水泥窑协同处置污泥的最佳加入量及工艺操作的优化

  尧柏特种水泥集团有限公司的两条Φ4m×60m带五级旋风预热预分解系统的2500t/d生产线，均未配置旁路放风系统。2014年两条窑分别配套一套日处理150t工业污泥以及一套日处理100t市政污泥的污泥处置系统，两条窑日处理污泥的能力均达到250t。为消除窑协同处置污泥时预热器频繁堵塞的工艺故障，通过分析及探索，对水泥窑协同处置污泥的工艺操作进行优化调整，找到了解决窑系统处置污泥时工艺故障的办法。

  1 窑系统协同处置污泥的工艺隐患及故障

  在协同处置污泥的过程中，窑系统出现分解炉出口压力绝对值升高，预热器频繁堵塞，窑14~19m段频繁结熟料圈，熟料圈最大厚度处达到500mm,窑筒体温度最低处达到71℃，窑内通风差，窑主电动机电流极不稳定，二、三次风温偏低，熟料f-CaO值波动大，窑的烧结能力变差，台时产量下降，窑协同处置工业污泥的能力不断下降，甚至一度为查找预热器频繁堵塞的原因，排查解决工艺隐患而中断工业污泥的处置。根据中控室操作记录的统计，自窑协同处置污泥以来，预热器共发生堵塞22次。按照预热器堵塞的位置划分：C4堵塞占23.8%，C5堵塞占61.9%，C4和 C5同时发生堵塞占14.3%；按照预热器堵塞的原因划分：结皮型堵塞占66.7%，非结皮型堵塞占33.3%。

  2 最佳污泥加入量的确定及工艺操作的优化

  污泥来源及主要挥发性组分见表1。由于三星污泥和比亚迪污泥的水分较低，利用皮带秤按照规定的比例同生料制备的石灰石等各种原料一起从磨头加入，参与原料的粉磨过程。

  三种污泥除钠碱及氟等主要挥发物以外，其他成分均为SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO及微量的重金属元素。可见，污泥的主要挥发物是影响水泥熟料煅烧的主要因素。

  3 污泥加入量的工业试验及工艺操作控制

  1）低加入量

  单独加入0.5%的三星污泥或0.5%的比亚迪污泥，分解炉出口温度控制在890～900℃之间，分解炉出口负压偏高，入窑生料表观分解率97%，预热器堵塞频繁，窑14~19m段频繁结熟料圈，熟料圈最大厚度处达到500mm,窑筒体温度最低处达到71℃，窑内通风差，窑主电动机电流极不稳定，二、三次风温偏低，熟料f-CaO值波动大，窑的烧结能力变差，台时产量下降到104t/h，熟料初凝时间约120min,终凝时间约180min，凝结时间在正常范围内。

  2）高加入量

  从0开始逐步增加三星污泥或比亚迪污泥的加入量，寻找污泥加入量的极限。分解炉出口温度控制在860℃，入窑生料表观分解率92%，当单独加入3.0%的三星污泥或单独加入2.0%的比亚迪污泥时，预热器堵塞频繁，导致窑不能连续运转，14~19m段结熟料圈，窑主电动机电流不稳定。熟料f-CaO值波动大，熟料初凝时间约180min,终凝时间约240min，凝结时间延长约60min。

  3）最佳加入量

  分别从单独加入3.0%的三星污泥或单独加入2.0%的比亚迪污泥开始，逐步降低三星污泥或比亚迪污泥的加入量，控制分解炉出口温度在850～855℃范围内，入窑生料表观分解率为85%～92%，窑主电动机电流稳定，台时产量为116t/h,窑连续运转，熟料强度能达到规定的指标要求，熟料初凝时间约120min,终凝时间约180min,凝结时间在正常范围内，此时单独加入三星污泥的加入量为2.5%或单独加入比亚迪污泥的加入量为1.0%,分别为两种污泥的最佳加入量。

