CN103739184A

CN103739184A - 利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法

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Publication number: CN103739184A
Application number: CN201410027957.5A
Authority: CN
Inventors: 唐富顺; 杨宏斌; 陈晓菲; 刘峥; 秦国军; 侯爵; 李平; 韦立宁
Original assignee: GUANGXI ZHUANG AUTONOMOUS REGION SOLID WASTE MANAGEMENT CENTER; Guilin University of Technology
Current assignee: GUANGXI ZHUANG AUTONOMOUS REGION SOLID WASTE MANAGEMENT CENTER; Guilin University of Technology
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: CN103739184B

Abstract

本发明公开了一种利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法。市政污泥先与氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水形成的添加剂混合，再计量加入煤粉和熟石灰后，在干化回转窑内被引入的干法水泥窑窑头余风或发电锅炉后的烟气干化。干化污泥混合物以空气泵的高压气间隔直接打入干法水泥回转窑窑尾与分解炉间的上升烟道内与窑内水泥原料混合掺烧。本发明不仅可以将干化水泥回转窑协同处置城市生活污泥过程中的臭味排放得到有效的控制，显著改善了作业环境，而且干化污泥混合物可直接入水泥回转窑窑尾掺烧成水泥熟料，对水泥回转窑生产工艺温度等参数影响较小，不影响水泥品质，达到对水泥窑余热和污泥有机质热量的利用，以及实现生活污泥的安全协同处置，具有显著的环境与经济效应。

Description

利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法

技术领域

本发明涉及一种利用干法水泥回转窑余热干化城市生活污泥以便于直接入窑掺烧处理的方法，特别是一种利用干法水泥回转窑生产线余热发电锅炉后烟气以及窑头余风干化城市生活污泥，并直接入窑掺烧处理的方法。

背景技术

随着我国经济的持续发展，城市污水处理容量快速增长，污泥产生量急剧增加。十一五期末，全年全国湿污泥产量最高达到了2850万吨。仅就广西区为例，城市污水处理容量即呈快速增长趋势，2010年末，全区污水处理厂污泥年产量达到115万吨/年。我国现阶段污泥的主要处置方式是脱水后直接进行填埋或农业利用等（其中农业利用约占44.8%、陆地填埋约占31%）。由于污水处理厂产生的污泥含有大量的难降解的有机物、病菌以及少量的重金属（铜、镍、锌、镉、铬、铅、砷、汞等）和复杂的无机物成份，采用填埋、堆肥等处置方式不仅占用土地资源和对人类的健康造成严重的危害、还会造成恶臭、温室气体排放和土壤重金属污染等二次污染。由于我国工业经济高速发展，产生大量的污水处理厂污泥，现有的处置方式占用了大量的耕地和造成重金属污染所形成的严峻形势，已成为当今我国日益突出的社会矛盾和环保难题。

在国际上，欧、日等一些发达国家早在2005年就禁止工业和生活污泥填埋，污水处厂（站）生产的污泥主要采用污泥热干化焚烧的方式进行处理，近年来污泥热干化焚烧技术在西方工业发达国家得到了广泛的推广，成为污泥处理的主要方式。现在世界各国对污泥处理处置的方向是走无害化、减量化、资源化的发展道路。我国也于2009-02-18颁布《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）》，鼓励采用干化焚烧方式，提高污泥的热能利用效率，无害化、减量化和资源化将成为我国污泥处理与处置的主要方向。近几年我国在上海等地开始引进国外成熟的污泥单独的干化焚烧技术与设备建立示范工程，但该设备造价高（以日处理350吨湿污泥的全套设备造价达到8000万元左右）和运行成本大（每吨湿污泥处理费用约为350元），在我国及尤其广西区现阶段经济能力下要大规模推广较为困难。现阶段我国消化吸收国外先进的污泥直接单独干化焚烧技术、开发适合我国国情的污泥减量化技术仍处于研发阶段，仍需解决设备投资大和运行本高的难题，并且无法处理聚合硫酸铁等无机絮凝剂产生的污泥。以垃圾焚烧厂、热电厂等与其他物料进行的混合焚烧技术国内已取得了一定的应用经验。但由于垃圾焚烧厂、热电厂都有发电的要求，实际运行中大量接收热值低的污泥较为困难，满足不了日益增长的污水处理厂污泥处理容量要求。

