危废替代燃料对水泥熟料性能、重金属含量及节煤减碳影响的应用研究.pdf

2023.No.8-49-0引言近年来，我国经济社会快速发展，危险废物产量也在不断增加1-3，如何进行资源化、无害化、协同化处理是广大研究者关注的重点4-6。危险废物中的有毒有害物质不仅会对人体健康造成直接危害，同时也会在自然环境中发生迁移转化，进而对土壤、水体和大气等生态环境造成污染7。目前，处置危废的方式主要有两种，一是传统的焚烧处置工艺；二是水泥窑协同处置工艺。水泥窑协同处置危废过程中，危废替代燃料不仅可以降低对石灰石、砂岩、页岩等自然资源及煤炭等化石能源的开采，还减少了对资源和环境的破坏，可以同时满足节能和减排生产要求。与传统废物焚烧进行比较，水泥窑协同处置危废时，只需在原有生产线的基础上增设预处理设施，不需要新建尾气、废渣的净化装置和处理装置，避免了传统危废处置方式对环境的二次污染8-9。同时危废焚烧产生的热能被回收，残渣和飞灰作为原料成分配入熟料中，实现资源化和污泥减量化。初步研究显示，将含有合理热值的液体和固体形态的各类危废经过SMP危废预处理系统进行破碎、混合，确保热值基本稳定后泵送到水泥窑系统的分解炉内进行燃烧，不但可以实现各类危废的无害化、减量化、资源化处理，还能够为分解炉提供热源，降低分解炉燃煤的用量，达到降低煤粉用量，减少CO2排放量的目的10。但水泥窑在协同处置危废过程中，如果危废的热值配伍、含水量、投加量等参数控制不合理，会危废替代燃料对水泥熟料性能、重金属含量及节煤减碳影响的应用研究刘文欢1，刘宇1，王涛2，胡鹏刚3，王军龙3，李辉1（1.西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西西安710055；2.铜川德威环保科技有限公司，陕西铜川727000；3.铜川声威建材有限责任公司，陕西铜川727000）摘要：本文系统研究了危废替代燃料对水泥熟料的力学性能、凝结时间、矿物组成、重金属含量及节煤减碳的影响规律。结果表明：危废替代燃料对熟料的力学性能产生一定的影响。随着危废投料量的增加，熟料的KH值依次增大，熟料中SiO2被CaO饱和成C3S的程度增加；熟料中C3S、C2S、C3A、C4AF四种主要矿物含量受危废替代燃料的影响较小。重金属的含量随危废投料量的增加而增大，但均能满足GB 307602014的要求。危废替代燃料热值在7 5008 600 kJ/kg范围时，最佳投料量范围在1.62.7 m3/h，此时最大节煤量达到1.59 kg/t.cl，CO2最大减排量为4.39 kg/t.cl。关键词：危废替代燃料；熟料力学性能；重金属含量；CO2减排Abstract:The effects of the alternative fuels on the mechanical properties,setting time,mineral phase composition,heavy metal content,coal saving and carbon reduction of cement clinker were systematically investigated in this paper.The results showed that hazardous waste substitute fuel are used as raw materials to distribute into clinker,which has a certain influence on the mechanical properties of clinker.With the increase of hazardous waste alternative fuels feed,the KH value of the clinker increases in turn,and the saturation extent of SiO2 in the clinker by CaO into C3S increases,and the content of the four main minerals in the clinker is less affected by the hazardous waste alternative fuels.The content of heavy metals increased with the increase of