒發電和餘熱幹化後焚燒發電技術協同處置污泥,但其工程數量和處置總量非常有限。
       我國協同處置污泥推廣緩慢的原因除了需要增加系統投資、濕污泥運輸、污泥幹化冷凝液回收、惡臭廢氣處理等問題以外,其最主要的影響因素是污泥熱幹化過程的能耗過大。目前,國内火電廠和水泥窯協同處置污泥技術一般采用餘熱幹化摻燒工藝。根據污泥幹化熱源不同,污泥餘熱幹化又分為煙氣直接加熱和蒸汽間接加熱工藝。以煙氣為熱源的直接幹化工藝,以帶式幹化、轉鼓式幹化和流化床幹化技術為代表,幹化過程産生的含水氣體與熱煙氣混合,必須對其進行脫臭等有效處理。以水蒸氣為熱源的間接幹化工藝,以轉盤式幹化、空心槳葉式幹化、間接接觸回轉式幹化和薄層幹化技術為代表,幹化過程幹燥出的水分經冷凝後返回污水處理廠,産生的惡臭廢氣混入鍋爐或水泥窯助燃風進行爐内焚燒處理,污泥幹化過程産生的污染物處置比較徹底。但全過程處置成本較高,我國多數城市對市政污泥處置的政策性财政補貼約為200元/噸左右,不足以彌補企業協同處置污泥經濟效益的損失。
       如果現有火電廠和水泥窯污泥協同處置的巨大潛能得以釋放,則我國污泥處置無憂,但潛能完全釋放的首要條件是污泥幹化技術的革命性創新,就目前狀況而言,強化政策性财政補貼是技術創新量變過程中必要手段。
2其他爐窯的協同處置技術
2.1 氣化爐協同處置
       氣化爐協同處置污泥的工藝路線較多。章媛媛等【14】将煤氣站污水處理産生的污泥自然風幹至含水率60%後,與氣化用煤按照0.34%、1.0%和1.68%的比例摻混後加入魯奇氣化爐内進行協同處置。結果顯示,按照以上比例摻混氣化,其生産工藝條件、能耗指标、産品質量以及環境影響基本沒有變化。安徽華誼化工有限公司【15】将包括氣化廢水在内的化工廢水污泥(含水率75%)與神府煤一起制成污泥煤漿用于多噴嘴水煤漿氣化爐氣化,煤漿中污泥含量為0.48-0.49%,污泥的添加不僅未影響氣化效果,而且還有效提高了煤漿的穩定性。唐黎華等【17】利用工業污泥作為粘結劑,粘結劑按照污泥(幹基)添加量2%、白泥添加量0.3%的比例,與無煙煤混合壓制污泥型煤,用于合成氨廠間歇氣化爐造氣。結果顯示,污泥型煤的型煤特性和氣化特性都相當或優于白泥型煤(5.5%白泥作為粘結劑),其氣化過程無二次污染産生。
       煤制氣過程中,氣化物料的幹燥、幹餾熱解、還原氣化、氧化燃燒全部在氣化爐内封閉環境中進行。入爐污泥所含的水分汽化轉入煤氣,然後随煤氣冷卻冷凝後回入污水系統進行處理,污泥中的揮發份轉入煤氣,污泥中固定碳在爐内經過氧化還原轉化為煤氣,以上物質的轉移轉化無二次污染産生。污泥中的重金屬在氣化爐造氣過程中,有的會轉移和轉化到煤氣中,有的會以某種形态殘留在灰渣中,目前,就污泥熱處置過程中重金屬的轉移和轉化問題的研究,主要集中在H2、CO2、N2和O2等介質環境,不同反應氣氛影響重金屬在高溫下産物的轉化和揮發方面。而污泥在氣化爐内的熱幹化、熱解、氣化區域全部為CO/H2還原氣氛,在以CO為主的高溫還原氣氛下,污泥重金屬的轉移和形态變化還有待于進一步研究。另外在氣化爐内由熱幹化、熱解、氣化、焚燒氧化和灰層氧化的五個區域,全部有相當比例的水蒸氣參與,水蒸氣在高溫反應區域對污泥重金屬的影響如何,也需要進一步進行研究。總之,污泥中的重金屬在氣化爐協同處置過程中的形态變化和轉移,相對單純的熱幹化、熱解、氣化和焚燒更為複雜,需要在工業化試驗中進一步的檢測和分析。
