水泥窑协同处置无机污泥技术的实践

2022-06-08赵玉刚朱海宾赵叡清

水泥技术 2022年3期

赵玉刚，朱海宾，赵叡清

1 前言

目前，随着污泥年产出量的不断增加，传统的污泥填埋处置方式因资源化利用率低、处置费用高等，难以满足无机污泥处置需求。新型干法水泥窑因其容积大且热稳定性好，在协同处置无机污泥时，既可节约用地，又可替代部分水泥生产粘土及铁质原材料，具有经济适用性强、资源综合利用率高和节能减排效果好的优势，是目前常用的无机污泥处置方式[1]。

随着水泥生产线协同处置固体废物经验的不断累积及有关标准规范的不断完善，水泥窑协同处置固体废物将在节能环保、经济效益等方面逐渐显现出优势[2]。水泥生产线在生产水泥的同时，将固体废物与水泥原材料进行合理搭配，可实现“减量化、资源化、无害化”处置固体废物的目标。由于水泥窑煅烧温度高、热容量大，有机成分可在窑内高温下分解，随烟气排放的重金属、有机物分解不完全产生的总烃（TOC）排放、剧毒的二噁英等的排放可满足HJ 662-2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》要求。经除尘系统除尘后排放的气体主要为二氧化碳，无机污泥废物煅烧后的残留物可作为水泥组分，固熔在水泥熟料中[3]。

2 水泥窑协同处置无机污泥工艺概述

2.1 无机污泥主要成分分析

无机污泥及水泥厂原燃材料主要成分分析如表1 所示。由表1 可见，无机污泥的主要化学成分与水泥原料砂岩、粘土接近，可替代部分砂岩和粘土作为水泥生产原材料。

表1 无机污泥及水泥厂原燃材料主要成分分析，%

根据HJ 662-2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》要求，入窑物料中重金属和氯（Cl）、有机硫的最大允许投加量不应大于表2所列限值，入磨物料有机质应＜0.5%。由表2 可见，无机污泥按照2%比例参与配料，配料后重金属、氯离子、有机硫含量远低于标准限值，符合水泥生料配料要求。

表2 入窑物料中重金属、氯、有机硫最大允许投加量限值和无机污泥有害元素含量（HJ 662-2013规定），mg/kg.cl

2.2 处置工艺流程

2.2.1 贮存

无机污泥仓储设施的建设必须满足GB18597-2001《危险废物贮存污染控制标准》的要求，库房应具备防火、防渗漏、防雨防晒、除臭功能，库房内应进行分区，设置固体废物分类存储标志，配备专用的排污池，对于有挥发性或产生恶臭的固体废物，应保证其在密闭条件下贮存[4]。库房内产生的渗滤液和废气，应根据各自的性质分别建立预处理处置台账，按危险废物收集、处置要求进行收集和处理，不得违规排放[5]。同时，厂房内须安装抓斗等污泥转运设备设施，确保污泥顺利通过抓斗倒存至处置车间料仓。

2.2.2 计量、输送、配比和处置

无机污泥处置工艺流程如图1 所示。无机污泥的含水率一般为40%左右，由抓斗将无机污泥抓取送入无机污泥预处理系统，无机污泥经预处理后通过板喂机、胶带输送机送到水泥生料输送胶带参与生料配料。满足水泥工艺要求的生料通过水泥生料输送系统被送入预热器内，在300℃～1 300℃温度下进行预热，然后进入水泥回转窑煅烧，煅烧温度最高可达1 600℃，高温煅烧后的物料经篦冷机冷却成为水泥熟料。

图1 无机污泥处置工艺流程图

干化后的无机污泥与其他原材料混合后，在经生料磨粉磨、回转窑煅烧，到篦冷机冷却水泥熟料的过程中，将会发生复杂的物理化学反应，氯、硫、碱等有害物质在碱性环境中被中和或在水泥窑中参与循环。无机污泥在此过程中被完全分解，所含重金属元素被固化在熟料中，真正达到了“无害化”处置[6]，同时不会产生二次污染。

水泥窑协同处置无机污泥系统安装有板式喂料秤和称重皮带秤，可准确计量污泥投加量，同时安装有仪器联锁系统和有毒有害气体监测设备。当水泥窑系统或烟气除尘系统出现异常状况时，联锁系统将自动停止固体废物的投料，并在中控室报警提示。投加无机污泥时，必须保证水泥窑工况稳定，通常在水泥窑开机8h以上，各项指标稳定的前提下，方可投加无机污泥。无机污泥投加时，不可按照配比方案一次性投加到位，应从最低量缓慢投加，每间隔6h提高一定比例投加量，在保证系统运行平稳的前提下，逐渐缓慢过渡到所要求的配料比例。遇水泥窑错峰生产或检修时，中控操作人员必须提前5h 关闭污泥投加设施，并及时清理无机污泥胶带输送机及板式喂料秤等相关设备设施。