hazardous waste feed amount,but all met the requirements of GB 307602014.When the calorific value of hazardous waste alternative fuel is in the range of 7 5008 600 kJ/kg,the optimal feeding volume ranges from 1.6 to 2.7 m3/h,at which time the maximum coal saving reaches 1.59 kg/t.cl and the maximum CO2 reduction is 4.39 kg/t.cl.Key words:hazardous waste alternative fuel;clinker mechanical properties;heavy metal content;CO2 reductionFirst authors address:School of Materials Science and Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,Shaanxi,China中图分类号：TQ172.44文献标志码：A文章编号：1002-9877（2023）08-0049-05DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.08.017基金项目：国家重点研发计划（2021YFB3802003；2021YFB3802000）-50-2023.No.8导致熟料质量波动大、强度降低、熟料重金属控制难度加大等问题。鉴于以上所述，本文系统研究了危废替代燃料对水泥熟料的力学性能、凝结时间、矿物相组成、重金属含量及节煤减碳的影响规律。1原材料分析试验过程所用到的石灰石、黏土为铜川声威建材有限责任公司自备矿山开采，硅质原料及铁质原料外购，原材料化学成分如图1所示。硅质原料铁质原料黏土Others石灰石-ClNa O2K O2SO3MgOCaOFe O23Al O23SiO2Others SiO2Al O23CaOCaOSiO2SiO2Al O23Fe O23Fe O23CaO1008090706050403020100图1原材料的化学组成试验中，危废替代燃料为含热值油泥、含热值废液、电子危废、医疗危废等配伍后的混合物，设置了5组危废替代燃料的投料量，基本特性如表1所示。由表1得出，不同投加量的危废料替代燃料的热值基本保持在7 5008 600 kJ/kg范围之间，危废料浆的含水率和烧失量比较大，基本属于中性浆体。危废料浆的F、Cl、S的含量在限值以内。表1危废替代燃料基本性质样品F/%Cl/%S/%干基热值/（kJ/kg）含水率/%烧失量/%pHA-10.154 50.794 90.2058 59058.3558.157.1A-20.650 70.403 70.4858 28957.0046.057.1A-30.254 20.676 40.497 70852.6056.907.25A-40.130 70.706 80.2757 64551.0061.407.25A-50.0860.631 850.27 90850.3565.807.12试验方案本次工业化试验在铜川声威建材有限责任公司6 500 t/d熟料生产线上开展，该生产线分解炉为7.8 m35 m在线式分解炉，回转窑规格为5.2 m74 m，采用第三代尾置辊破篦冷机，规格为4.8 m37.2 m，篦床有效面积170.9 m2。根据危废替代燃料的物料特性，结合生产线的实际生产情况，采用SMP系统对危废替代燃料进行预处理，达到可泵送状态后直接泵送进入分解炉。由小到大确定了6个不同投加量，分别为A0-0 m3/h、A1-1.2 m3/h、A2-1.6 m3/h、A3-2.0 m3/h、A4-2.4 m3/h、A5-2.7 m3/h。每个投加量投加14 h，每小时记录一次生产线运行数据。每个空白样采用正常生产数据，每个阶段过渡样不纳入数据统计。泵送的危废替代燃料的重金属含量采用多次取样，混合均匀后检测，重金属测量值见表2。