基于熱水解技術的水泥窯協(xié)同處置污泥整體解決方案

  【摘要】本文以熱水解工藝作為水泥窯協(xié)同處置污泥的前置處理工藝，污泥干化作為入窯前的必須步驟；介紹熱水解技術在污泥處置中的作用，并給出水泥窯協(xié)同處置污泥的兩個工藝路線建議，實現(xiàn)的目的是在協(xié)同處置污泥的同時，利用污泥中的有機質清潔轉化，為水泥生產過程中的動力消耗提供有益補充；同時探討污泥焚燒和摻燒在VODs及飛灰方面引起擔憂的問題，找到解決水泥窯協(xié)同處置污泥產生VODs的辦法。

  水泥窯協(xié)同處置污泥是國家住建部、環(huán)保部等部門政策鼓勵的固廢處置措施，專門發(fā)布了國家標準《水泥窯協(xié)同處置廢棄物技術規(guī)范》（GB/T 30760-2014）和《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染防治技術政策》等文件；北京水泥廠在處置污泥方面走在了前面，為中國環(huán)保作出了開拓性的貢獻。

  一、國內外污泥處理、處置情況

  普遍意義的污泥處理是指將污泥進行適當?shù)拿撍⒓铀幣R時穩(wěn)定、好氧、厭氧等工藝手段進行減容、減量處理，以及部分穩(wěn)定化，污泥的有機成分及污染依然存在或部分消減，并沒有完全“無害化”和“穩(wěn)定化”，并沒有完成“處置”；而污泥處置是指污泥在環(huán)境中或利用過程中達到長期穩(wěn)定，并對人體健康和生態(tài)環(huán)境不產生有害影響，污泥處理工藝要達到無害要求，即污泥處理過程及污泥處理后，污泥殘留存在于自然界或殘渣變換存在形式，不再引起環(huán)境危害，即完全“無害化”及“減量化”。

  我國現(xiàn)在的3500萬噸/年的市政污泥，污泥處理率約65%，而處置率不足10%，僅北京（高級厭氧消化）、上海（焚燒）、深圳（部分協(xié)同）達到污泥處置標準；我國現(xiàn)存的3500萬噸工業(yè)污泥，與市政污泥處理率差不多，而處置率很低，北京水泥廠協(xié)同處置工業(yè)固廢（含工業(yè)污泥）是為數(shù)不多的實現(xiàn)工業(yè)污泥處置的項目。

  需要提出的，大量的污泥摻燒處理滿足了污泥的“減量化”“資源化”和“穩(wěn)定化”目標，最為核心目標的“無害化”是需要探討的。

  在5月25日北京召開的“第八屆污泥論壇”會議上，一改此前會議只探討各技術可行性的氛圍，提出三條污泥處置主要路線：

  1、熱水解+高級厭氧消化+土地利用之市政污泥處置工藝路線；

  2、干化（含熱水解干化）+熱解炭化+燃料（土壤利用）之市政污泥處置工藝路線；

  3、（干化（含熱水解干化）&熱水解+高級厭氧消化）+水泥窯協(xié)同處置之工業(yè)污泥處置工藝路線；

  同時，因污泥污染是水污染的濃縮物，污泥土壤利用的心理因素占據(jù)主要障礙，所以，污泥的土地利用接受度不高，是水泥窯協(xié)同處置最有利的因素。

  國外發(fā)達國家，污泥處置也是不同的，例如，日本以焚燒+固化灰渣&干化（比例減?。?碳化為主（比例增大），水泥窯協(xié)同為輔；歐盟以熱水解+高級厭氧消化+土地利用&焚燒為主，好氧+土地利用為輔；美國以好氧發(fā)酵+土地利用&熱水解+高級厭氧消化+土地利用為主，焚燒為輔。

  發(fā)達國家的污泥焚燒是逐年降低，最終會消失。

  二、當前水泥窯協(xié)同處置污泥存在的問題及原因

  《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術規(guī)范》（GB/T 30760-2014）是水泥窯協(xié)同處置污泥的綱領性標準，原為國家強制標準，2017年3月23日，轉為推薦性標準，不再作為強制性標準存在；《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》（GB 30485-2013），也沒有收錄在國家標準全文公開系統(tǒng)。

  對于水泥窯協(xié)同處置污泥，水泥行業(yè)及環(huán)保行業(yè)均有不同的看法。

  眾所周知的因素，不少水泥窯協(xié)同處置污泥項目，較為粗放，污泥添加藥劑（一般是鈣劑）簡單脫水后，高含水的污泥大顆、成團即進入水泥窯，影響燒成溫度，造成熟料質量下降（表現(xiàn)不明顯），對污染排放帶來的影響也是莫衷一是，沒有權威的說法，這類項目省去最為困難的污泥干燥環(huán)節(jié)，但這不是嚴謹?shù)淖鞣?，粗放的水泥窯協(xié)同處理污泥項目，會面臨整改要求。

