摘要：以某水泥廠濕污泥直噴入窯工藝為研究對(duì)象，通過對(duì)污泥理化特性的分析，以水分為依據(jù)，計(jì)算了濕污泥直噴入窯的處置量限值、熱耗，并以實(shí)際工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了濕污泥直噴入窯對(duì)水泥窯能耗及煙氣中氮氧化物和二噁英減排的影響。結(jié)果表明：污泥含水率是影響水泥窯況的主要因素。含水率為80%的污泥，直接泵送進(jìn)入水泥窯的量一般控制在生料量3%~5%為宜；理論上，處置每噸污泥凈吸熱為：4 722 078.13 kJ；將污泥直噴入窯，氮氧化物削減了30%以上，二噁英削減了60%以上。

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，市政污水處理能力快速提升，與此同時(shí)，污泥量的快速增長以及安全、穩(wěn)定的無害化處置問題正在加速凸顯。據(jù)E20數(shù)據(jù)顯示，2016年城鎮(zhèn)濕污泥產(chǎn)生量達(dá)到4 083萬t，2020年將攀升至5 292萬t。脫水污泥的含水率大多在75%~85%之間，這種高含水率造成污泥熱值偏低，限制了污泥的焚燒處理。

污泥已經(jīng)成為水泥窯主要利用的替代燃料之一。例如，德國2002年利用水泥窯處置的污泥約為4 000 t，到2006年該數(shù)字增加到23.8萬t，4年間增長了將近60倍，發(fā)展速度極其迅速。2007年，瑞士已有30%的污泥是水泥行業(yè)消納處置的。

為降低含水率，水泥廠多采用余熱技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行干化，但干化產(chǎn)生的惡臭難以控制，而污泥直噴入窯工藝簡單、投資低，近幾年得到了快速發(fā)展。但是，污泥直噴入窯后，水泥窯的最大容納量限制以及濕污泥入窯對(duì)水泥廠生產(chǎn)的影響，尚未見報(bào)道。

本研究以某水泥廠濕污泥直噴入窯工藝為研究對(duì)象，通過污泥物理特性的分析，探索濕污泥直噴入窯的處置量限值、熱耗以及協(xié)同處置過程中對(duì)水泥窯排放的影響，以期為水泥窯協(xié)同處置生活污泥提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試污泥采自金華某水泥廠。在該水泥廠的污泥接受倉，隨機(jī)采集4個(gè)污泥車輛作為采樣單元采取樣品。在污泥卸車的過程中，每個(gè)車輛采集50 kg，共采集200 kg。然后將采取的樣品混合，取100 kg作為一個(gè)份樣。

1.2 測定方法

污泥含水率采用減重法測定；污泥熱值分析采用GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》測定；元素分析采用XRF測定。在處置污泥前及處置污泥后2 h分別采用文獻(xiàn)中的方法測定水泥窯煙氣中的NOx和二噁英。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥特性分析

污泥的理化特性檢測結(jié)果見表1。

從表1可以看出：污泥含水率較高，平均為82%，干基熱值為10 MJ/kg左右，但折合成濕基，則污泥熱值為負(fù)值，因此，污泥含水率是影響水泥窯況的主要因素。此外，污泥干基中的成分主要為鈣硅鋁鐵，相比于垃圾，其氯含量偏低，可以替代水泥生產(chǎn)原料。

2.2 污泥直噴入窯處置量限值

由于污泥含水率是影響水泥窯況的主要因素，因此，以含水率計(jì)算濕污泥直噴入窯的處置量限值。

1）水分對(duì)煤耗的影響

將20 ℃的水升溫到100 ℃，需要的熱量為334.72 kJ/kg，100 ℃的水變成水蒸氣的蒸發(fā)潛熱為2 255.18 kJ/kg，100 ℃的水蒸氣升溫到分解爐的870 ℃需要的熱量為1 677.78 kJ/kg。

因此，進(jìn)入水泥窯1 kg水，消耗的熱量為4 267.68 kJ，則相當(dāng)于4 267.68÷29 288 =0.146 kg標(biāo)煤。

如果每小時(shí)進(jìn)水泥窯6.7 t含水率為80%的污泥，則進(jìn)窯的水分為：6.7×0.8=5.36 t/h，需要消耗的標(biāo)煤為5.36×0.146=0.783 t/h，折合成實(shí)物煤為：0.783×7÷6=0.91 t/h。

