1引言
3月9日，广州市越堡水泥有限公司利用水泥回转窑协同处置污泥项目建成投产，这是我国国内最大规模利用水泥窑无害化、资源化处置城市污泥项目。
十多年前，高长明先生根据水泥工业在环境保护方面的发展趋势以及清洁化、生态化、集约化与高质量的生产模式，提出了未来水泥工业“四零一负”的可持续发展战略，具体来说就是：水泥生产过程要实现对环境的零污染；对天然化石燃料的零消耗；对电能的零消耗；对废渣、废油、废水的零排放；通过对全社会废料、废渣、垃圾等的部分消纳、清洁处理促使其数量的负增长，以最大限度地减轻社会负担。从“四零一负”的概念来看，利用水泥窑无害化、资源化处置城市污泥，就是这“负”的体现。
近年来，随着城市污水处理能力的快速提高，污水处理的中间产物__-污泥的妥善处理和处置却一度被忽视。而城市污水厂污泥的有机成分中含有大量的有机物，如氨基酸、腐殖酸、细菌代谢产物、多环芳烃和有机硫化物等。此外，污泥中还存在一些危险的病原微生物、寄生虫卵和重金属。因此，城市污水厂的污泥如果得不到妥善处理，其危害是不言而喻的。
污泥处置问题不仅是我国在环境综合整治工作中出现的问题，也是目前世界各国都面临的挑战。近10来年，发达国家制定了更高的污泥处置标准，逐步限制污泥土地的直接应用，如欧盟已经确定从2010年起禁止再向土地直接施用污泥，在新建和改建的污泥处理项目中，有向热干化等更高端技术设施发展的趋势，以提高污泥无害化和资源化的水平，满足更高的环境要求。
2007年1月24日的《四川日报》刊登了有关水泥生产节能的文章说，甚至锦江里的淤泥都可以燃烧，利用得好比一些低质煤燃烧值高。今天，广州市越堡水泥有限公司利用水泥回转窑协同处置污泥项目建成投产，就把这个说法活生生地摆在国人面前，其不仅利用了污泥的热值，还将其原料化。
2水泥回转窑协同处置污泥的可行性
水泥回转窑协同处置污泥的基本原理是利用水泥窑的废气余热烘干污泥，干化后的污泥进入水泥窑焚烧处理，可替代部分原料和燃料。
污泥的有机成分在焚烧时基本上都可燃，而无机成分构成焚烧残渣，因此对于污泥焚烧产物的处理主要是对残渣（焚烧灰）的处理。对于污泥焚烧灰的处理要么填埋，要么应用于其它能够吸收残渣的行业（如水泥）。成都院曾对某市污水处理厂的污泥焚烧灰的化学成分进行了研究，结果人为，污泥灰完全可以满足水泥厂的配料要求，且有害成分也在常规的生产控制范围内。
采用机械方法除去污泥中的水分比较困难，含水量只能降到70％～80％，进一步降低只能采用物理化学方法进行。在含水量为80％时，污泥自身燃烧所产生的热量为（以1kg脱水干化污泥为基准）2531.54kJ/kg，而污泥自身脱水所需的热量为1904kJ/kg。由此可知，污泥燃烧后本身产生的热量足以使其体内的水分蒸发。可以说，污泥所需的只是一个稳定的热工环境来维持其自身脱水和燃烧的过程，因此，在污泥进入窑系统后不但不会增加热耗，反而会使系统的热耗有所降低。如以污泥灰的掺加量表示，每掺入相当于生料成分1％的污泥灰可以使系统热耗降低约80kJ/kg，此时一个2500t/d的水泥厂可以吸收一个40万t污水处理厂所产生的污泥。另一方面，由于水泥烧成系统在篦冷机出口和预热器C1筒出口产生大量的废气，这些温度在200℃以上的废气带走了系统的热量，如能在污泥进入窑系统前预先用此废气对污泥进行烘干，则可以进一步降低系统的热耗。基于这些研究，蔡顺华等先生指出，仅从热工平衡上来看，脱水干化污泥完全可以进入水泥窑系统，并能充分地利用窑系统所产生的废气的热量来降低水分并使系统的热耗有较大的降低。
3水泥回转窑协同处置污泥的工艺
成都院在对污泥性能研究的基础上，充分吸收其在湿磨干烧工艺实践中获得的成功经验，提出了废气烘干污泥为前提的综合处理工艺。该工艺能够充分利用水泥窑的烧成余热对污泥进行强制脱水，从而降低了污泥进入煅烧系统后对系统热工制度的影响，并最大限度地降低水泥烧成系统对一次能源（煤）的需要量。2007年金隅集团在北京市科委的支持下，承担了北京市科委重点研发项目__-“利用水泥回转窑处置城市污水厂污泥技术研究”，也提出自己的处置污泥工艺方案——新型回转式焚烧炉处置污水厂污泥方案。在此，就废气烘干工艺、流态化焚烧炉工艺和新型回转式焚烧炉工艺进行介绍。