由于污水处理厂污泥中除了含有有机物外往往还含有无机物，这些无机物主要含有SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO等成分，与许多建筑材料成分相似(例如表一)。利用干化后的污泥与水泥原料共烧不仅可以利用污泥的有机物热值(例如表二)，还可以作为水泥生产的原料，同时污泥中含有的重金属被熟料吸收，从而达到无害化、减量化、资源化，生态效果较好。因此，国家鼓励利用水泥窑炉掺烧污水处理厂污泥等的技术研究，为污泥处置寻求新的方式，以克服污泥单独干化焚烧技术的高能耗缺点。例如，广西区现有大小水泥厂240多家，“十一五”结束后全区水泥产能总量已达到8780 吨/年，新型干法水泥比例占到81％，现已有12 个市建有年产超过100 万吨的新型干法水泥生产线，这为采用与水泥原料混合焚烧处理广西区城市污水处理厂污泥创造了有利的条件。因此，利用水泥窑炉干化掺烧污水处理厂污泥的减量化技术与装备将是我国一些地区生活污泥处理与处置的新途径。

表一、污泥灰分中无机化合物的含量 (wt%)

污泥产地	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	Na₂O	K₂O	MgO	CaO
								柳州	52.28	17.44	10.83	0.34	2.29	1.79	4.36
桂林	43.35	19.45	11.34	0.51	2.49	2.26	4.85
								(水泥原料)粘土	66.32	15.86	5.08	＜1.50	＜2.50	1.40	1.09
(水泥原料)煤灰	53.84	30.42	5.16	-	-	1.30	4.52

表二、污泥的含水量及燃烧热值特性

污泥产地	含水量 (wt%)	干化污泥燃烧热 (kJ/kg)
			桂林	87.37	3071
柳州	80.16	2723

干化回转窑水泥生产线的窑头冷却余风和窑尾预热器C1分离器出口的烟气等仍含有不低的热量。以广西区内的兴安海螺和扶绥海螺二家公司的约210T/h(即210吨/小时)熟料生产能力的干化回转窑生产线为例，窑头余风温度约为360-400℃，其中进入发电锅炉的余风约为18-20万m³/h，同时从C1分离器出口的烟气温度约为340-350℃，烟气流量约为22-26万m³/h。上述烟气经发电锅炉后的烟气温度仍高达210℃左右，是可再利用来干化城市生活污泥较理想的热源，可以节省能源成本。

城市生活污泥中含有一部分易腐化分解的有机质，在适宜的条件下，会分解释放出强烈难闻的气味和有毒有害的气体。因此，污泥干化处理过程会产生浓度较高的恶臭气体，例如硫化氢、硫醇及甲硫醇，它们是污泥脱臭的主要控制指标。尤其是硫醇及甲硫醇粘附性很强，吸附在织物等衣物上产生难言的恶臭。因而，现有的余热干化城市生活污泥的方法中，无论是采用间接干化或直接干化的方法，都不可避免地产生大量的上述恶臭气体，直接以及因设备泄漏造成作业产区的环境恶化。若将含有大量恶臭气体的干化尾气入窑焚烧，须将水汽分离，这将造成污泥的处置成本和装置投入的显著增加，并且大量的分离后的尾气入窑会造成水泥窑的工况严重波动；若将含有大量恶臭气体的干化尾气引入到水泥窑的排放***，需增加吸收溶剂和吸收塔，并且吸收下来的硫化氢、硫醇及甲硫醇面临二次污染与处理的难题。这也是目前水泥生产产家不愿积极参与利用水泥窑炉干化掺烧污水处理厂污泥的困境之一。因此，有必要创新发展一种新的干化回转窑水泥生产线协同干化掺烧处置城市生活污泥的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用干法水泥回转窑余热干化城市生活污泥，干化时将硫化氢、硫醇及甲硫醇等恶臭气体组分固化到干化固相中，并将干化后的混合物直接入窑掺烧成水泥成分的处理方法。

具体步骤为：

1）将污水厂的脱水污泥与煤粉、熟石灰和添加剂混合均匀，呈大小不均匀的粒状即污泥混合物；混合过程中，熟石灰吸收污泥中的水份水化，添加剂吸收并抑制污泥中臭味气体散发出来；所述煤粉、熟石灰和添加剂的质量分别为脱水污泥质量的10-12%、8-15%和1-3%；所述添加剂为氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水混合形成的乳化混合液，混合液中各组分的质量百分比为：氢氧化钠12-15%、丙三醇8-10%、二甘醇胺15-25%、烷基苯磺酸钠4-6%和水44-61%。