表2危废替代燃料的重金属含量 mg/kg样品A1A2A3A4A5铜（Cu）8 728.2268 728.22612 632.9837 480.44911 683.36铬（Cr）821.043821.043209.37878.619116.325锰（Mn）144.628144.628157.235910.150100.552镍（Ni）156.071156.071181.487135.191129.338钴（Co）6.0396.03912.1266.2406.703镉（Cd）2.366铅（Pb）1 029.5611 029.561518.593865.931锌（Zn）729.816729.816761.520431.780300.079钼（Mo）20.97920.97923.04022.04715.7733试验结果及分析3.1对熟料强度的影响危废替代燃料燃烧后对熟料力学性能的影响如图2所示。1 d3 d7 d28 d109876543210熟料抗折强度/MPaA0A1A2A3A4A5（a）1 d3 d7 d28 d6050403020100熟料抗压强度/MPaA0A1A2A3A4A5（b）图2危废替代燃料对熟料力学性能的影响由图2可见，随着危废替代燃料投加量的增大，熟料抗折、抗压强度出现小幅波动，总体降低趋势，根据熟料28 d抗折、抗压强度的规律，危废替代燃料合理的投加量为1.62.7 m3/h。3.2对熟料化学成分和矿物组成的影响不同危废替代燃料投加量下熟料的化学成分和2023.No.8-51-刘文欢，等：危废替代燃料对水泥熟料性能、重金属含量及节煤减碳影响的应用研究率值如表3所示，各方案下CaO/SiO2质量比均大于2，MgO、SO3等关键指标均低于标准限值，熟料化学成分满足标准要求。随着危废替代燃料投加量的增加，A1A5阶段所烧成的熟料中SiO2含量依次减小，CaO/SiO2质量比依次增大。从表3还可以看出，随着危废替代燃料投加量的增加，熟料的KH值先增大后减小再增大，熟料中SiO2被CaO饱和成C3S的程度也是如此；熟料的硅率大致减小，表示熟料中硅酸盐类矿物含量减少，熔剂性矿物含量增加。总体来看，各组熟料的化学成分及率值相差不大。表3不同危废替代燃料投加量下熟料的化学成分和率值序号化学成分/%率值CaOSiO2Fe2O3Al2O3MgOK2OSO3Na2OP2O5KHnPA064.2421.973.355.101.920.610.550.370.088 0.8822.601.52A164.7521.863.414.822.160.50.450.330.094 0.9032.661.41A264.5421.763.444.882.270.440.420.310.094 0.9032.621.42A364.3321.763.395.102.090.520.420.340.097 0.8942.561.50A464.4821.713.385.121.800.570.480.360.088 0.8972.551.52A565.1321.653.444.931.870.560.580.330.086 0.9142.581.43危废替代燃料对熟料矿物组成的影响如图3所示。其他C4AFC3AC2SC3S100806040200熟料矿物组成含量/%A0A1A2A3A4A56.29%10.11%7.49%22.37%53.73%6.48%10.36%7.09%20.23%55.84%6.14%10.12%7.70%22.04%54.00%6.30%10.22%7.75%23.95%51.77%6.22%10.27%7.86%21.66%53.98%7.16%10.35%7.28%22.18%53.03%图3危废燃料对熟料矿物组成的影响从图3可以看出，随危废替代燃料投加量的增大，熟料中C3S的含量先增大后减小再增大，波动比较小，在51%56%之间变化。当投料量为1.2 m3/h时，对应熟料中C3S的含量最大，为55.84%；当投料量为2.0 m3/h时，对应熟料中C3S的含量最小，为51.77%。C2S含量随危废替代燃料投加量的增大呈现出先减小后增大再减小的规律，在20%24%之间波动。当投料量为1.2 m3/h时，对应熟料中C2S的含量最小，为20.23%；当投料量为2.0 m3/h时，对应熟料中C2S的含量最大，为23.95%。C3A含量随危废替代燃料投加量的增大呈现出先减小后增大的规律，在7.0%7.9%之间波动。当投料量为1.2 m3/h时，对应熟料中C3A的含量最小，为7.09%；当投料量为2.4 m3/h时，对应熟料中C3A的含量最大，为7.86%。C4AF含量随危废替代燃料投加量的增大呈现出先增大后减小再增大的规律，在10.1%10.4%之间波动。