废风电叶片作水泥窑替代燃料的应用试验

水泥行业是我国建材行业的重要组成部分，为国民经济建设贡献了重要力量。2020年，我国水泥产量约占世界水泥产量的50%以上，但同时，CO2排放量约占全国碳排放总量的13%，是我国化石能源消耗和碳排放的重点行业之一。在当前国家“双碳目标”的大背景下，中国建筑材料联合会更是倡议建材行业要在2025年前全面实现碳达峰，水泥等行业要在2023年前率先实现碳达峰。水泥行业作为“双碳目标”的突破口，加快原料替代、燃料替代等CO2减排主要技术的发展推广和试验研究刻不容缓。近十年来，随着清洁能源的大规模推广和应用，风电产业取得了迅猛发展，风电叶片的产量也连年增加，预计到2025年风电的总装机容量将达到5.4亿千瓦时。在风电快速发展的同时，风电机组的大规模生产制造、使用过程中以及服役到期后都将产生大量的复合材料固废，预测到2030年将会累计产生715 664t的废风电叶片等复合材料固废[1]。我们利用水泥窑协同处置固废的优势，尝试以废风电叶片作为替代燃料，进行生产试验，现将试验情况进行阐述总结。

1、试验用废风电叶片基本情况1.1废风电叶片来料情况风电叶片的主要材质为玻璃纤维/碳纤维树脂复合材料，主要成分是树脂和玻璃/碳纤维，其中的热固性树脂材料具有较高的热值。废风电叶片是风电机组服役期满，“拆旧建新、拆小建大”被替换淘汰下来的复合材料固废。本次试验用的废风电叶片来自北京延庆，其叶片长30m，每根重量在10t左右，硬度较高（尤其是叶片龙骨），运输和破碎困难，为了便于开展试验，结合实际情况，来料进厂前需要先进行预破碎，破碎成长度小于700mm的条形片状物料。来料后，经过分拣发现，物料中的大块物料为叶片壳体（玻璃钢）、硬质海绵等，小块物料为海绵碎屑、木块和碎石块等。来料情况见图1。1.2废风电叶片物理粉碎处理由于废风电叶片来料的尺寸比较大，在使用过程中容易造成输送设备堵塞，给料不均匀，加之其燃烧困难，造成稳定燃烧效果差，故需对来料进行再次加工，进行二次物理破碎处理。鉴于我公司有生活垃圾的粉碎分拣处理装置，本次废风电叶片来料利用生活垃圾的处置装置进行物理粉碎处理。受限于原装置的用途，本次处理后的风电叶片也分为了筛上部分和筛下部分，筛上部分物料主要为木块、硬质海绵碎块和风机外壳碎片，粒度在40~100mm之间，约占2/3；筛下部分物料主要是小颗粒木块、风机壳体碎屑、硬质海绵碎屑和碎石块等，粒度小于40mm，约占1/3，其中碎石块占比不足2%。随后将筛上和筛下两部分物料混合均匀后运至水泥窑系统筛上物喂料处备用（见图2）。1.3热值测定及灰分分析取适量二次粉碎混合均匀后的废风电叶片作为样品进行分析，使用5E-AC/PL自动量热仪测得热值为8 300kJ/kg；在1 000℃高温下灼烧成灰烬后，测得灰分占比为28.42%；按照《水泥化学分析方法》（GB/T176—2017）进行检测，测得灰分全分析数据见表1。从表1分析结果可知，废风电叶片灰分中含有较高的硅和铝，其主要成分和水泥熟料中的成分基本一致，可做水泥熟料生产的原材料。