2）将干法水泥窑窑头余风（温度为360-400℃）或发电锅炉后的烟气（温度约为210℃），通过引风机和旋风管输入到回转式干化窑即干化回转窑内。

3）在干化回转窑的入口风管上置有污泥入口，将步骤（1）所得污泥混合物机械输送到污泥入口处落入风管内，借助于风管内的旋风力将污泥混合物吹带入干化回转窑内；污泥混合物在干化回转窑内吸收烟气或余风的热量干化40-60分钟，使干化后的污泥混合物含水量小于10%；干化过程中，硫化氢、硫醇及甲硫醇恶臭气体组分与熟石灰反应生成硫化盐、醇盐等，以及被添加剂吸收，使恶臭气体组分固化到固相干化颗粒物料（即干化污泥混合物）中。

其中：（1）污泥混合物进料量为：2.0-2.5T/h；

（2）引入的发电锅炉后的烟气（温度约为210℃）流量为：18-22万m³/h，或窑头余风（温度约为360-400℃）流量为：10-12万m³/h；

4）干化回转窑排出的含水烟气引入水泥厂原有的烟气处理***进行处理。

5）步骤（3）干化回转窑所得到固相干化颗粒物料（即干化污泥混合物）经球磨粉碎后进入加料仓，以空气泵的高压气间隔打入干法水泥回转窑窑尾与分解炉间的上升烟道内，燃烧分解后与窑内原料混合掺烧成水泥熟料，掺入量不大于水泥窑熟料生产能力的10%；空气泵压入的高压空气补充提供部分污泥燃烧需要的氧气，使污泥分解燃烧更完全；掺烧过程中，干化污泥混合物中所含有机质和煤粉提供热值补充污泥掺烧所需的热量，使水泥生产***计量工艺参数波动最小，生产工艺温度参数不超出允许的±50℃波动范围；污泥中所含无机物组分以及干化污泥混合物中固化所含钙质无机组分则进入到水泥组成中成为水泥熟料，计量加入的氧化钙使污泥混合物本身在接近熟料熔化化学计量配比的工艺条件下熟化，迅速与生产线本身的原料熟化混合熔融，避免了污泥成分在高温熟化阶段的熟化不匀；而干化污泥混合物中固化所含恶臭气体组分被上升烟道内1000℃以上的高温分解成SO₂，含碳有机物成分被高温燃烧分解成CO₂，随分解炉上升烟气进入分解炉前段水泥生产***由水泥生产线尾气处理***处理后排放。

本发明既利用了水泥回转窑余热、生活污泥的热值和残余组分，又减少了生活污泥干化掺烧过程中恶臭气体的排放，改善了生产作业环境，并且不影响水泥生产工艺和水泥品质。

附图说明

图1为本发明添加剂的制备流程图。

图2为本发明利用干法水泥窑余热干化城市生活污泥并直接掺烧处理的方法流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行详细说明，但应了解本发明不仅仅限定于所述实施例。

实施例：

实施设备1：230T/h生料进料量的干法水泥生产线。

实施设备2：回转式干化窑，内腔直径约0.8米和长度约18米，内腔壁交错布置有约20cm长的折型抄板。

生活污泥来源：某市政脱水活性污泥，含水率约80.05%，可灼烧物（有机物）含量约13.95%，干化污泥热值约6000 kJ/kg（大卡），残存无机物含量约6.0%（其中含SiO₂ 52.28%、Al₂O₃ 17.44%、Fe₂O₃ 10.83%、 Na₂O 0.34%、K₂O 2.29%、MgO 1.79%、CaO 4.36%等）。

（1）将氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水，分别按质量百分比15%、10%、20%、5%和50%称量后，将氢氧化钠和水溶解混合，再依次加入丙三醇、二甘醇胺和烷基苯磺酸钠，搅拌混合均匀，形成乳化混合液，即为添加剂混合液，该混合物可稳定保存一个月以上。

（2）将污水厂脱水活性污泥每批次投入10吨到混料仓内，边搅拌边加入0.3吨步骤（1）所得添加剂混合液，随后加入1吨已磨细煤粉和0.8吨熟石灰8%继续混合均匀；混合后的污泥混合物呈大小不均匀的固相粒状。

