基于热水解技术的水泥窑协同处置污泥整体解决方案
水泥 北京汉能清源科技有限公司 2017-10-13
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【摘要】本文以热水解工艺作为水泥窑协同处置污泥的前置处理工艺，污泥干化作为入窑前的必须步骤；介绍热水解技术在污泥处置中的作用，并给出水泥窑协同处置污泥的两个工艺路线建议，实现的目的是在协同处置污泥的同时，利用污泥中的有机质清洁转化，为水泥生产过程中的动力消耗提供有益补充；同时探讨污泥焚烧和掺烧在VODs及飞灰方面引起担忧的问题，找到解决水泥窑协同处置污泥产生VODs的办法。
水泥窑协同处置污泥是国家住建部、环保部等部门政策鼓励的固废处置措施，专门发布了国家标准《水泥窑协同处置废弃物技术规范》（GB/T 30760-2014）和《水泥窑协同处置固体废物污染防治技术政策》等文件；北京水泥厂在处置污泥方面走在了前面，为中国环保作出了开拓性的贡献。
一、国内外污泥处理、处置情况
普遍意义的污泥处理是指将污泥进行适当的脱水、加药临时稳定、好氧、厌氧等工艺手段进行减容、减量处理，以及部分稳定化，污泥的有机成分及污染依然存在或部分消减，并没有完全“无害化”和“稳定化”，并没有完成“处置”；而污泥处置是指污泥在环境中或利用过程中达到长期稳定，并对人体健康和生态环境不产生有害影响，污泥处理工艺要达到无害要求，即污泥处理过程及污泥处理后，污泥残留存在于自然界或残渣变换存在形式，不再引起环境危害，即完全“无害化”及“减量化”。
我国现在的3500万吨/年的市政污泥，污泥处理率约65%，而处置率不足10%，仅北京（高级厌氧消化）、上海（焚烧）、深圳（部分协同）达到污泥处置标准；我国现存的3500万吨工业污泥，与市政污泥处理率差不多，而处置率很低，北京水泥厂协同处置工业固废（含工业污泥）是为数不多的实现工业污泥处置的项目。
需要提出的，大量的污泥掺烧处理满足了污泥的“减量化”“资源化”和“稳定化”目标，最为核心目标的“无害化”是需要探讨的。
在5月25日北京召开的“第八届污泥论坛”会议上，一改此前会议只探讨各技术可行性的氛围，提出三条污泥处置主要路线：
1、热水解+高级厌氧消化+土地利用之市政污泥处置工艺路线；
2、干化（含热水解干化）+热解炭化+燃料（土壤利用）之市政污泥处置工艺路线；
3、（干化（含热水解干化）&热水解+高级厌氧消化）+水泥窑协同处置之工业污泥处置工艺路线；
同时，因污泥污染是水污染的浓缩物，污泥土壤利用的心理因素占据主要障碍，所以，污泥的土地利用接受度不高，是水泥窑协同处置最有利的因素。
国外发达国家，污泥处置也是不同的，例如，日本以焚烧+固化灰渣&干化（比例减小）+碳化为主（比例增大），水泥窑协同为辅；欧盟以热水解+高级厌氧消化+土地利用&焚烧为主，好氧+土地利用为辅；美国以好氧发酵+土地利用&热水解+高级厌氧消化+土地利用为主，焚烧为辅。
发达国家的污泥焚烧是逐年降低，最终会消失。
二、当前水泥窑协同处置污泥存在的问题及原因
《水泥窑协同处置固体废物技术规范》（GB/T 30760-2014）是水泥窑协同处置污泥的纲领性标准，原为国家强制标准，2017年3月23日，转为推荐性标准，不再作为强制性标准存在；《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》（GB 30485-2013），也没有收录在国家标准全文公开系统。
对于水泥窑协同处置污泥，水泥行业及环保行业均有不同的看法。
众所周知的因素，不少水泥窑协同处置污泥项目，较为粗放，污泥添加药剂（一般是钙剂）简单脱水后，高含水的污泥大颗、成团即进入水泥窑，影响烧成温度，造成熟料质量下降（表现不明显），对污染排放带来的影响也是莫衷一是，没有权威的说法，这类项目省去最为困难的污泥干燥环节，但这不是严谨的作法，粗放的水泥窑协同处理污泥项目，会面临整改要求。