  還有關注水泥窯協(xié)同處置污泥的排放問題，《GB 30485-2013》規(guī)定了水泥窯煙氣排放標準，以及過程的污染控制標準和方法，一個引起爭議的因素，水泥窯協(xié)同處置污泥的煙氣排放是經(jīng)過大比例“稀釋”，按同等排放標準，水泥窯的排放總量遠遠大于污泥焚燒，這是一些污泥焚燒業(yè)者的認識，但也有可能存在這個情況；如果污泥在水泥窯的加入點選擇不當，其VODs（揮發(fā)性有機物）污染是很嚴重的，這點毋容置疑。

  還有一個帶來顯性的因素，就是臭味控制，發(fā)生在污泥入窯前環(huán)節(jié)，特別是發(fā)生在污泥干燥環(huán)節(jié)，盡管實際污染并不嚴重，但是味道引起“鄰避”效應，也大大惡化水泥廠工作環(huán)境。

  以上問題的存在，造成水泥廠對水泥窯協(xié)同處置污泥項目往往退避，但這些問題，在有合理工藝方案的情況下，都可以解決。

  三、漢能清源的整體解決方案及熱水解技術

  北京漢能清源科技有限公司在污泥處理、處置方面努力多年，針對污泥處理工藝能耗大、排放高、作業(yè)環(huán)境差、鄰避效應重的問題，研發(fā)了整套污泥處理工藝，關鍵設備自主設計和制造，經(jīng)濟性表現(xiàn)比進口設備好。

  1、整體解決方案概述

  針對水泥窯協(xié)同處置污泥的特性，適當調整專門建設的污泥處置項目工藝設計、優(yōu)化配置如下：

  工藝方案1，針對市政污泥和工業(yè)污泥（有機物含量＞45%）：

  熱水解+高級厭氧消化（可加餐廚厭氧聯(lián)合）+壓濾&干燥+分解爐加入。

  工藝方案2流程圖

  工藝方案2，針對市政污泥和工業(yè)污泥（有機物含量＜40%）：

  熱水解+壓濾&濾液厭氧+干燥+分解爐（窯尾）加入。

  以上2個方案，沒有嚴格界限，加入高級厭氧消化的目的，在于產生沼氣用于內燃機直接拖動水泥窯尾高溫風機、排風機等用電設備，有很好的經(jīng)濟性，具體項目可以加以選擇。

  方案2，比較方案1的污泥高級厭氧工藝，是將濾液快速厭氧，沼氣產量相當于方案1的30%，但投資、占地大大降低，需要具體比較增加的沼氣在拖動方面的收益和投資收益差，結合污泥特性，來比較決定。

  在方案圖示上，干燥的污泥加入點可以選擇溫度在900℃以上，煙氣氧含量＞8%的地方，并保證停留時間＞1秒，加入方式為流態(tài)噴入，燃燒條件可以保證有機物燃盡，避免VODs的排放問題。

  另外，漢能清源已在水泥行業(yè)實現(xiàn)首臺套汽電雙驅窯尾高溫風機的案例（驅動系統(tǒng)見下圖），該項目是由北京漢能清源科技有限公司提供整套的、先進的、成熟的和安全可靠的汽輪機驅動窯尾高溫風機系統(tǒng)（應用在汪清北方5000ｔ/ｄ水泥熟料生產線上），2017年2月6日開工建設， 5月18日項目投入運行。目前，該項目運行穩(wěn)定、自動化程序高，水泥熟料可比綜合電耗降低約10kWh/t，徹底解決了階梯電價的問題，經(jīng)濟效益也很好，為內燃機直接拖動窯尾高溫風機等用電設備打下了堅實的基礎。

  2、熱水解技術介紹

  “HinergyTHP污泥熱水解技術”是北京漢能清源科技有限公司的專利技術，該技術已經(jīng)完成中試工作，進入工業(yè)化示范階段。

  “HinergyTHP污泥熱水解技術”工藝處理來自市政生活污水處理及生物化工工業(yè)廢水處理過程中產生的污泥，污泥進入污泥料倉，經(jīng)過漿化調理后進入高壓水熱解反應器，污泥經(jīng)高溫高壓蒸汽加熱發(fā)生一系列水解反應，造成微生物絮體解體、細胞破壁，羥基和羧基脫水，長鏈烴斷裂為短鏈。使得難以脫除的內部水和細胞水以及結合水轉化為易于脫出的自由水，從而大幅度提高污泥脫水性能。污泥經(jīng)過水熱反應后，通過壓濾脫水得到干化污泥與脫水濾液。

  污泥熱水解反應技術，是專門為污泥熱水解脫水處理與高級厭氧消化、以及污泥低溫碳化開發(fā)的工藝技術，其突出的技術特性是：

  A、減量幅度大。水熱解后的污泥經(jīng)機械壓濾，含固率提高到50%以上，減量65%以上。

  B、致病危害無。全封閉系統(tǒng)，處置過程不產生異味；系統(tǒng)高溫環(huán)境完全消除污泥中的生物活性，使污泥不再有致病生物危害，處理過后的污泥無臭味散發(fā)。