（3）将水泥生产线发电锅炉排出的温度为210℃烟气不经省煤器，通过单独设置的引风机和旋风风管输入到干化回转窑内，烟气引入量约为22万m³/h。

干化回转窑的运行参数维持窑炉运转速度1.5-2.0转/min之间，炉体预热3小时。以皮带输送机将步骤（2）所得预混合好的污泥混合物输入送到干化回转窑入口风管上的加料斗里，落入风管内，借助风管内的旋风风力将污泥混合物吹带入干化回转窑内进行回转干化；污泥混合物进料量控制在2.4 T/h，干化时间通过控制窑炉运转速度加以调整控制，使污泥混合物在干化回转窑内干化时间不少于60分钟；当干化回转窑运转速度为1.5转/min时，干化后的污泥混合物含水量经测定为8.89%。

（4）干化回转窑出料口处落下的干化污泥混合物转运到球磨机球磨1小时研磨粉碎，干化回转窑窑尾排出的含水蒸气烟气引入到水泥厂的烟气处理***进行处理后再排放；粉碎后的干化污泥混合物吊至新型干法水泥生产线分解炉与上升烟道处的操作平台上并注入到单独设置的进料仓里，以空气泵的高压气间隔打入新型干法水泥生产线分解炉底处的烟道入窑掺烧；空气泵每间隔20s打一次料，每次打入的干化污泥混合物料为3.2 kg。

以空气泵的高压气将干化污泥混合物间隔打入新型干法水泥生产线分解炉底处的烟道入窑掺烧，其目的是要解决物料入窑困难问题，并可使物料入窑后能迅速得到分散，同时空气泵压入的高压空气可补充提供部分污泥燃烧需要的氧气，使污泥分解燃烧更完全。另外，更重要的原因是间隔进料可以使水泥窑生产工艺参数稳定平衡快，波动较小。由于干化污泥混合物本身的有机物具有大量的热值，通过计算加入的煤进一步提供了足够的热量，这样可使水泥窑生产工艺温度参数不超出允许的波动范围。本实施例中，污泥入窑掺烧后，新型干法水泥生产线煅烧回转窑内的温度仅下降了10℃。同时计量加入的氧化钙可使污泥混合物本身在接近熟料熔化化学计量配比的工艺条件下熟化，可迅速与生产线本身的原料熟化混合熔融，避免了污泥成分在高温熟化阶段的熟化不匀。

实施例过程中，在生活污泥干化掺烧过程中添加煤粉、熟石灰和添加剂后，臭味的排放强度从2级以上降为1级以下，作业点的臭味强度从5级降为1级，具有明显的臭味去除效果。并且干化污泥入窑掺烧后水泥凝结时间、强度和性质等性能不仅没有下降，反而有所增强。通过实施例，说明了本方法在利用水泥生产过程的余热干化污泥同时可以将处置过程中的污泥臭味排放得到有效的控制，显著改善了作业环境，干化污泥混合物能入窑掺烧成水泥熟料，达到了水泥生产过程中余热的利用和污泥的协同处置，表明了本方法的可行性和创新性。

结果如下：

（1）臭味排放：

干化过程中，生活污泥单独进干化回转窑而不添加其他物料时，干化2小时后，可在试验点厂区外大约2公里处可感觉到明显的恶臭味，但没有恶心感。而在试验点附近50米范围内，作业人员易感显著，尤其是投料处个别操作人员，出现恶心感。作业人员所穿戴的工作服换下后第二天仍能在衣物上闻到臭味。当正常添加煤粉、熟石灰和添加剂后，在试验点厂区外大约2公里处已闻不到恶臭味，在试验点附近50米范围内，作业人员有轻微的臭味感。在投料处，操作人员仍能易感臭味，但没有恶心感。作业人员所穿戴的工作服换下后第二天在衣物上已闻不到臭味。因此，在生活污泥干化掺烧过程中添加煤粉、熟石灰和添加剂后，臭味的排放强度从2级以上降为1级以下，作业点的臭味强度从5级降为1级，具有明显的臭味去除效果。

在生产作业操作区10米范围内收集检测无组织排放的臭味浓度为：H₂S浓度小于0.015mg/m³，甲硫醇浓度小于0.0055mg/m³，基本达到1级厂界标准。收集检测该水泥厂的烟囱排放口，已检测不到H₂S和甲硫醇，这有可能即使干化后的排放烟气含有微量臭味但已被水泥厂的除尘塔吸收。另外，试验过程中水泥厂的烟囱排放气中SO₂浓度试验前后都为10 mg/m³，说明污泥入窑掺烧对SO₂排放的监测影响不大，水泥生产线的SO₂排放仍在50 mg/m³国家特别排放限值以下。

（2）水泥品质的比较：

通过比较干化污泥混合物的入窑掺烧前后水泥品质的变化，可以从表三、表四和表五水泥品质的结果得到，本方法所得干化污泥混合物入水泥煅烧回转窑掺烧后水泥凝结时间、强度和性质等性能不仅没有下降，反而有所增强，表明了本方法的可行性。