2.2冶金爐窯協同處置
       冶金爐窯協同處置污泥以燒結爐窯和高爐應用較為典型。張壘等【17】對含鉻污泥燒結煉鐵協同處置過程進行了規模化試驗,結果表明:當鉻泥配入比例低于0.05%時,對燒結工況、燒結産品無顯著影響,污泥中的鉻元素通過燒結礦流向鐵水,協同處置過程無二次污染産生。鄒方敏等【18】将高爐和轉爐煤氣(煙氣)淨化過程産生的污水污泥(含水率60-70%)作為原料配水,通過噴嘴均勻混入燒結配料中協同處置,泥漿中的水分、CaO和SiO2等得到了有效利用,取得了良好的經濟效益。黃強等【19】将鋼絲繩污泥(鋼絲繩企業酸洗、磷化廢水處理後産生的污泥)與其他燒結原料、輔料充分混合,經配料工序送至燒結工序制成塊狀燒結礦,合格的成品燒結礦流入高爐系統進行冶煉,最終制成鐵水。該生産性試驗表明,燒結礦産量1435t/d,鐵水産量1050t/d,在鋼絲繩污泥50t/d的配比下,利用燒結—高爐系統協同處置鋼絲繩污泥,對職業健康、環境保護、産品質量的影響均在達标範圍之内。
       燒結和高爐等冶金類爐窯在協同處置重金屬含量較高的工業污泥方面,具有其獨有的優勢,對其進行深入的試驗和研究有利于深化工業污泥的有效處置。陳坤等【20】根據鋼鐵企業的高溫廢渣、高溫廢氣和高溫廢水的特性,介紹了利用這些廢熱資源對污泥進行脫水幹化的多種可能的技術路線,在此技術設想基礎上,進行分析比較,并結合其他冶金工藝節點的特點進行有效組合,有可能會産生一種新的污泥協同處置工藝路線。例如張建等【21】以焦油渣為粘結劑,添加2%的酚氰污水産生的生化污泥制成型煤,并利用該型煤在小焦爐進行了配煤煉焦試驗,結果表明:在配合煤中添加10%的該型煤煉焦,既可以對添加的污泥進行有效的熱解處置,同時又可以提高裝爐煤的堆密度并改善焦炭質量。
       類似氣化爐和冶金爐窯類的工業爐窯種類繁多,所涉及的工業領域廣泛,結合污泥特性和某些爐窯的工藝特點,開發更多工業爐窯協同處置污泥的工藝路線,有助于多渠道、低成本、就地化處置本企業産生的工業污泥。
3 結語
       我國污泥産量逐年增長,目前就污泥無害化熱處置技術的應用和推廣而言,我國相對歐美日等發達國家還存在較大的差距。随着我國環境治理力度的強化,污泥無害化熱處置,特别是爐窯協同處置技術開始受到重視。我國火電廠和水泥窯協同處置總體能力較強,但由于經濟效益問題,企業協同處置污泥的積極性不高,緻使行業實際處理量極為有限,這除了需要在經濟補償方面強化政策支持力度以外,還需要在工藝技術的創新優化方面多做文章。氣化爐和燒結、高爐等其他爐窯在協同處置工業污泥方面具有适用範圍廣、就地處置成本低等優勢,對其進行擴展性、挖潛性研發,有利于深化工業污泥的有效處置。
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第一作者
姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,本科畢業于華北理工大學,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com
聯系人:苑衛軍
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