城市污泥在钢铁冶金中的“资源化”利用可行性分析

中国环境学会  2011年 03月31日

  廖洪强 岳昌盛 余广炜 赵鹏 许晓杰  付建华 首钢总公司环保产业事业部  010-88292027

  北京石景山区首钢厂东门  100041

   

  摘要:城市污泥含有大量有害成分,污染环境,城市污泥的有效利用方式是同时实现其减量化和资源化利用。进入21世纪,钢铁冶金行业在产能扩张的同时,在节能环保领域也取得了很大进步,其固、气废弃物处理方式逐步成熟。本文分析了城市污泥在钢铁工业中利用的前景,讨论了城市污泥在炼焦和烧结领域中同时进行无害化处理和资源化利用的可行性。

  关键词:城市污泥;资源化利用;钢铁工业;可行性

   

  Probe into the feasibility of comprehensive utilization of Sewage sludge in iron and steel industry

  Liao Hongqiang, Yue Changsheng, Yu Guangwei, Zhaopeng, Xu Xiaojie, Fu Jianhua

  Shougang Environment protectiono Department, Beijing 100041

  Abstract: Sewage sludge may contain pathogenic organisms and pollutants, which may negatively affect environment, and the comprehensive utilization and waste minimization of Sludge treatment is one kind of necessary processing mode. In the 21 centurythe iron and steel industry has made great progress in increase of production, energy-saving and environmental protection, and solid and gas waste disposal are improving step by step. In this paper, the feasibility of innocent treatment and comprehensive utilization of Sewage sludge in iron and steel industry such as coal carbonization coking field and sintering field are detailed discussed.

  Key Words: Sewage sludge; Comprehensive utilization; Iron and steel industry; Feasibility

   

  0 前言

 

  城市污泥是城市污水处理过程中的产物,一部分由污水直接分离产生,另一部分在污水处理过程中产生。“十一五”期间,我国将“节能减排COD”纳入约束性指标,城市污水处理发展迅速,城市污泥产生总量快速增加。按照 十一五规划,2010年所有城市都要建设污水处理设施,污水处理率不低于70℅,预计全国污水处理能力一天超过一亿吨,每年城市污泥的产生量将达到3000多万吨。

  大量城市污泥需经及时处理,减少污泥堆放量,避免环境污染。近年来,国家对城市的污泥问题愈来愈重视,20092月,住房和城乡建设部、环境保护部、科学技术部三部门联合发布了《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染物防治技术政策(试行)》(建城[200923号),规定:“污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化;鼓励回收和利用污泥中的能源和资源。坚持在安全、环保和经济的前提下实现污泥的处理处置和综合利用,达到节能减排和发展循环经济的目的。”

  钢铁冶金行业是国家重工业的基础,进入21世纪,中国钢铁在产能快速扩张的同时也取得了节能环保领域的巨大进步[1,2],其固、气废弃物处理方式日臻成熟,如烧结和焦化车间配备的除尘和脱硫设备。因此采用合适方式将城市污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化利用在钢铁冶金流程中进行,将在解决污泥难题的同时充分体现现代化钢铁企业的绿色冶金和环保功能。

 

  1城市污泥的特点和危害

 

  1.1 城市污泥的特点

  城市污泥的特点是:

  (1) 含水率高。不同处理阶段污泥具有不同的含水率,其中重力浓缩污泥含水率约98℅,机械脱水污泥含水率约80℅,污泥中的自由水可以被机械力去除,非自由水很难通过机械方式进一步去除。高含水污泥在运送和填埋过程中较为困难,并且增大了垃圾填埋厂对垃圾渗滤液的处理负荷,一般要求运输中含水率不大于40℅

  (2) 有机质含量高。大量有机物的存在使污泥具有较高的发热量。

  (3) 臭气污染物多,易产生恶臭气体。污泥散发大量臭气和其他有害污染物,主要是有机物分解的副产物,如脂肪酸、胺、、硫化物和硫醇等。

 

  1.2 城市污泥的危害

  城市产生的大量城市污泥需要经过及时处理处置[3-5],这是由于:

  (1) 城市污泥中含有大量的有机质、病菌、寄生虫等有害物质,伴有恶臭,处理不当将污染环境和水源。以北京市为例,人均占有水量为世界1/30,属重度缺水地区,目前北京市污泥年产量接近100万吨,若不能有效处理,不仅污染环境,还将降低水质量,进一步加剧城市缺水问题。