还有关注水泥窑协同处置污泥的排放问题，《GB 30485-2013》规定了水泥窑烟气排放标准，以及过程的污染控制标准和方法，一个引起争议的因素，水泥窑协同处置污泥的烟气排放是经过大比例“稀释”，按同等排放标准，水泥窑的排放总量远远大于污泥焚烧，这是一些污泥焚烧业者的认识，但也有可能存在这个情况；如果污泥在水泥窑的加入点选择不当，其VODs（挥发性有机物）污染是很严重的，这点毋容置疑。
还有一个带来显性的因素，就是臭味控制，发生在污泥入窑前环节，特别是发生在污泥干燥环节，尽管实际污染并不严重，但是味道引起“邻避”效应，也大大恶化水泥厂工作环境。
以上问题的存在，造成水泥厂对水泥窑协同处置污泥项目往往退避，但这些问题，在有合理工艺方案的情况下，都可以解决。
三、汉能清源的整体解决方案及热水解技术
北京汉能清源科技有限公司在污泥处理、处置方面努力多年，针对污泥处理工艺能耗大、排放高、作业环境差、邻避效应重的问题，研发了整套污泥处理工艺，关键设备自主设计和制造，经济性表现比进口设备好。
1、整体解决方案概述
针对水泥窑协同处置污泥的特性，适当调整专门建设的污泥处置项目工艺设计、优化配置如下：
工艺方案1，针对市政污泥和工业污泥（有机物含量＞45%）：
热水解+高级厌氧消化（可加餐厨厌氧联合）+压滤&干燥+分解炉加入。
工艺方案2流程图
工艺方案2，针对市政污泥和工业污泥（有机物含量＜40%）：
热水解+压滤&滤液厌氧+干燥+分解炉（窑尾）加入。
以上2个方案，没有严格界限，加入高级厌氧消化的目的，在于产生沼气用于内燃机直接拖动水泥窑尾高温风机、排风机等用电设备，有很好的经济性，具体项目可以加以选择。
方案2，比较方案1的污泥高级厌氧工艺，是将滤液快速厌氧，沼气产量相当于方案1的30%，但投资、占地大大降低，需要具体比较增加的沼气在拖动方面的收益和投资收益差，结合污泥特性，来比较决定。
在方案图示上，干燥的污泥加入点可以选择温度在900℃以上，烟气氧含量＞8%的地方，并保证停留时间＞1秒，加入方式为流态喷入，燃烧条件可以保证有机物燃尽，避免VODs的排放问题。
另外，汉能清源已在水泥行业实现首台套汽电双驱窑尾高温风机的案例（驱动系统见下图），该项目是由北京汉能清源科技有限公司提供整套的、先进的、成熟的和安全可靠的汽轮机驱动窑尾高温风机系统（应用在汪清北方5000ｔ/ｄ水泥熟料生产线上），2017年2月6日开工建设， 5月18日项目投入运行。目前，该项目运行稳定、自动化程序高，水泥熟料可比综合电耗降低约10kWh/t，彻底解决了阶梯电价的问题，经济效益也很好，为内燃机直接拖动窑尾高温风机等用电设备打下了坚实的基础。
2、热水解技术介绍
“HinergyTHP污泥热水解技术”是北京汉能清源科技有限公司的专利技术，该技术已经完成中试工作，进入工业化示范阶段。
“HinergyTHP污泥热水解技术”工艺处理来自市政生活污水处理及生物化工工业废水处理过程中产生的污泥，污泥进入污泥料仓，经过浆化调理后进入高压水热解反应器，污泥经高温高压蒸汽加热发生一系列水解反应，造成微生物絮体解体、细胞破壁，羟基和羧基脱水，长链烃断裂为短链。使得难以脱除的内部水和细胞水以及结合水转化为易于脱出的自由水，从而大幅度提高污泥脱水性能。污泥经过水热反应后，通过压滤脱水得到干化污泥与脱水滤液。
污泥热水解反应技术，是专门为污泥热水解脱水处理与高级厌氧消化、以及污泥低温碳化开发的工艺技术，其突出的技术特性是：
A、减量幅度大。水热解后的污泥经机械压滤，含固率提高到50%以上，减量65%以上。
B、致病危害无。全封闭系统，处置过程不产生异味；系统高温环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，处理过后的污泥无臭味散发。