2）水分對(duì)煙氣量的影響

由于水泥窯的煤耗增加了0.91 t/h，則由此增加的煙氣量為：6.9 Nm3×0.91×1 000=6 279 Nm3/h。

由于水分的進(jìn)入而增加的煙氣量為：1 000÷（18÷22.4）×5.36=6 666.7 Nm3/h。

二者合計(jì)：6 279+6 666.7=12 945.7 Nm3/h。

3）水分對(duì)減產(chǎn)的影響

某水泥廠分解爐出口每小時(shí)的煙氣量為166 785 Nm3，煙氣量的增加比例為7.8%，因此，從煙氣量上計(jì)算，理論上會(huì)造成7.8%的減產(chǎn)，因此，以不超過7.8%為宜。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，80%含水的污泥，直接泵送進(jìn)入水泥窯的量一般控制在生料量3%~5%為宜。3500t/d以下的熟料線，控制在3%；3500t/d以上的熟料線，控制在5%。如4500t/d的熟料線，則采用直接泵送法處置含水率80%的污泥，處置量控制在4 500×1.6×5%=360t/d。一般以不超過350t/d為佳。

2.3 污泥直噴入窯對(duì)水泥生產(chǎn)的影響

工業(yè)試驗(yàn)在金華某水泥廠進(jìn)行。該水泥廠的熟料生產(chǎn)能力為3 500 t/d，污泥含水率為84%，干基低位熱值為11 861.35 kJ/kg，干基灰分含量為37.91%。理論處理量為3 500×1.6×3%=168 t/d，實(shí)際直噴入窯量為150 t/d。

1）水泥窯熱平衡計(jì)算

未處置污泥時(shí)，水泥窯熱平衡計(jì)算見表2。

2）污泥直噴入窯對(duì)能耗的影響

①理論計(jì)算

污泥處置量為6.25 t/h，則入窯的水分為5.25 t/h，干基污泥1 t/h，入窯灰分為0.38 t/h。按照2.2中的參數(shù)，以熱傳導(dǎo)效率為60%，焚燒效率為70%計(jì)算，則水分從20 ℃升至100 ℃吸熱：5.25×334.72×1 000÷60%=2 928 800 kJ/h；100 ℃的水變成水蒸氣吸熱為：5.25×2 255.18×1 000÷60%=19 732 825 kJ/h；100 ℃的水蒸氣升溫到分解爐的870 ℃需要的熱量為：5.25×1 677.78×1 000÷60%=14 680 575 kJ/h。濕污泥直接泵送到分解爐，灰分需要從20 ℃升溫至870 ℃，則需要吸收的熱量為0.38×0.88×850×1 000÷60%=473 733.33 kJ/h。污泥燃燒放熱為：1×11 861.35×1 000×70% =8 302 945 kJ/h。則每小時(shí)污泥凈吸熱為：2 928 800+19 732 825+14 680 575+473 733.33-8 302 945=29 512 988.33 kJ/h。處置每噸污泥凈吸熱為：29 512 988.33÷6.25=4 722 078.13 kJ。

②實(shí)際驗(yàn)證

濕污泥直噴入窯增加煤耗1.20 t/h，這與煤熱值及易燒性相關(guān)。

3）污泥直噴入窯對(duì)氮氧化物和二噁英排放的影響

由于污泥含有一定的水分，會(huì)降低分解爐溫度，因此，在一定程度上會(huì)減少氮氧化物排放。另外，污泥中含有一定的硫和氮，因此，會(huì)有助于二噁英減排。

將污泥直噴入窯前后，水泥廠的氮氧化物及二噁英排放情況見圖1、圖2。

從圖1可以看出：將污泥直噴入窯前，水泥廠的氮氧化物平均為308.75 mg/Nm3，污泥直噴入窯后，水泥廠的氮氧化物平均為203.75 mg/Nm3，削減了30%以上。

從圖2可以看出：將污泥直噴入窯前，水泥廠的二噁英平均為0.064 5 ngTEQ/Nm3，達(dá)到了GB 30485—2013的標(biāo)準(zhǔn)限值。污泥直噴入窯后，水泥廠的二噁英降為平均0.021 45 ngTEQ/Nm3，削減了60%以上。

3 結(jié)論

（1）污泥含水率是影響水泥窯況的主要因素。污泥干基中的成分主要為鈣硅鋁鐵，且含氯量較低，可以替代水泥生產(chǎn)原料。80%含水的污泥，直接泵送進(jìn)入水泥窯的量一般控制在生料量3%~5%為宜。

（2）理論上，處置每噸污泥凈吸熱為4 722 078.13 kJ。

（3）將污泥直噴入窯，氮氧化物削減了30%以上，二噁英削減了60%以上。