2试验情况及分析

本次试验在我公司协同处置生活垃圾的4 500t/d水泥窑生产线进行，试验时，废风电叶片通过生活垃圾筛上物喂料口喂入，通过计量装置、输送装置、喂料装置稳定喂入窑尾分解炉。为了保证本次试验能够较好地反映废风电叶片的燃料替代效果，避免因原料、窑况等变化造成的影响，我们间隔性地抽取了窑况稳定的两天时间，分两次分别进行对比试验。每次试验时，均先取4h以上不加替代燃料的生产运行数据作为空白对比样，且试验期间保持投料量稳定，工艺参数稳定，除必要的微调外，不做操作调整。试验过程中，记录的试验数据均来自能源管理系统小时平均值，试验数据可靠性高，具有代表性。2.1试验生产运行情况及效果分析2022年8月4日进行了第一次替代试验，总计使用废风电叶片21.2t，运行时间4.33h，平均给料量4.9t/h，运行数据见表2。2022年8月14日进行了第二次替代试验，总计使用废风电叶片31.2t，运行时间6.5h，平均给料量4.8t/h，运行数据见表3。由表2和表3的运行数据可以看到两次试验期间产量稳定，添加废风电叶片作替代燃料的试验样品头煤用量和空白样品基本保持一致，尾煤用量有明显下降，废风机叶片投料量在5t/h左右时，降低用煤量1.5~1.6t/h，平均每吨废风电叶片能够替代0.31~0.33t的实物煤耗，折算成标煤相当于0.23~0.25t标煤，吨熟料实物煤耗下降6.5kg左右，有明显的节煤效果。本次废风电叶片作替代燃料试验实际降低煤耗效果略低于理论计算数值，整体试验效果良好。2.2熟料质量情况及分析为了更好地分析使用废风电叶片作替代燃料对熟料质量的影响，我们使用荧光分析仪对使用前后熟料的化学成分进行了连续检测，同时也使用化学分析方法对使用替代燃料的熟料进行了检测，并对其矿物组成、结粒状况、游离钙、氯离子含量以及强度等指标进行了分析，见表4、表5、图3。表4为8月14日进行替代燃料试验时的熟料连续成分检测数据，从中我们可以看到使用废风电叶片作替代燃料时，有短暂（13~16h）的硅含量升高，饱和比下降的变化，结合表1中的数据来看，1t废风电叶片带入熟料中约0.284t的灰分，而1t原煤（我公司使用的均化煤，水分约11%）带入的灰分仅为0.135t左右，使用5t废风电叶片替代燃料带入的灰分量比原来使用原煤多1.2t，造成熟料短时间内的成分和饱和比变化波动属于正常现象，从连续使用的角度考虑，我们可以对配料进行微调，不会长期造成饱和比偏低的情况，对熟料质量不会有影响。从表4我们还看到了在13~14h有氯离子的突然升高，结合废风电叶片灰分的分析结果以及8月6日的试验情况看（氯离子无变化），此时间节点氯离子的升高，应与使用废风电叶片无关，但考虑到氯的挥发性很强，在800℃以上几乎达到了100%，且在窑系统内会循环富集，而在测废风电叶片灰分时的煅烧温度为1 000℃，所以不能完全排除其影响。图3使用叶片作替代燃料的熟料外观表5熟料主要化学成分、矿物组成和三率值情况通过表5和图3可见，在使用5t/h以内的废风电叶片作为替代燃料时，其化学成分、硅酸三钙、硅酸二钙等均无较大变化；且熟料结粒良好，整体大小均匀，致密，断面清晰，外观呈青黑色，无黄心等情况；28d抗压强度均超过57MPa，与未使用废风电叶片的熟料相比无明显变化，熟料中亦未见残余未燃尽的叶片。2.3碳排放情况及分析废风电叶片中的绝大部分可燃材料为废玻璃钢，虽夹杂一些硬质海绵和木块等，但占比很小，为了便于计算分析，我们统一按照玻璃钢计算，玻璃钢的碳排放因子为0.083tCO2/GJ，氧化率按98%计算，则1t废风电叶片的二氧化碳排放量为0.675 2t；原煤的含碳量0.026 37tC/GJ，氧化率为98%，按照本次试验中1t废风电叶片代替0.31~0.32t实物煤计算，则其替代的原煤原本的碳排放量应为0.650 8~0.692 7t。由此可以看出，理论上废风电叶片（0.083tCO2/GJ）替代原煤（0.097tCO2/GJ，按照热值100%替代）具有一定的碳减排效果，但从本次试验情况看，由于其替代效果小于理论，故其碳减排效果几乎可以忽略。

3、处理成本和经济效益分析利用水泥窑协同处置废风电叶片作替代燃料的经济效益主要有两个方面，一是处理废风电叶片可能有来自政府或者相关企业的补贴；二是作替代燃料的节煤利润，以本次试验的1t废风电叶片节煤0.31~0.32t计算，1t废风电叶片节煤的费用为320元左右（煤热值22.15MJ/kg，煤价按1 000元/t计算）。在利用现有设备（非专门处理风电叶片）的基础上，处理废风电叶片的主要成本有两方面，一是粉碎成本，二是运输成本。从本次试验的角度出发，粉碎成本巨大，首先本次预粉碎处理由北京某家环保业务公司进行，由于风电叶片长度大，体积重量大，龙骨硬度高等特点，据悉该公司按照将叶片预处理成规格70cm左右的块状物料，1d仅可以完成3根风电叶片的处理，即约30t；其次，利用生活垃圾预处理设备二次破碎风电叶片的效率（破碎比较困难）为生活垃圾的1/6，仅二次破碎的费用就高达300元/t左右（包含了人工、折旧、维修和管理等费用）。运输成本也较高，本次试验用的二次粉碎后的叶片容重在0.5t/m3，这就使得每辆车每次运输的重量降低，运输成本上升。以上只是初步的推断分析，实际处置过程中需要分析考虑的细节会更多。

4、结论及建议（1）本次试验表明，利用水泥窑协同处置废风电叶片的技术路线可行，且加入量5t/h左右时，窑系统运行工况稳定，对熟料质量无较大影响。（2）废风电叶片热值较高，能够较好地实现煤炭的替代效果，本次试验数据表明，1t废风电叶片可以减少煤炭（22.15MJ/kg）使用量约0