  (2) 城市污水处理率和污泥产生量显著提高,为避免影响污水处理装置正常运行,污泥需经及时处理排放。

  (3) 污泥大量外排堆放,在占用大量城市郊区土地的同时也频繁引发环境纠纷,甚至刑事案件。20099月,曾任污水处理厂技术员的何涛等5人,被控将污泥倾倒进门头沟区永定镇上岸村的大沙坑,造成当地空气被严重污染,地下水保护受到严重威胁,经评估污染损失达上亿元。何涛等5人因涉嫌重大污染事故罪在门头沟法院受审。

 

  2 城市污泥“资源化”利用技术

 

  2.1 城市污泥的利用方式

  传统处理污泥的方法为填埋法、堆肥法和焚烧法。填埋法占用土地,堆肥法利用存在风险,焚烧法成本高,且易产生尾气[6,7]。近年来,对城市污泥的处理、处置和资源化利用的探索研究较多,形成了许多独特的技术[5-9]

 

  2.2 城市污泥“资源化”利用的技术关键

  根据污泥特征,实现污泥“减量化、稳定化、无害化”和“资源化”利用的技术关键是:

  (1) 显著降低污泥水含量,利于运输。可采用物理方法(如与干粉料进行混合,降低含水率)和化学方法(如添加可与水反应的物质消耗水,如加入生石灰,CaO+H2OCa(OH)2)。

  (2) 降低污染程度,加入可以有效杀菌,或吸附污泥恶臭气体的物质,生石灰可有效杀死致病微生物;

  (3) 有效利用污泥中的有机质,污泥中的热值范围可达10-20MJ/kg

  (4) 高温方式处理可将污泥中有害物质彻底消除,但需避免处理过程排放烟尘、烟气污染物。根据污泥物相组成,可将其作为原、燃料引入火电行业、水泥行业和钢铁行业等现有高温工业领域,在保证环保排放的前提下,实现污泥的“减量化、稳定化、无害化”和“资源化”利用。

 

  3 污泥制型煤和污泥石灰碱化处理

 

  3.1 污泥制型煤技术

  型煤是以粉煤为主要原料,经机械加工压制成型的具有一定强度和尺寸的成品。污泥含有大量有机物,同时具有一定的热值和黏结性,以其为黏合剂将煤粉加工成型煤,低温时黏合剂污泥可以提供型煤的冷强度,满足运输、贮存的需要,高温燃烧时污泥热值得到充分利用[10-12]。但型煤堆积、燃烧过程中有残余臭气排放,影响环境,很难满足客户的心理要求,制约了污泥型煤的推广利用。

 

  3.2 污泥石灰碱化处理技术

  在多种降低污泥含水率的方式中,石灰碱化处理技术具有高效、经济、运行费用低的优势,可避免渗滤液泄漏,显著降低含水率等优点,被广泛使用。其工作原理是:将生石灰加入污泥后,一方面与水反应生成消石灰消耗水,另一方面反应放热促使水分蒸发,使污泥含水量降低。另外,生石灰的加入还能有效杀死污泥中的致病微生物,降低对环境的二次污染。

  石灰碱化处理已成为污泥处理的一种重要方式,目前,北京市80%的城市污泥采用石灰碱化处理,石灰碱化污泥产量巨大。

 

  4 城市污泥在钢铁冶金行业中的“资源化”利用分析

 

  根据以上分析,可以认为,在钢铁企业中合理“资源化”利用城市污泥应基于以下几个方面:

  (1) 在现有高温设备(处理温度应在850以上)中进行污泥的处理,并有效利用污泥的主要组成,如有机质燃料、石灰成分等,降低污泥的高温焚烧处理成本;

  (2) 利用设备必须有良好的烟气除尘装置,避免污泥焚烧过程中对环境的污染。

  基于以上分析,我们认为,钢铁冶金行业中的焦化车间和烧结车间同时具备污泥无害处理和“资源化”利用二种功能,并且焦炭和烧结矿产量巨大,将污泥配入其中进行利用将前景广阔。

 

  4.1脱水污泥制型煤炼焦

  型煤炼焦技术是将炼焦原料煤中的一部分进行压块成型,再按一定比例和粉煤配合为装炉煤去炼焦。采用此工艺能提高装炉煤的堆密度,从而改善煤料的炼焦条件,增大煤料塑性温度区间,促进煤粒间的粘结,最终提高焦炭质量。钢铁行业是焦炭消费的主要客户,采用成型煤工艺能有力地保证焦炭的强度。

  基于污泥制型煤直接利用的缺陷,污泥制型煤炼焦技术具有更好的利用前景。其工艺流程是:通过脱水污泥与煤粉在合适比例下制备型煤,再将型煤与粉煤按合适比例配合,进入焦化生产制取焦炭。

  采用污泥型煤炼焦技术利用污泥的优势如下:

