趙玉剛，朱海賓，趙叡清

1 前言

目前，隨著污泥年產(chǎn)出量的不斷增加，傳統(tǒng)的污泥填埋處置方式因資源化利用率低、處置費(fèi)用高等，難以滿足無機(jī)污泥處置需求。新型干法水泥窯因其容積大且熱穩(wěn)定性好，在協(xié)同處置無機(jī)污泥時，既可節(jié)約用地，又可替代部分水泥生產(chǎn)粘土及鐵質(zhì)原材料，具有經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)、資源綜合利用率高和節(jié)能減排效果好的優(yōu)勢，是目前常用的無機(jī)污泥處置方式[1]。

隨著水泥生產(chǎn)線協(xié)同處置固體廢物經(jīng)驗的不斷累積及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善，水泥窯協(xié)同處置固體廢物將在節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益等方面逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢[2]。水泥生產(chǎn)線在生產(chǎn)水泥的同時，將固體廢物與水泥原材料進(jìn)行合理搭配，可實現(xiàn)“減量化、資源化、無害化”處置固體廢物的目標(biāo)。由于水泥窯煅燒溫度高、熱容量大，有機(jī)成分可在窯內(nèi)高溫下分解，隨煙氣排放的重金屬、有機(jī)物分解不完全產(chǎn)生的總烴（TOC）排放、劇毒的二噁英等的排放可滿足HJ 662-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求。經(jīng)除塵系統(tǒng)除塵后排放的氣體主要為二氧化碳，無機(jī)污泥廢物煅燒后的殘留物可作為水泥組分，固熔在水泥熟料中[3]。

2 水泥窯協(xié)同處置無機(jī)污泥工藝概述

2.1 無機(jī)污泥主要成分分析

無機(jī)污泥及水泥廠原燃材料主要成分分析如表1 所示。由表1 可見，無機(jī)污泥的主要化學(xué)成分與水泥原料砂巖、粘土接近，可替代部分砂巖和粘土作為水泥生產(chǎn)原材料。

表1 無機(jī)污泥及水泥廠原燃材料主要成分分析，%

根據(jù)HJ 662-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求，入窯物料中重金屬和氯（Cl）、有機(jī)硫的最大允許投加量不應(yīng)大于表2所列限值，入磨物料有機(jī)質(zhì)應(yīng)＜0.5%。由表2 可見，無機(jī)污泥按照2%比例參與配料，配料后重金屬、氯離子、有機(jī)硫含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，符合水泥生料配料要求。

表2 入窯物料中重金屬、氯、有機(jī)硫最大允許投加量限值和無機(jī)污泥有害元素含量（HJ 662-2013規(guī)定），mg/kg.cl

2.2 處置工藝流程

2.2.1 貯存

無機(jī)污泥倉儲設(shè)施的建設(shè)必須滿足GB18597-2001《危險廢物貯存污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求，庫房應(yīng)具備防火、防滲漏、防雨防曬、除臭功能，庫房內(nèi)應(yīng)進(jìn)行分區(qū)，設(shè)置固體廢物分類存儲標(biāo)志，配備專用的排污池，對于有揮發(fā)性或產(chǎn)生惡臭的固體廢物，應(yīng)保證其在密閉條件下貯存[4]。庫房內(nèi)產(chǎn)生的滲濾液和廢氣，應(yīng)根據(jù)各自的性質(zhì)分別建立預(yù)處理處置臺賬，按危險廢物收集、處置要求進(jìn)行收集和處理，不得違規(guī)排放[5]。同時，廠房內(nèi)須安裝抓斗等污泥轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備設(shè)施，確保污泥順利通過抓斗倒存至處置車間料倉。

2.2.2 計量、輸送、配比和處置

無機(jī)污泥處置工藝流程如圖1 所示。無機(jī)污泥的含水率一般為40%左右，由抓斗將無機(jī)污泥抓取送入無機(jī)污泥預(yù)處理系統(tǒng)，無機(jī)污泥經(jīng)預(yù)處理后通過板喂機(jī)、膠帶輸送機(jī)送到水泥生料輸送膠帶參與生料配料。滿足水泥工藝要求的生料通過水泥生料輸送系統(tǒng)被送入預(yù)熱器內(nèi)，在300℃～1 300℃溫度下進(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)入水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒，煅燒溫度最高可達(dá)1 600℃，高溫煅燒后的物料經(jīng)篦冷機(jī)冷卻成為水泥熟料。

