摘要：以某水泥廠濕污泥直噴入窯工藝為研究對象，通過對污泥理化特性的分析，以水分為依據，計算了濕污泥直噴入窯的處置量限值、熱耗，并以實際工業試驗驗證了濕污泥直噴入窯對水泥窯能耗及煙氣中氮氧化物和二噁英減排的影響。結果表明：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。
隨著我國經濟迅猛發展，市政污水處理能力快速提升，與此同時，污泥量的快速增長以及安全、穩定的無害化處置問題正在加速凸顯。據E20數據顯示，2016年城鎮濕污泥產生量達到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年該數字增加到23.8萬t，4年間增長了將近60倍，發展速度極其迅速。2007年，瑞士已有30%的污泥是水泥行業消納處置的。
為降低含水率，水泥廠多采用余熱技術對污泥進行干化，但干化產生的惡臭難以控制，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水泥廠生產的影響，尚未見報道。
本研究以某水泥廠濕污泥直噴入窯工藝為研究對象，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、熱耗以及協同處置過程中對水泥窯排放的影響，以期為水泥窯協同處置生活污泥提供理論基礎。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試污泥采自金華某水泥廠。在該水泥廠的污泥接受倉，隨機采集4個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分別采用文獻中的方法測定水泥窯煙氣中的NOx和二噁英。
2 結果與討論
2.1 污泥特性分析
污泥的理化特性檢測結果見表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，以含水率計算濕污泥直噴入窯的處置量限值。
1）水分對煤耗的影響
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，進入水泥窯1 kg水，消耗的熱量為4 267.68 kJ，則相當于4 267.68÷29 288 =0.146 kg標煤。
如果每小時進水泥窯6.7 t含水率為80%的污泥，則進窯的水分為：6.7×0.8=5.36 t/h，需要消耗的標煤為5.36×0.146=0.783 t/h，折合成實物煤為：0.783×7÷6=0.91 t/h。
2）水分對煙氣量的影響
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：6 279+6 666.7=12 945.7 Nm3/h。
3）水分對減產的影響
某水泥廠分解爐出口每小時的煙氣量為166 785 Nm3，煙氣量的增加比例為7.8%，因此，從煙氣量上計算，理論上會造成7.8%的減產，因此，以不超過7.8%為宜。
根據實際生產經驗，80%含水的污泥，直接泵送進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 污泥直噴入窯對水泥生產的影響
工業試驗在金華某水泥廠進行。該水泥廠的熟料生產能力為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，實際直噴入窯量為150 t/d。
1）水泥窯熱平衡計算
未處置污泥時，水泥窯熱平衡計算見表2。
2）污泥直噴入窯對能耗的影響
①理論計算
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，以熱傳導效率為60%，焚燒效率為70%計算，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實際驗證
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。
3）污泥直噴入窯對氮氧化物和二噁英排放的影響
由于污泥含有一定的水分，會降低分解爐溫度，因此，在一定程度上會減少氮氧化物排放。另外，污泥中含有一定的硫和氮，因此，會有助于二噁英減排。
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，達到了GB 30485—2013的標準限值。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，可以替代水泥生產原料。80%含水的污泥，直接泵送進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。
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