  (1) 焦炉处理温度高(950-1050),可有效处理污泥有害成分;

  (2) 焦化过程可有效利用污泥中的有机质热值;

  (3) 污泥制型煤成型率高,无需另外添加黏结剂;

  (4) 焦炉附属有脱硫装置,可有效避免硫排放带来的环境污染;

  (5) 脱水污泥灰分低,对焦炭质量影响较小。

 

  4.2 石灰碱化污泥用于烧结

  烧结是将各种粉状含铁原料,配入燃料和熔剂,加入适量水,经混合、造球后在烧结设备上烧结的过程。我国烧结原料中细精矿比例高,其直接配入烧结时料层透气性差,产量偏低,能耗偏高,烧结矿质量差。钢铁企业在生产过程中产生了大量含铁粉尘,如瓦斯灰、干法除尘灰、转炉OG泥、轧钢铁鳞等。目前,我国的钢铁产量已经超过5亿吨,产生的冶金尘泥总量已达5000万吨以上,一方面尘泥含有有价元素如FeC等,另一方面铁矿石进口价格高企,因此尘泥的回收再利用受到了国家和行业的广泛重视[15]。但冶金尘泥直接配入烧结混合料时,存在以下缺点:尘泥粒度细,在运输、混合和烧结过程中容易产生二次污染;在烧结过程中,较细且含水量较高的尘泥将恶化烧结层透气性,影响烧结生产技术指标,使得烧结矿质量下降,导致产量降低。

  可以看出,细粉料直接利用不利于烧结生产,采用合适的方法进行混料、造粒将有助于改善细粉料的利用。石灰碱化污泥具有一定的黏性,其含有的石灰组成可作为烧结原料的熔剂,有机质可替代烧结中的部分燃料,加之污泥可以提供造粒过程需要的部分水分,因此可充分利用其组成,将其引入烧结工艺中“资源化”利用。研究认为,改善精粉配入时烧结料层透气性差的较好方式是采用小球烧结法[13-14],小球烧结法即精料烧结法,可有效解决高品位精矿制粒难的问题,制得的小球粒度均匀、强度好、燃耗低,从而使得烧结料层气流阻力减少,故可显著改善烧结料层透气性。因此,可采用三种方式配入污泥,其配入流程图如图3所示。

  石灰碱化污泥在烧结中利用的优势在于:

  (1) 烧结过程中温度超过1200,可有效处理污泥有害成分;

  (2) 烧结过程中有机质燃烧放热,可降低烧结过程配碳量;

  (3) 污泥具有黏结性,有利于细粉造粒,含水率高,可以不配水或少配水;

  (4) 制备成分均匀、颗粒适度的颗粒料,可以解决细粉直接配入烧结时易产生透气性差、烧结矿指标降低的不足之处,降低烧结除尘的负荷,有利于环境保护;

  (5) 石灰碱化污泥中含有的石灰组成还可作为烧结原料,减少烧结原料中的石灰加入量,相当于减少CO2气体的排放量;

  (6) 烧结车间附属有除尘和脱硫设备,可有效避免粉尘和硫分带来的环境污染。

 

  5  结论

 

  城市污泥水分、有害组分含量高,同时散发恶臭气体、污染环境,因此需要及时进行处理。污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化和无害化,并且鼓励回收和利用污泥中的能源和资源。

  进入21世纪,钢铁冶金行业在产能扩张的同时,在节能环保领域也取得了很大进步,其固、气废弃物处理方式日臻成熟。根据城市污泥的相组成,污泥中含有的有机质可以作为燃料在高温中利用,处理过程中添加的石灰可以作为钢铁生产原料。基于污泥的相组成,采用机械脱水后的污泥可以用于污泥制型煤炼焦领域,采用石灰处理后的石灰碱化污泥可以用于烧结原料领域。

  同传统城市污泥处理方式相比,在钢铁冶金流程中处理、利用城市污泥具有良好的发展前景,可以将污泥进行高温无害化处理,有效利用污泥中的有用组分,不仅降低污泥处理成本,甚至有可能变废为宝,创造新的经济效益,充分体现现代化钢铁企业的绿色冶金和环保功能。

   

  参考文献:

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  [4] 尹军,谭学军,廖国盘等.我国城市污水污泥的特性与处置现状,中国给谁排水,200319(13)21-24

  [5] 房井新,汪文生,张仁鹏.浅谈城市污水厂污泥的处置,中国资源综合利用,200927(3)28-29

  [6] 刘常青,黄游,张江山等.污泥土地利用的风险评价探讨,环境科学与管理,200631(4)188-191

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  [14] 单继国,郑信,刘淑桂.小球烧结的研究与应用,钢铁,199631(10)1-5

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