表三污泥掺烧后水泥凝结时间的比较

试验性质	初凝/min	终凝/min	C₃S/%	C₂S/%
					正常生产	142	196	42.57	29.63
污泥掺烧	137	183	45.78	25.98
					GB 175-2007	≥45	≤390	50%～70%	18%～30%

表四污泥掺烧后水泥强度的比较

试验性质	3d抗折/MPa	3d抗压/MPa	28d抗折/MPa	28d抗压/MPa
					正常生产	2.5	10.5	6.0	32.5
污泥掺烧	2.7	10.4	6.3	34.4
					GB 175-2007	≥2.5	≥10	≥5.5	≥32.5

表五污泥掺烧后水泥性能的比较

试验性质	烧失量/%	MgO/%	碱含量/%	SO₃/%	细度/%	比表/(m²/kg)
							正常生产	0.37	1.69	0.24	0.13	2.7	359
污泥掺烧	0.31	1.94	0.32	0.17	2.5	365
							GB 175-2007	≤5.0	≤5.0	≤0.6	≤3.5	≤10	≥300

Claims

1.一种利用干法水泥窑余热干化生活污泥及直接掺烧处理的方法，其特征在于具体步骤为：

1）将污水厂的脱水污泥与煤粉、熟石灰和添加剂混合均匀，呈大小不均匀的粒状即污泥混合物；混合过程中，熟石灰吸收污泥中的水份水化，添加剂吸收并抑制污泥中臭味气体散发出来；所述煤粉、熟石灰和添加剂的质量分别为脱水污泥质量的10-12%、8-15%和1-3%；所述添加剂为氢氧化钠、丙三醇、二甘醇胺、烷基苯磺酸钠和水混合形成的乳化混合液，混合液中各组分的质量百分比为：氢氧化钠12-15%、丙三醇8-10%、二甘醇胺15-25%、烷基苯磺酸钠4-6%和水44-61%；

2）将温度为360-400℃的干法水泥窑窑头余风或温度为210℃发电锅炉后的烟气，通过引风机和旋风管输入到回转式干化窑即干化回转窑内；

3）在干化回转窑的入口风管上置有污泥入口，将步骤（1）所得污泥混合物机械输送到污泥入口处落入风管内，借助于风管内的旋风力将污泥混合物吹带入干化回转窑内；污泥混合物在干化回转窑内吸收烟气或余风的热量干化40-60分钟，使干化后的污泥混合物含水量小于10%；干化过程中，硫化氢、硫醇及甲硫醇恶臭气体组分与熟石灰反应生成硫化盐、醇盐，以及被添加剂吸收，使恶臭气体组分固化到固相干化颗粒物料即干化污泥混合物中；

其中：（1）所述污泥混合物进料量为：2.0-2.5T/h；

（2）所述温度为210℃的发电锅炉后的烟气流量为：18-22万m³/h；所述温度为360-400℃窑头余风流量为：10-12万m³/h；

4）干化回转窑排出的含水烟气引入水泥厂原有的烟气处理***进行处理；

5）步骤（3）干化回转窑所得干化污泥混合物经球磨粉碎后进入加料仓，以空气泵的高压气间隔打入干法水泥回转窑窑尾与分解炉间的上升烟道内，燃烧分解后与窑内原料混合掺烧成水泥熟料，掺入量不大于水泥窑熟料生产能力的10%；空气泵压入的高压空气补充提供部分污泥燃烧需要的氧气，使污泥分解燃烧更完全；掺烧过程中，干化污泥混合物中所含有机质和煤粉提供热值补充污泥掺烧所需的热量，使水泥生产***计量工艺参数波动最小，生产工艺温度参数不超出允许的±50℃波动范围；污泥中所含无机物组分以及干化污泥混合物中固化所含钙质无机组分则进入到水泥组成中成为水泥熟料，计量加入的氧化钙使污泥混合物本身在接近熟料熔化化学计量配比的工艺条件下熟化，迅速与生产线本身的原料熟化混合熔融，避免了污泥成分在高温熟化阶段的熟化不匀；而干化污泥混合物中固化所含恶臭气体组分被上升烟道内1000℃以上的高温分解成SO₂，含碳有机物成分被高温燃烧分解成CO₂，随分解炉上升烟气进入分解炉前段水泥生产***由水泥生产线尾气处理***处理后排放。