北京恩萨：提高水泥窑协同处置城市生活污泥能力的措施
0引言
城市生活污泥主要是指城市生活污水处理厂脱水以后的污泥，污泥中存在大量有机物、病菌、重金属等物质，长期堆存会造成恶臭、滋生蚊蝇、污染地下水等有害影响。利用水泥窑协同处置城市生活污泥在众多污泥处置技术中是最为彻底有效的技术之一，具有较好的推广价值。
HZ水泥有限公司自2012年11月开始利用液压驱动活塞泵泵送城市生活污泥至水泥窑进行协同处置，几年来通过不断的技术改造，单线处置污泥能力由80t/d逐步提高至180t/d，两条生产线同时运行可以达到300t/d以上的污泥处置能力，满足了当地日益增加的污泥处置需求。本文对该公司几年来技改过程中遇到的问题与技改的经验进行了系统的分析和探讨。
1原有系统存在的问题
HZ公司原采用德国PM公司的技术产品，具体流程见图1，城市生活污泥经过汽车运输至工厂后卸入污泥料仓，污泥在液压破拱滑架的推送下经过双轴螺旋输送机进入液压污泥泵，在污泥泵挤压输送作用下经过污泥管道输送至水泥窑尾烟室，进入水泥窑内焚烧。
该系统流程简单，设备运行可靠，且有国外的成功案例可以借鉴，但是污泥直烧系统投运后，水泥窑正常操作运行受到影响，以至于水泥生产线在很长一段时间内无法达标达产，主要表现为以下问题：
污泥投加量为1~2t/h时，加料初期窑电流会迅速下降100~200A，短时间内窑头出料明显增加，操作人员一般会降低窑速0.2~0.3r/min，并增加窑头用煤，一般在约20min后窑系统会恢复正常，待窑电流恢复正常以后，系统喂泥量可以逐步提高至2t/h左右。在此污泥投加量下，整个窑系统只是表现为预热器出口压力有所上升，而产质量则相对比较稳定。
污泥投加量为2~3t/h时，窑系统反应比较明显，窑况会有较大的波动，具体表现为：窑电流会迅速降低100~200A、窑尾CO浓度增加、窑头出料不稳定，在这种情况下一般会导致f-CaO超标，生产操作上需通过降低窑速、减少生料投加量、增加系统风量、增加头煤等措施稳定窑况。在此污泥投加量下，窑系统熟料产量一般会减少200~300t/d。
污泥投加量在3t/h以上时，窑电流会迅速再次降低50~100A，窑尾的CO浓度逐渐上升且居高不下，同时在窑头可以观察到燃烧器火焰明显发飘，甚至有火焰反扑的现象，在篦冷机镜头可以看到窑头出料量短时间内明显增加，如果推料不及时，会造成篦冷机高温段熟料大量堆积。这种情况下，f-CaO合格率会大幅度下降，熟料外观变差，生产操作上即便是大幅度减产、增加系统风量、降低窑速也难以稳定窑况，最终只能减少污泥投加量。
2污泥对水泥窑影响的机理
在本项目中污泥通过柱塞泵输送至窑尾投加点，污泥在管道内呈柱状流形态，根据柱塞泵换向速率不同，呈现为不同的脉冲柱状流进入窑尾烟室，污泥从管道内冲出后会直接掉到烟室斜坡上，并裹挟着生料直接冲入回转窑内，在窑内吸热后急剧膨胀、气化、直至完全焚烧。
含水率80%的城市生活污泥进入到水泥回转窑后，影响主要有以下几点：
首先，大量的含水80%的污泥块直接冲入到回转窑内的灼热生料中，吸热后会迅速释放出大量的气体，造成回转窑尾段生料流速加快，使大量未经过充分反应的生料迅速进入烧成带，造成烧成带很快缩短从而减少熟料液相形成区域，表现在实际生产中每次增加喂泥量后短时间内窑电流大幅度下降、随后窑头会有大量的熟料涌出，如果操作调整不及时会导致f-CaO超标。