  4 污泥对生料性质和熟料煅烧影响的分析

  1）因污泥中含F-、Cl-等卤化物和R2O，特别是氟化物为强熔剂，具有矿化作用，能够使水泥生料的最低共熔点降低，生料的易烧性增强，特别是有F-、Cl-等卤化物的参与，可降低熔体的黏度和表面张力，促进烧结的速度，相应扩大了C3S相区，增加了C3S量，熟料煅烧温度降低，熟料综合热耗下降。另外，由于入窑生料表观分解率的下降，所以窑头的给煤量与不掺加污泥相比基本没有变化。

  2）因熟料的煅烧过程能在较低温度条件下出现液相，煅烧温度降低，C2S在低温液相条件下吸收CaO生成C3S，完成烧结反应，因此为保证控制液相在过渡带出现，对分解炉出口温度进行控制，与不掺加污泥相比，要降低40～45℃，窑尾给煤量降低0.3～0.5t/h。

  3）经测定熟料与外加剂的相容性同不掺加污泥相比，净浆初始流动度由180mm提高到220mm,净浆流动度损失由50～60mm降低到10～20mm,因熟料与外加剂相容性的极大增强，使得水泥与外加剂的相容性大为改善。

  5 窑系统协同处置污泥工艺隐患和故障的解决办法

  1）因加入污泥的生料中含F-、Cl-等卤化物和R2O，尤其是F-的矿化作用，使得液相提前出现，要适度降低并稳定控制分解炉出口温度为855℃左右，稳定入窑生料表观分解率为85%～92%。

  2）加强分解炉缩口和鹅颈管、窑尾烟室和斜坡清理，保证预热预分解系统通风顺畅，为煤粉在窑、炉的充分燃烧创造条件。

  3）加强预热预分解系统的密封堵漏，防止漏风造成富集的F-、Cl-遇到冷风凝聚结块、固化结皮，预热预分解系统出现工艺隐患及堵塞故障。

  4）在保证预热预分解系统及窑各环节合理温度梯度，特别是降低用煤总量以及控制较低的分解炉出口温度的前提下，适度减少头煤比例，加大尾煤比例，提高熟料对氟化物、氯化物、碱的结合度，尽可能地将F-、Cl-、R2O等挥发物通过熟料带出整个窑预烧及煅烧系统。

  5）在稳定控制分解炉出口温度为855℃左右及入窑生料分解率为85%～92%的情况下，控制二次风温1150℃左右、三次风温800℃左右、窑尾温度1100℃左右，保证控制液相在窑过渡带出现。控制好窑、炉风量的平衡，确保烧成带后部不出现生料结圈；确定好燃烧器的位置，增加燃烧器移动的频次，通过火点位置的变化，保证烧成带窑皮平整无熟料结圈，上述措施可以保证窑内通风正常及窑头煤粉的充分燃烧。

  6 结论

  1）污泥中的F-、Cl-等卤化物和R2O等挥发性组分，能在窑系统形成挥发凝聚循环，在保证一定加入量的前提下，通过优化窑工艺操作克服窑系统的结皮堵塞，保证窑的连续运转。

  2）窑系统在无旁路放风工艺条件下协同处置污泥，要按照最佳加入量加入污泥，防止污泥中的挥发物在预热预分解系统挥发凝聚循环，形成富集，导致预热器结皮堵塞。另外，当污泥的加入超过最佳量时，熟料的凝结时间延长，会影响到熟料的性能。

  3）要合理控制窑系统的温度梯度，防止污泥中的挥发组分形成生料结圈、熟料结圈等工艺隐患，以保证窑主机工况的正常稳定及窑的产质量和能效指标的达标。

  4）因F-、Cl-、R2O等的矿化作用，生料预烧和熟料煅烧的综合热耗降低，熟料的热耗可降低60.7～104.6kJ/kg。

  5）通过工业试验，在无旁路放风工艺条件下的水泥窑协同处置污泥，单独加入三星污泥的最佳加入量为2.5%，单独加入比亚迪污泥的最佳加入量为1.0%。