3.1废气烘干工艺
水泥生产中会产生大量的高温废气，除了少数建有余热发电装置的工厂外，这些废气大都直接排放而不能加以利用。废气烘干工艺利用窑系统的废气（包括窑头篦冷机的冷却废气和预热器出口的烧成废气），使其通过烘干破碎机对污泥进行烘干，同时利用烘干破碎系统提高烘干后污泥的细度，粉状干污泥中的水分大大降低，为进一步的处理污泥提供了更多的可能方法。可以用喷嘴将其直接喷到分解炉、窑头、窑尾进行焚烧或是在单独的专用焚烧炉内进行焚烧。
如果污泥的成分在控制范围内，也可将干的污泥同生料共同入磨，在细度达到一定要求的情况下也可在磨后加入均化库，或是在生料入窑前在输送过程中加入。由于污泥的烘干能够最大限度地利用熟料煅烧所排的废气的热量，且为污泥下一步焚烧提供了多种可能性，因此成都院的专家认为在可以控制污泥在烘干过程中所挥发的有害成分的前提下，应尽可能地运用该工艺对湿污泥进行预处理，从而降低运行成本。
该工艺可将烘干设备或是烘干兼破碎设备安装在窑尾或窑头的收尘器和废气排风口间，可以利用系统收尘系统，也可单独设立独立的废气处理系统。烘干的污泥可直接输送至分解炉或是其它焚烧设备。
3.2流态化焚烧炉工艺
流态化焚烧炉工艺利用了前述的废气烘干流程，将烘干后的污泥喂入焚烧炉内预先燃烧。其特点是既可利用废气来进行污泥的烘干，又不对水泥熟料煅烧系统的热工制度产生较大的影响，并可根据所需处理的污泥量对生产进行灵活地调整。
具体的工艺流程为：湿污泥经皮带和叶轮喂料机喂入烘干破碎机，在烘干破碎机内烘干并破碎至粉状，后随废气进入旋风收尘器A，收集下来的污泥直接喂入流化床焚烧炉，在焚烧炉内煅烧并使来自C4预热器的热生料分解。分解后的生料和燃尽的污泥灰经旋风收尘器B收集后直接喂入窑尾。焚烧炉的流化风来自三次风管，经焚烧炉和旋风收尘器B后进入焚烧炉的高温风机，出高温风机的热风同来自篦冷机热的废气混合后进入烘干破碎机烘干污泥，出烘干破碎机的废气经旋风收尘器A后进入窑尾的废气处理系统。
流态化焚烧炉工艺通过前置的流态化污泥焚烧炉焚烧污泥，并为生料分解提供热量，同时还将焚烧炉的废气和熟料烧成的废气用于烘干污泥，可处理含水量达75％以上的污泥。同时对污泥的形状、粒径没有要求，因而简化了污泥进厂后的处理工艺。用流化床分解炉焚烧污泥粉，有适于操作、控制、焚烧炉制造简单等优点。污泥粉、生料粉以及煤粉的粒径接近，从而为流化床的操作提供了一个较宽范围，可充分适应来料量的波动和保证污泥粉在炉内的停留时间，从而达到彻底焚烧污泥、排除二次污染可能性的效果。
3.3新型回转式焚烧炉工艺
新型回转式焚烧炉工艺与流态化焚烧炉工艺相似。其具体特点如下：
（1）处理温度高。由于掺合料焚烧的要求，新型回转式焚烧炉内物料烧成温度必须保证在1400℃以上（炉内最高的气流温度可达1800℃或更高），在如此高温下废弃物中主要有机物的有害成分焚毁率可达99.99999％以上，即使很稳定的有机物也能被完全分解。
（2）焚烧空间大。新型回转式焚烧炉是一个旋转的筒体，一般直径在3.0m～5.0m，长度在45m～100m，以每小时100转～240转的速度旋转，焚烧空间很大。因此它不仅可以接受处理大量的废料，而且可以维持均匀的、稳定的焚烧气氛。
（3）焚烧停留时间长。由于新型回转式焚烧炉筒体较长、斜度小、旋转速度低，物料在炉中高温下停留时间长，物料从炉尾到炉头总停留大于30分钟；气体在高于1300℃的停留时间大于4秒钟，焚烧停留时间长是一般专用焚烧炉所无法比拟的。
（4）处理规模大。正是由于新型回转式焚烧炉具有处理温度高、焚烧空间大、热容量大及焚烧停留时间长等特点，加之新型回转式焚烧炉运转率高（一般年运转率大于90％），决定了新型回转式焚烧炉的废物处理规模较大。并且，随着我国工业技术水平的提高，新型回转式焚烧炉的日产能力逐步提高，其热稳定性和抗波动能力不断加强，从而处理污泥的规模和采用可替代原燃料的数量也有较大的空间。