圖1 無機(jī)污泥處置工藝流程圖

干化后的無機(jī)污泥與其他原材料混合后，在經(jīng)生料磨粉磨、回轉(zhuǎn)窯煅燒，到篦冷機(jī)冷卻水泥熟料的過程中，將會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，氯、硫、堿等有害物質(zhì)在堿性環(huán)境中被中和或在水泥窯中參與循環(huán)。無機(jī)污泥在此過程中被完全分解，所含重金屬元素被固化在熟料中，真正達(dá)到了“無害化”處置[6]，同時不會產(chǎn)生二次污染。

水泥窯協(xié)同處置無機(jī)污泥系統(tǒng)安裝有板式喂料秤和稱重皮帶秤，可準(zhǔn)確計量污泥投加量，同時安裝有儀器聯(lián)鎖系統(tǒng)和有毒有害氣體監(jiān)測設(shè)備。當(dāng)水泥窯系統(tǒng)或煙氣除塵系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時，聯(lián)鎖系統(tǒng)將自動停止固體廢物的投料，并在中控室報警提示。投加無機(jī)污泥時，必須保證水泥窯工況穩(wěn)定，通常在水泥窯開機(jī)8h以上，各項指標(biāo)穩(wěn)定的前提下，方可投加無機(jī)污泥。無機(jī)污泥投加時，不可按照配比方案一次性投加到位，應(yīng)從最低量緩慢投加，每間隔6h提高一定比例投加量，在保證系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)的前提下，逐漸緩慢過渡到所要求的配料比例。遇水泥窯錯峰生產(chǎn)或檢修時，中控操作人員必須提前5h 關(guān)閉污泥投加設(shè)施，并及時清理無機(jī)污泥膠帶輸送機(jī)及板式喂料秤等相關(guān)設(shè)備設(shè)施。

2.2.3 投加位置的選擇

無機(jī)污泥投料點應(yīng)設(shè)在水泥生料磨物料傳輸膠帶上方（見圖2）。無機(jī)污泥按照一定比例和石灰石、粘土、鐵質(zhì)材料、砂巖一同送入生料磨，經(jīng)進(jìn)一步烘干、粉磨后成為水泥生料。

圖2 無機(jī)污泥生料磨投加點

3 協(xié)同處置無機(jī)污泥摻合配比及風(fēng)機(jī)電耗影響分析

協(xié)同處置無機(jī)污泥可替代部分水泥原材料，入原料磨的無機(jī)污泥對入磨風(fēng)量的影響較大，導(dǎo)致窯尾排風(fēng)機(jī)和高溫風(fēng)機(jī)電耗增加。

3.1 摻合配比分析

水泥生產(chǎn)用無機(jī)污泥摻合配比見表3，無機(jī)污泥摻合前后對熟料三率值的影響見表4。從表3和表4 可以看出，在不影響熟料三率值配比的條件下，協(xié)同處置無機(jī)污泥的過程中，污泥作為高硅砂巖和粘土的替代材料，可替代0.4%的高硅砂巖和1.6%的粘土，在不影響水泥熟料產(chǎn)量的情況下，可有效節(jié)省水泥廠高硅砂巖和粘土的用量。

表3 水泥生產(chǎn)用無機(jī)污泥摻合配比

表4 無機(jī)污泥摻合前后對熟料三率值的影響

3.2 電耗的影響分析

協(xié)同處置無機(jī)污泥的過程中，因無機(jī)污泥含有40%的水分，水分的蒸發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)量增大，對窯尾風(fēng)機(jī)電耗有一定的影響。

無機(jī)污泥摻加前后窯尾風(fēng)機(jī)的電耗情況見表5。從表5 可以看出，無機(jī)污泥按2%的比例投加，每生產(chǎn)1t熟料，窯尾高溫風(fēng)機(jī)電耗上升0.01kW·h，窯尾尾排風(fēng)機(jī)電耗上升0.09kW·h。

表5 無機(jī)污泥摻合前后窯尾風(fēng)機(jī)的電耗，kW·h/t

4 協(xié)同處置無機(jī)污泥對水泥產(chǎn)品質(zhì)量的影響

4.1 熟料中重金屬含量的變化情況

為了驗證對比分析無機(jī)污泥投加前后，熟料中的重金屬含量變化情況，在保證水泥原料成分不變的情況下，分別對無機(jī)污泥投加前后抽取的4份熟料樣品中的重金屬含量進(jìn)行測定，熟料中的重金屬含量測定結(jié)果見表6。

