基于熱水解技術(shù)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(shù)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(zhì)清潔轉(zhuǎn)化，為水泥生產(chǎn)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(dān)憂的問題，找到解決水泥窯協(xié)同處置污泥產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)《水泥窯協(xié)同處置廢棄物技術(shù)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(shù)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(xiàn)。

  一、國內(nèi)外污泥處理、處置情況

  普遍意義的污泥處理是指將污泥進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿撍?、加藥臨時穩(wěn)定、好氧、厭氧等工藝手段進(jìn)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(dá)到長期穩(wěn)定，并對人體健康和生態(tài)環(huán)境不產(chǎn)生有害影響，污泥處理工藝要達(dá)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(dá)到污泥處置標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)，最為核心目標(biāo)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(shù)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(dá)國家，污泥處置也是不同的，例如，日本以焚燒+固化灰渣&干化（比例減小）+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(dá)國家的污泥焚燒是逐年降低，最終會消失。

  二、當(dāng)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(shù)規(guī)范》（GB/T 30760-2014）是水泥窯協(xié)同處置污泥的綱領(lǐng)性標(biāo)準(zhǔn)，原為國家強制標(biāo)準(zhǔn)，2017年3月23日，轉(zhuǎn)為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，不再作為強制性標(biāo)準(zhǔn)存在；《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30485-2013），也沒有收錄在國家標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)即進(jìn)入水泥窯，影響燒成溫度，造成熟料質(zhì)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(quán)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(yán)謹(jǐn)?shù)淖鞣ǎ址诺乃喔G協(xié)同處理污泥項目，會面臨整改要求。

  還有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)，以及過程的污染控制標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，水泥窯的排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于污泥焚燒，這是一些污泥焚燒業(yè)者的認(rèn)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(dāng)，其VODs（揮發(fā)性有機物）污染是很嚴(yán)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(yán)重，但是味道引起“鄰避”效應(yīng)，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(shù)

  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(yīng)重的問題，研發(fā)了整套污泥處理工藝，關(guān)鍵設(shè)備自主設(shè)計和制造，經(jīng)濟性表現(xiàn)比進(jìn)口設(shè)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(dāng)調(diào)整專門建設(shè)的污泥處置項目工藝設(shè)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(yán)格界限，加入高級厭氧消化的目的，在于產(chǎn)生沼氣用于內(nèi)燃機直接拖動水泥窯尾高溫風(fēng)機、排風(fēng)機等用電設(shè)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(chǎn)量相當(dāng)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(jié)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(qū)窯尾高溫風(fēng)機的案例（驅(qū)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(jìn)的、成熟的和安全可靠的汽輪機驅(qū)動窯尾高溫風(fēng)機系統(tǒng)（應(yīng)用在汪清北方5000ｔ/ｄ水泥熟料生產(chǎn)線上），2017年2月6日開工建設(shè)， 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(nèi)燃機直接拖動窯尾高溫風(fēng)機等用電設(shè)備打下了堅實的基礎(chǔ)。

  2、熱水解技術(shù)介紹

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

  “HinergyTHP污泥熱水解技術(shù)”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(chǎn)生的污泥，污泥進(jìn)入污泥料倉，經(jīng)過漿化調(diào)理后進(jìn)入高壓水熱解反應(yīng)器，污泥經(jīng)高溫高壓蒸汽加熱發(fā)生一系列水解反應(yīng)，造成微生物絮體解體、細(xì)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(nèi)部水和細(xì)胞水以及結(jié)合水轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)技術(shù)，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(shù)，其突出的技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(shè)計；污泥不需要加藥調(diào)質(zhì)，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(jìn)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(shù)先進(jìn)，能耗低，比歐美領(lǐng)先的工藝設(shè)備能耗低，工藝效果一致；

  C、設(shè)備工藝整體性好，專門設(shè)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(shè)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(shè)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(chǎn)量約21000m?/天為例，通過燃?xì)鈨?nèi)燃機可以實現(xiàn)2MW以上的動力輸出，拖動水泥廠用電設(shè)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(chǎn)企業(yè)自行核算。

  4.3、簡要財務(wù)分析

  簡要財務(wù)分析基于以下假設(shè)條件：

  工程設(shè)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(jié)論

  以熱水解技術(shù)為技術(shù)核心的污泥無害化處置在北京市取得了成功，必將引導(dǎo)我國污泥處置的資源化方向。本文認(rèn)為水泥窯協(xié)同處置污泥項目不應(yīng)因陋就簡，期望簡單改換設(shè)備就可以處理污泥，從投資角度是對的，但應(yīng)看到污泥處置的技術(shù)復(fù)雜性及污泥污染嚴(yán)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(nèi)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(shù)接近最正確的方向，設(shè)備研發(fā)和工程質(zhì)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(shè)備上，從國際先進(jìn)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(nèi)水泥企業(yè)抓住當(dāng)前污泥處置的緊迫性與環(huán)保投資的政策支持，建設(shè)水泥窯協(xié)同處置污泥的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、科學(xué)發(fā)展。

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