2.2.3 投加位置的选择

无机污泥投料点应设在水泥生料磨物料传输胶带上方（见图2）。无机污泥按照一定比例和石灰石、粘土、铁质材料、砂岩一同送入生料磨，经进一步烘干、粉磨后成为水泥生料。

图2 无机污泥生料磨投加点

3 协同处置无机污泥掺合配比及风机电耗影响分析

协同处置无机污泥可替代部分水泥原材料，入原料磨的无机污泥对入磨风量的影响较大，导致窑尾排风机和高温风机电耗增加。

3.1 掺合配比分析

水泥生产用无机污泥掺合配比见表3，无机污泥掺合前后对熟料三率值的影响见表4。从表3和表4 可以看出，在不影响熟料三率值配比的条件下，协同处置无机污泥的过程中，污泥作为高硅砂岩和粘土的替代材料，可替代0.4%的高硅砂岩和1.6%的粘土，在不影响水泥熟料产量的情况下，可有效节省水泥厂高硅砂岩和粘土的用量。

表3 水泥生产用无机污泥掺合配比

表4 无机污泥掺合前后对熟料三率值的影响

3.2 电耗的影响分析

协同处置无机污泥的过程中，因无机污泥含有40%的水分，水分的蒸发导致系统风量增大，对窑尾风机电耗有一定的影响。

无机污泥掺加前后窑尾风机的电耗情况见表5。从表5 可以看出，无机污泥按2%的比例投加，每生产1t熟料，窑尾高温风机电耗上升0.01kW·h，窑尾尾排风机电耗上升0.09kW·h。

表5 无机污泥掺合前后窑尾风机的电耗，kW·h/t

4 协同处置无机污泥对水泥产品质量的影响

4.1 熟料中重金属含量的变化情况

为了验证对比分析无机污泥投加前后，熟料中的重金属含量变化情况，在保证水泥原料成分不变的情况下，分别对无机污泥投加前后抽取的4份熟料样品中的重金属含量进行测定，熟料中的重金属含量测定结果见表6。

表6 数据显示，投加无机污泥后，水泥熟料样品中个别重金属含量有微量提升，对水泥产品质量的影响可忽略不计。

表6 无机污泥投加前后水泥熟料中的重金属含量测定结果

4.2 熟料中浸出重金属含量的变化情况

目前，GB 30760-2014《水泥窑协同处置固体废物技术规范》对8种浸出重金属含量有明确限值要求，其他重金属含量仅作为水泥企业内部质量控制指标，因此浸出重金属含量是协同处置必须控制的指标[7]。本次试验中，随机抽取了2 份协同处置无机污泥的水泥熟料样品，利用标准方法对其浸出重金属的情况进行检测分析，水泥熟料样品中浸出重金属的含量情况见表7。

表7 无机污泥投加前后水泥熟料样品中浸出重金属的含量情况

检测结果显示，2份协同处置无机污泥的水泥熟料样品中，浸出重金属元素的含量，均满足GB 30760-2014《水泥窑协同处置固体废物技术规范》有关限值要求。

4.3 水泥的物理性能指标

性能检测结果显示，无机污泥按2%的掺合比例投加，随着无机污泥投加量的不断增加，水泥的物理性能没有发生明显变化，满足GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》技术要求。无机污泥投加前后水泥的物理性能检测结果见表8。

表8 无机污泥投加前后水泥的物理性能检验结果

5 协同处置无机污泥对窑尾烟气排放的影响

5.1 重金属排放量

协同处置无机污泥烟气中的重金属排放量见图3。由图3可见，投加无机污泥后，窑尾烟气中的重金属排放量远低于GB 30485-2013《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》限值。

图3 协同处置无机污泥烟气中的重金属排放量

投加无机污泥后，烟气中Hg 熔点低、易蒸发，其含量（0.08×10-6mg/m3）低于检测限值，As、Ni、Pb等难挥发元素多在熟料或窑灰中富集，少量随烟气进入下一工序，随温度的降低，尤其是增湿塔的急剧降温,而凝结成颗粒状，被捕集去除[8]。总体而言，无机污泥作为替代原料，对窑尾烟气中的重金属的排放量影响不大。

5.2 酸性气体及颗粒物排放量

水泥窑协同处置系统呈强碱性且熟料煅烧工艺本身能高效脱硫，SO2的平均排放量（12mg/m3）远低于GB 4915-2013《水泥工业大气污染排放标准》排放限值（200mg/m3）；系统中NOX的平均排放量为74mg/m3，远低于排放限值（400mg/m3），这表明无机污泥替代少量生料，并不会对水泥烧成系统的SO2和NOX的排放量产生负面影响。

无机污泥中的Cl在煅烧过程中易生成HCl，转化为相应的氯化物。协同处置无机污泥烟气中的酸性气体及颗粒物排放量见图4。由图4 可知，协同处置无机污泥过程中，HCl的排放量远低于相关标准要求，烟囱的粉尘排放浓度可满足标准规定最高允许排放浓度。