  C、熱效率高。工作壓力為0.6-0.9MPa，污泥含水為飽和態(tài)，不產生水蒸發(fā)，熱耗極低，污泥的熱水解速率提高，污泥快速升溫，快速熱水解，性狀發(fā)生根本改變，污泥狀態(tài)穩(wěn)定。

  D、運行成本低。熱水解反應過程沒有蒸發(fā)行為，與序批式污泥水熱處理相比，熱耗降低50%，與熱干化工藝相比，熱耗降低80%-85%以上，是高度節(jié)能的工藝設計；污泥不需要加藥調質，再降低處理成本。

  3、污泥處置整體解決方案的優(yōu)越性

  整體解決方案從完全無害化方面入手，以資源化為增效益手段，實現(xiàn)全過程“環(huán)?！?，流程從污泥進廠開始，全程封閉加消除臭味，最終將污泥融入水泥熟料，實現(xiàn)完全消減。

  其優(yōu)越性體現(xiàn)如下：

  A、全工藝過程封閉，無泄漏，無臭味；

  B、技術先進，能耗低，比歐美領先的工藝設備能耗低，工藝效果一致；

  C、設備工藝整體性好，專門設計，無縫匹配；

  D、資源化利用充分，無資源錯置及浪費。

  四、經(jīng)濟性分析例：典型的300噸/天項目

  經(jīng)濟性分析以工藝方案1為例。

  4.1、投資總額

  300噸/天的設備、安裝及土建工程投資如下表：

  300噸/天水泥窯協(xié)同處置污泥的工程設備投資為：12835萬元，本投資不含水泥窯喂料改造部分。

  4.2、污泥收入與污泥資源化收入

  因污泥地域不同，經(jīng)濟發(fā)展水平不同，污泥處理補貼也不同，市政污泥一般在200元-400元/噸，工業(yè)污泥一般在280元-600元/噸，補貼跨度很大，與政府協(xié)商的彈性也很大。

  污泥資源化收益比較確定，以沼氣產量約21000m?/天為例，通過燃氣內燃機可以實現(xiàn)2MW以上的動力輸出，拖動水泥廠用電設備，每天可以節(jié)省電費支出約50000kwh。

  污泥在經(jīng)過熱水解厭氧后，可燃有機物還剩余40-50%，干基熱值在1000-1300kcal/kg，按熱值計算，污泥燃料替代可以節(jié)省1000噸煤。

  以上三個部分的投資收益的計算請有意向的水泥生產企業(yè)自行核算。

  4.3、簡要財務分析

  簡要財務分析基于以下假設條件：

  工程設備折舊期統(tǒng)一按10年核算，污泥處置費收入按275元/噸核算，電費按0.65元/kwh核算，煤按500元/噸核算。

  見下表

  說明：稅收項按全額稅收，實際減免政策按各地政策執(zhí)行，增值稅減免的執(zhí)行各地界定不同。

  五、建議與結論

  以熱水解技術為技術核心的污泥無害化處置在北京市取得了成功，必將引導我國污泥處置的資源化方向。本文認為水泥窯協(xié)同處置污泥項目不應因陋就簡，期望簡單改換設備就可以處理污泥，從投資角度是對的，但應看到污泥處置的技術復雜性及污泥污染嚴重性，加之政府對環(huán)保的要求及法規(guī)一再提高及居民“鄰避”加劇，簡單協(xié)同處置污泥項目投資打水漂的事情會不斷發(fā)生。

  目前，國內企業(yè)及科研單位經(jīng)過近十年的探索和篩選，污泥處置技術接近最正確的方向，設備研發(fā)和工程質量已經(jīng)可以滿足污泥處置需求，并且成本大大降低，工程設備上，從國際先進水平的10-20萬美元/噸投資，降到35-50萬元人民幣/噸投資，已經(jīng)符合我國國情，不能過于期望價廉而物美。

  建議國內水泥企業(yè)抓住當前污泥處置的緊迫性與環(huán)保投資的政策支持，建設水泥窯協(xié)同處置污泥的標準項目，對于污泥處置費和物價的漲幅具有可比性，污泥處置費的價格會不斷升高，協(xié)同處置項目的收益會水漲船高。

  建議政府部門要進一步加大對水泥窯協(xié)同處置固體廢物的支持力度，不單是落在紙上，還要落到實際行動中，通過不斷技術創(chuàng)新，實現(xiàn)水泥行業(yè)轉型升級、科學發(fā)展。

  參考文獻：

  1、《利用水泥窯協(xié)同處置廢棄物技術研究及工程應用》  2016  胡芝娟李海龍

  2、《我國水泥窯協(xié)同處置生活垃圾是的現(xiàn)狀、問題和對策》  2016  崔源聲蔣永富徐榮

  3、《生活垃圾氣化水泥窯協(xié)同處置技術研究和應用》  2016  陳曉東李威劉海兵郝利煒

  4、《污水處理廠污泥厭氧消化和利用》 2010   胡立能

  5、《。沼氣池內氧化脫除硫化氫工藝》單明煥等