表6 數(shù)據(jù)顯示，投加無機(jī)污泥后，水泥熟料樣品中個別重金屬含量有微量提升，對水泥產(chǎn)品質(zhì)量的影響可忽略不計。

表6 無機(jī)污泥投加前后水泥熟料中的重金屬含量測定結(jié)果

4.2 熟料中浸出重金屬含量的變化情況

目前，GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》對8種浸出重金屬含量有明確限值要求，其他重金屬含量僅作為水泥企業(yè)內(nèi)部質(zhì)量控制指標(biāo)，因此浸出重金屬含量是協(xié)同處置必須控制的指標(biāo)[7]。本次試驗中，隨機(jī)抽取了2 份協(xié)同處置無機(jī)污泥的水泥熟料樣品，利用標(biāo)準(zhǔn)方法對其浸出重金屬的情況進(jìn)行檢測分析，水泥熟料樣品中浸出重金屬的含量情況見表7。

表7 無機(jī)污泥投加前后水泥熟料樣品中浸出重金屬的含量情況

檢測結(jié)果顯示，2份協(xié)同處置無機(jī)污泥的水泥熟料樣品中，浸出重金屬元素的含量，均滿足GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》有關(guān)限值要求。

4.3 水泥的物理性能指標(biāo)

性能檢測結(jié)果顯示，無機(jī)污泥按2%的摻合比例投加，隨著無機(jī)污泥投加量的不斷增加，水泥的物理性能沒有發(fā)生明顯變化，滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)要求。無機(jī)污泥投加前后水泥的物理性能檢測結(jié)果見表8。

表8 無機(jī)污泥投加前后水泥的物理性能檢驗結(jié)果

5 協(xié)同處置無機(jī)污泥對窯尾煙氣排放的影響

5.1 重金屬排放量

協(xié)同處置無機(jī)污泥煙氣中的重金屬排放量見圖3。由圖3可見，投加無機(jī)污泥后，窯尾煙氣中的重金屬排放量遠(yuǎn)低于GB 30485-2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》限值。

圖3 協(xié)同處置無機(jī)污泥煙氣中的重金屬排放量

投加無機(jī)污泥后，煙氣中Hg 熔點低、易蒸發(fā)，其含量（0.08×10-6mg/m3）低于檢測限值，As、Ni、Pb等難揮發(fā)元素多在熟料或窯灰中富集，少量隨煙氣進(jìn)入下一工序，隨溫度的降低，尤其是增濕塔的急劇降溫,而凝結(jié)成顆粒狀，被捕集去除[8]。總體而言，無機(jī)污泥作為替代原料，對窯尾煙氣中的重金屬的排放量影響不大。

5.2 酸性氣體及顆粒物排放量

水泥窯協(xié)同處置系統(tǒng)呈強(qiáng)堿性且熟料煅燒工藝本身能高效脫硫，SO2的平均排放量（12mg/m3）遠(yuǎn)低于GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》排放限值（200mg/m3）；系統(tǒng)中NOX的平均排放量為74mg/m3，遠(yuǎn)低于排放限值（400mg/m3），這表明無機(jī)污泥替代少量生料，并不會對水泥燒成系統(tǒng)的SO2和NOX的排放量產(chǎn)生負(fù)面影響。

無機(jī)污泥中的Cl在煅燒過程中易生成HCl，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氯化物。協(xié)同處置無機(jī)污泥煙氣中的酸性氣體及顆粒物排放量見圖4。由圖4 可知，協(xié)同處置無機(jī)污泥過程中，HCl的排放量遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，煙囪的粉塵排放濃度可滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高允許排放濃度。

圖4 協(xié)同處置無機(jī)污泥煙氣中的酸性氣體及顆粒物排放量

5.3 總烴（TOC）及二噁英排放量

無機(jī)污泥摻合前后總烴（TOC）及二噁英排放量見表9。從表9可以看出，投加無機(jī)污泥后，對非甲烷總烴及二噁英氣體的排放幾乎無影響，其排放量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表9 無機(jī)污泥摻合前后總烴（TOC）及二噁英排放量

6 結(jié)語

利用水泥窯協(xié)同處置無機(jī)污泥，處置工藝滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，對熟料的化學(xué)成分和產(chǎn)品質(zhì)量無不利影響，水泥熟料化學(xué)成分可滿足相關(guān)規(guī)定。熟料中的重金屬含量均低于檢測限值，窯尾煙氣特征污染物排放量及顆粒物幾乎沒有增加。

無機(jī)污泥作為原材料替代砂巖及粘土，經(jīng)回轉(zhuǎn)窯高溫煅燒后，進(jìn)入篦冷機(jī)冷卻，成為水泥熟料。無機(jī)污泥被完全分解并徹底固化在熟料中，真正達(dá)到了“無害化處置”的目標(biāo)。與其他處置途徑相比，水泥窯協(xié)同處置無機(jī)污泥更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保。