C、热效率高。工作压力为0.6-0.9MPa，污泥含水为饱和态，不产生水蒸发，热耗极低，污泥的热水解速率提高，污泥快速升温，快速热水解，性状发生根本改变，污泥状态稳定。
D、运行成本低。热水解反应过程没有蒸发行为，与序批式污泥水热处理相比，热耗降低50%，与热干化工艺相比，热耗降低80%-85%以上，是高度节能的工艺设计；污泥不需要加药调质，再降低处理成本。
3、污泥处置整体解决方案的优越性
整体解决方案从完全无害化方面入手，以资源化为增效益手段，实现全过程“环保”，流程从污泥进厂开始，全程封闭加消除臭味，最终将污泥融入水泥熟料，实现完全消减。
其优越性体现如下：
A、全工艺过程封闭，无泄漏，无臭味；
B、技术先进，能耗低，比欧美领先的工艺设备能耗低，工艺效果一致；
C、设备工艺整体性好，专门设计，无缝匹配；
D、资源化利用充分，无资源错置及浪费。
四、经济性分析例：典型的300吨/天项目
经济性分析以工艺方案1为例。
4.1、投资总额
300吨/天的设备、安装及土建工程投资如下表：
300吨/天水泥窑协同处置污泥的工程设备投资为：12835万元，本投资不含水泥窑喂料改造部分。
4.2、污泥收入与污泥资源化收入
因污泥地域不同，经济发展水平不同，污泥处理补贴也不同，市政污泥一般在200元-400元/吨，工业污泥一般在280元-600元/吨，补贴跨度很大，与政府协商的弹性也很大。
污泥资源化收益比较确定，以沼气产量约21000m?/天为例，通过燃气内燃机可以实现2MW以上的动力输出，拖动水泥厂用电设备，每天可以节省电费支出约50000kwh。
污泥在经过热水解厌氧后，可燃有机物还剩余40-50%，干基热值在1000-1300kcal/kg，按热值计算，污泥燃料替代可以节省1000吨煤。
以上三个部分的投资收益的计算请有意向的水泥生产企业自行核算。
4.3、简要财务分析
简要财务分析基于以下假设条件：
工程设备折旧期统一按10年核算，污泥处置费收入按275元/吨核算，电费按0.65元/kwh核算，煤按500元/吨核算。
见下表
说明：税收项按全额税收，实际减免政策按各地政策执行，增值税减免的执行各地界定不同。
五、建议与结论
以热水解技术为技术核心的污泥无害化处置在北京市取得了成功，必将引导我国污泥处置的资源化方向。本文认为水泥窑协同处置污泥项目不应因陋就简，期望简单改换设备就可以处理污泥，从投资角度是对的，但应看到污泥处置的技术复杂性及污泥污染严重性，加之政府对环保的要求及法规一再提高及居民“邻避”加剧，简单协同处置污泥项目投资打水漂的事情会不断发生。
目前，国内企业及科研单位经过近十年的探索和筛选，污泥处置技术接近最正确的方向，设备研发和工程质量已经可以满足污泥处置需求，并且成本大大降低，工程设备上，从国际先进水平的10-20万美元/吨投资，降到35-50万元人民币/吨投资，已经符合我国国情，不能过于期望价廉而物美。
建议国内水泥企业抓住当前污泥处置的紧迫性与环保投资的政策支持，建设水泥窑协同处置污泥的标准项目，对于污泥处置费和物价的涨幅具有可比性，污泥处置费的价格会不断升高，协同处置项目的收益会水涨船高。
建议政府部门要进一步加大对水泥窑协同处置固体废物的支持力度，不单是落在纸上，还要落到实际行动中，通过不断技术创新，实现水泥行业转型升级、科学发展。
参考文献：
1、《利用水泥窑协同处置废弃物技术研究及工程应用》 2016 胡芝娟李海龙
2、《我国水泥窑协同处置生活垃圾是的现状、问题和对策》 2016 崔源声蒋永富徐荣
3、《生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究和应用》 2016 陈晓东李威刘海兵郝利炜
4、《污水处理厂污泥厌氧消化和利用》 2010 胡立能
5、《。沼气池内氧化脱除硫化氢工艺》单明焕等
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