当投料量为1.2 m3/h时，对应熟料中C4AF的含量最大，为10.36%；当投料量为0 m3/h时，对应熟料中C4AF的含量最小，为10.11%。由试验结果看出，危废替代燃料在分解炉内燃烧后，其剩余的未燃尽灰分进入熟料后，和未掺加危废替代燃料相比，对熟料中四种主要矿物相含量的影响较小。3.3对熟料凝结时间和标准稠度用水量的影响危废替代燃料燃烧后对熟料凝结时间的影响如图4（a）所示。由图4（a）得出，当危废替代燃料投加量由0 m3/h增加到2.7 m3/h时，熟料的初凝时间先减小后增大再减小，在128155 min间波动，符合国标GB/T 213722008规定的初凝时间不小于45 min的要求。终凝时间的变化规律和初凝时间基本类似，在176202 min间波动，符合国标规定的终凝时间不大于390 min的要求。随着危废替代燃料投加量的增大，初凝和终凝之间的时间窗口基本保持稳定（45 min、48 min、47 min），没有较大的变化。危废替代燃料燃烧后对熟料标准稠度用水量的影响如图4（b）所示。由图4（b）看出，随着危废替代燃料投料量的增加，熟料标准稠度用水量基本无变化。3.4对熟料游离氧化钙和氯离子含量的影响危废替代燃料对熟料游离氧化钙和氯离子含量的影响如图5所示。由图5得出，熟料中氯离子的含量随危废替代燃料投加量的增大，呈现出先增大后减小，最后比未掺加危废替代燃料的工况略有增加的规律（从0.026%增大到0.035%，再减小到0.031%）。说明分解炉内燃烧危废替代燃料，虽然危废替代燃料里的氯离子浓度较高，但由于掺量所占的比例不大，从检测结果看不会对熟料中的氯离子含量产生较大波动，且符合熟料对氯离子含量的企业内控要求。熟料中游离氧化钙的含量随危废替代燃料投-52-2023.No.8加量的增大，呈现出先增大后减小再小幅上升（从0.69%减小至0.50%再增大至0.68%），但变化范围波动不大，全部都小于0.7%，符合国标规定的小于1.5%的技术要求。450400350300250200150100500凝结时间/min时间窗口474845474747179183202181176186132136155136128139终凝初凝A0A1A2A3A4A5（a）A0A1A2A3A4A52824201612840标准稠度用水量/%（b）图4危废替代燃料对熟料凝结时间和标准稠度用水量的影响0.80.70.60.50.40.30.20.10.00.070.060.050.040.030.020.010.00游离氧化钙（f-CaO）Cl-A0A1A2A3A4A5熟料中游离氧化钙的含量/%熟料中Cl-含量/%图5危废替代燃料对熟料游离氧化钙和氯离子含量的影响3.5对熟料重金属含量的影响不同危废替代燃料投料量所对应的熟料其重金属含量如表4所示。由表4得出，熟料中各种重金属的含量随着危废替代燃料投料量的增加基本呈现出不断增大的规律，但各类重金属的含量均能满足 水泥窑协同处置固体废物技术规范（GB 307602014）的要求。重金属铜（Cu）的最大含量为61.25 mg/kg，对应危废替代燃料投料量为2.7 m3/h；重金属铬（Cr）的最大含量为31.99 mg/kg，对应投料量为2.7 m3/h；重金属锰（Mn）的最大含量为194.59 mg/kg，对应投料量为2.0 m3/h；重金属镍（Ni）、镉（Cd）、砷（As）在熟料中未检测出；重金属铅（Pb）的最大含量为26.29 mg/kg，对应投料量为2.7 m3/h；重金属锌（Zn）的最大含量为392.31 mg/kg，对应投料量为2.4 m3/h。表4熟料中重金属的含量 mg/kg重金属A0A1A2A3A4A5GB 307602014限值 Cu32.1448.3746.2147.2952.7461.25100Cr7.2110.3611.8919.1924.8331.99150Mn134.42 152.34109.79 194.59NDND600NiNDNDNDNDNDND100CdNDNDNDNDNDND1.5PbNDNDNDND25.2226.29 100Zn310.10 321.40327.68 343.74 392.31 352.91500AsNDNDNDNDNDND403.6对熟料标准煤耗和CO2排放量的影响危废替代燃料燃烧后对熟料标准煤耗和CO2排放量的影响如图6所示。