其次，污泥中的水分在窑内气化会造成窑内风量增加，形成“气栓”，同时占用烟气通风面积，增加系统阻力，使窑尾缩口风速提高。根据摩尔定律：水变成水蒸气体积扩大约1240倍，同时污泥中的含水汽化并升温将增加用煤量，从而增加烟气量，两项烟气增量之和可约达到随污泥进窑液态水体积的2000倍之多；在本项目中，污泥投加量在2t/h时，每小时约有1.6m3的水迅速蒸发，窑尾缩口增加的标况风量约为0.3万m3，风量增加一方面会造成入窑二次风量减少，容易形成还原气氛，另一方面会造成窑尾斜坡风速增加，入窑物料被烟气带回分解炉的量增加。实际运行中表现为窑头火焰发飘或有反扑现象、熟料中容易出现还原料、主窑皮缩短等现象。操作人员为保证窑系统不出现还原气氛、火焰形状良好，一般会采取调整火焰、增加系统风量、增加头煤用量的做法，但是由于污泥投加量不稳定，窑况调整又不会短时间内出现明显改善，所以表现为：窑况不稳定，系统煤耗增加明显，熟料岩相表现为明显的短焰急烧现象。
第三，污泥中含有较多的有机物，从窑尾烟室进入窑内后，在高温低氧条件下迅速碳化，碳化后的污泥进入灼热生料中形成局部还原气氛，会有还原熟料的产生，在这种情况下，无论窑况如何都会有部分黄心料出窑，这点与本项目实际情况非常相符。
第四，污泥中含有少量氨基成分，氨基成分在窑系统内释放出NH3成分与窑内氮氧化物（NOx）发生反应，从而可以降低烟气中NOx的含量，减少脱硝氨水的使用量。本项目中投加污泥后，氨水使用量几乎没有降低，主要是由窑况波动较大、系统不稳定造成。
3整改措施与效果
根据以上分析，HZ公司与我公司的技术人员一起先后进行了两次技术改造，都取得了预期效果。
第一次改造：改变污泥投加点位置，提升50%的污泥处置量。
原有系统的污泥投加点在窑尾烟室，污泥进入烟室后会直接进入回转窑内，对回转窑窑况影响很大，为减缓影响、延长污泥入窑时间，将污泥投加点提高至分解炉中部距离窑尾烟室约15m的位置，由于位置较高，污泥在分解炉内会停留1~2s的时间，一部分污泥在分解炉中焚烧，从而减少回转窑的焚烧负荷，提高处置量。
从统计数据来看（见表1），投加位置提高以后污泥的实际处置量提高至100~120t/d左右，提升近50%，氨水使用量减少约10%，效果非常明显。
第二次改造：采用恩萨SSL10型污泥雾化喷枪（见图2），优化污泥入窑工况。
图2SSL10型污泥雾化喷枪
第一次改造只是简单改造，在现场仍然可以发现窑尾烟室有污泥落入回转窑，另一方面在污泥水分出现变化时窑况仍然有明显波动，所以在2015年5月该公司使用SSL10型雾化喷枪系统（如图3）。该系统首先对污泥进行除杂处理，将污泥中>20mm的污泥杂质进行滤除，然后通过管道将污泥送至污泥雾化喷枪系统，同时采用压缩空气将污泥充分打散雾化，从而实现污泥在分解炉内完全焚烧，避免污泥入窑给窑况带来较大影响。
图3第二次改造后的流程
从统计数据来看，经过第二次改造后污泥处置量得到进一步提高，同时窑系统熟料台时产量趋于稳定，并提产至5600t/d，氨水使用量减少近30%，效果非常明显。
4结束语
1）城市生活污泥含有大量的水分，水泥窑在协同处置过程中不可避免地会受到较大影响，窑系统台时产量会有明显下降，熟料煤耗明显增加。
2）城市生活污泥中含有氨基物质，污泥焚烧时会释放出NH3成分，与NOx发生SNCR反应，从而可以减少脱硝氨水使用量，最多可以减少近30%的使用量。
3）采用污泥雾化喷枪将污泥打散后入炉，可使污泥焚烧效果明显提高，日处置量最大可达熟料产量的5%。