（5）新型回转式焚烧炉内呈碱性气氛。这就能对燃烧后产生的酸性物质（如HCl、SO2等）起中和作用，使它们变成盐类固定下来，可避免普通焚烧炉燃烧废气产生的“二次污染”问题。
（6）新型回转式焚烧炉焚烧有毒有害废料，可使有害污泥中可能存在的金属元素（包括重金属）固化在掺合料矿物中且固化稳固，因此新型回转式焚烧炉起到了尾气净化和重金属高温固化的双重作用。
（7）新型回转式焚烧炉系统是负压状态运转，烟气和粉尘不会外溢，从根本上防止了处理过程中的再污染。
（8）新型回转式焚烧炉处置污水厂污泥完全可以利用水泥生产的废气处理系统，粉尘排放浓度很低，污染物排放量少。特别是由于焚烧过程有吸硫作用，所以整个系统不需采取特殊措施，二氧化硫的实际排放浓度也很低。美国国家环境保护署测量结果表明，当新型回转式焚烧炉使用有害物作为代替原燃料时，空气中的有害物排放量不会增加，不造成新的污染，对空气质量无影响，有时甚至有改善和降低污染物综合排放量的作用。
3.4方案评述
蔡顺华等认为，从热工制度上讲，以上方案均要优于目前我国已经在部分厂小规模实践的直接焚烧工艺，由于利用了窑系统的废热气对污泥进行烘干，因而不论是直接加入窑系统还是加入焚烧炉都会降低污泥在系统内的脱水所需的热量，从而大大地减轻污泥脱水对窑系统或是焚烧炉的热工制度的影响，有利于在系统内获得更为稳定的热工制度。同时，由于余热的利用会使整个系统的热耗进一步降低，减少系统对一次能源（煤）的需求。
废气烘干工艺流程简单，需增加的设备少，同时可基本不改变原来的烧成流程。由于此工艺只是对污泥水分的一个预烘干，而污泥的进一步使用则较为灵活，如烘干后的污泥水分较低，也可考虑利用窑头的燃烧器喷入窑内煅烧。然而此方案对污泥的处理量受到系统规模的限制，处理量较小。
流态化焚烧炉工艺和新型回转式焚烧炉工艺是废气烘干工艺的一个发展，流程虽较复杂，但其对污泥的处理量则更为灵活，且基本不会对窑系统的热工制度产生影响，生产控制较为方便。
4水泥工业处理污泥的优点及前景
利用水泥窑处置工业废弃物、生活垃圾、有毒有害固定废弃物有其独特的优势。因新型干法水泥窑容积大、高温、热稳定性好，作为废弃物处理，既不增加土地占用、投资较小，又可替代部分燃料，是目前无害化程度最高、节能减排效果最显著、资源综合利用最佳、经济性最优的固体废弃物处理方式。广州市越堡水泥有限公司利用水泥回转窑协同处置污泥项目设计日处置污泥能力达600t，年可处置污泥18.6万t，为目前国内最大的水泥窑协同处置污泥项目。污泥中含有大量的有机污染物、病原菌、重金属等有害成分，目前采用的农用、填埋及焚烧处理方式不但占用宝贵的土地资源，对污泥中的有毒有害成分也难以实现稳定化和无害化处理，存在二次污染和地质灾害隐患。而水泥窑可规模化、无害化、资源化处置城市污泥。具体地讲，水泥工业处理污泥具有以下优点：
（1）可以利用水泥熟料生产中的余热烘干污泥的水分，从而可以提高水泥厂的能量利用率；
（2）污泥可以作为辅助燃料应用于水泥熟料煅烧，从而降低水泥厂对煤等一次能源的需求；
（3）同传统的污泥处理方式相比，对环境污染最小，几乎可以做到“零污染”；
（4）可以部分代替粘土质原料，从而降低水泥生产对耕地的破坏；
（5）投资及运行成本均低于单独建立焚烧炉。
由此可见，水泥工业处理污泥较传统的处理方式更加合理，它同目前世界各国所倡导的绿色工业的大背景相一致，是一个很有前景的发展方向。
在我国，利用水泥熟料煅烧系统处理废弃物的研究也早有人提出，但一直得不到推广，关键在于我国没有一个成熟的垃圾分类体系和回收系统。而污泥由于其成分、形态相对稳定，来源比较稳定，因而可以作为我国开展绿色水泥生产、处理废弃物的一个有效的切入点。为此，广州市越堡水泥有限公司实现了它迁建时的承诺，在我国带头实施水泥窑规模化、无害化、资源化处置城市污泥。金隅集团利用水泥回转窑处置城市污水厂污泥项目也即将投入使用。这些都会提高水泥行业和环保行业利用水泥窑处理废弃物的热情，必将推动我国环保产业的进一步发展，其具有重要的社会效益和生态环境效益。
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