由图6得出，当危废替代燃料的投加量从0增加到2.7 m3/h时，经过计算，危废替代燃料收到基热值随投料量的增大而不断增大，吨熟料标准煤耗呈现出先增加后减小的规律。当危废替代燃料投加量大于1.6 m3/h时，熟料的标准煤耗逐步减小。危废替代燃料投料量为2.4 m3/h的吨熟料标准煤耗比不掺加时降低1.10 kg/t.cl，此时单纯通过节煤实现的CO2的减排量为3.03 kg/t.cl（标准煤CO2排放因子，根据国家统一规定确定为2.75 kg/kg.ce）；危废替代燃料投料量为2.7 m3/h的吨熟料标准煤耗比不掺加时降低1.59 kg/t.cl，通过节煤实现的CO2的减排量为4.39 kg/t.cl。危废替代燃料含水量较大，当投加量较小时，因危废燃料燃烧产生的热量小于因废弃物燃烧产生的烟气（水蒸气+其他烟气）升温所吸收的热量时，会导致系统的标准煤耗略有上升。当投加量1.6 m3/h，危废替代燃料燃烧产生的热量大于废弃物燃烧产生的烟气升温所吸收的热量时，熟料的标准煤耗开始下降，从节煤降耗角度考虑，本试验的危废替代燃料的最佳投料量范围在1.62.7 m3/h。本试验中，危废替代燃料的热值偏低，为了进一步提升危废替代燃料的投加量，可考虑把危废替代燃料2023.No.8-53-刘文欢，等：危废替代燃料对水泥熟料性能、重金属含量及节煤减碳影响的应用研究在料坑里进行预配置时，适当提升危废燃料的热值，这样既可以进一步降低熟料的标准煤耗，也可以进一步减少CO2的排放量。98.598.097.597.096.596.097.8698.1497.9897.0196.7796.28熟料标准煤耗/（kg/t.cl）A0A1A2A3A4A5图6危废替代燃料对熟料标准煤耗的影响4结论（1）危废替代燃料对熟料的力学性能产生一定的影响。28 d抗折强度最大为8.8 MPa，对应投加量为2.4 m3/h，28 d抗压强度最大为55.8 MPa，对应投加量为1.6 m3/h。（2）随着危废替代燃料投加量的增加，熟料的KH值先增大后减小再增大，硅率大致减小，硅酸盐类矿物含量减少，熔剂性矿物含量增加。（3）熟料里各种重金属的含量随着危废替代燃料投料量的增加而增加，但均能满足 水泥窑协同处置固体废物技术规范（GB 307602014）的要求。（4）危 废 替 代 燃 料 的 热 值 基 本 在7 5008 600 kJ/kg范围之间时，其最佳投料量范围在1.62.7 m3/h，此时在保证熟料质量无明显下降的前提下，最大节煤量达到1.59 kg/t.cl，CO2最大减排量为4.39 kg/t.cl。参考文献：1葛亚男.水泥窑协同处置危险废物的生命周期评价研究D.太原：太原理工大学，2021.2国家统计局，生态环境部.中国环境统计年鉴M.北京：中国统计出版社，2019.3潘淑萍，俞洁，潘荷芳，等.基于生命周期的水泥窑协同处置生活垃圾技术环境影响评价J.安全与环境工程，2019，121（1）：74-80.4马建英，刘锋.水泥窑协同处置危险废物浅析J.水泥工程，2018（1）：71-73.5王昕，刘晨，颜碧兰，等.国内外水泥窑协同处置城市固体废弃物现状与应用J.硅酸盐通报，2014，33（8）：1989-1995.6马红娜，孙愿，武征.水泥窑协同处置生活垃圾项目环境风险评价J.环境工程，2014（S1）：871-875.7薛浩栋，危险废弃物重金属迁移和控制机理研究D.杭州：浙江大学，2006.8张彦.水泥窑协同处置危废对熟料抗压强度的影响J.水泥工程，2021（4）：38-39+57.9万亚锋，张勤友，邵东，等.分级燃烧改造对水泥窑协同处置危废的影响J.水泥，2021（2）：33-35.10毛斌，陆彦霖，叶明蔚.利用水泥窑协同处置危废对熟料煅烧的影响J.水泥，2021（8）：27-29.（编辑王新频）图8第2喷吹周期（数据导出）由图7和图8可以看出近一段时间5#气室所有运行数据记录，也可以快速地对其他气室进行数据分析。3.4效果通过“数据记录”“历史曲线”“数据导出”可以看出，设备一段时间内，5#气室在每个喷吹周期粉尘浓度值都有较大波动，进而确定5#气室有滤袋破损。随即在近期计划检修时停机检查，打开5#气室盖板，发现确有两个滤袋破损，更换后，开机运行，数据恢复正常。4结论此次改造，印证了方案的可行性，大大缩短了除尘器滤袋的检修时间，降低了检修人员的工作量，使得检修工作更为便捷、高效。（编辑乔彬）欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋欋（上接第48页）