水泥窑用废塑料替代燃料工艺研究

随着我国电商、快递、外卖等行业快速兴起，塑料消费量呈现爆发式增长，据中国塑料行业协会数据统计，2021年全国塑料制品总产量约为8 000万t，同比增长5.9%，而废塑料产生量达6 200多万t，同比增长3.3%，若废塑料得不到妥善处理将引发一系列环境问题。目前，我国废塑料处理方式主要有填埋、焚烧和物理回收。废塑料的低位热值一般在23 000~40 000kJ/kg之间，经过简单处理后作为替代燃料应用于水泥窑是实现废塑料热值回收利用的重要方式。《产业结构调整指导目录（2019年本）》将“新型干法水泥窑替代燃料技术”列入鼓励类；《建材行业碳达峰实施方案》强调，加大替代燃料利用，支持生物质燃料等可燃废弃物替代燃煤，推动替代燃料高热值、低成本、标准化预处理，提升水泥等行业燃煤替代率，表明水泥窑替代燃料技术属于国家鼓励类产业技术。本文主要研究废塑料预处理工艺、水泥窑分解炉技改工艺，为实现水泥窑大规模应用废塑料替代燃料提供技术解决方案。

1、水泥窑用替代燃料的技术要求根据《水泥窑用固体替代燃料》（T/CIC049—2021），固体替代燃料（简称SRF）是一种以生产、生活等活动过程中产生的非危险废物类可燃性固体废物为主要原料，通过预处理、除杂、破碎、筛分、分选、成型等单一或组合工艺制备而得，以直接或间接形式为各类用能单元提供热能的燃料。水泥窑用固体替代燃料是指适用于替代新型干法水泥窑用燃煤的SRF，其中粉状、散状（片状）SRF主要从窑头主燃烧器喷入窑内，散状（片状、块状）、颗粒状、成型状SRF主要从窑尾分解炉进入窑内，其主要理化指标要求见表1。表1窑头、窑尾用SRF主要理化指标替代燃料可在不同的喂料点进入水泥生产过程，目前最常见的是窑头主燃烧器和窑尾分解炉。应用于窑头主燃烧器的SRF一般为高热值、小颗粒的可燃废弃物，且通常需要搭配煤粉使用，其添加量严格受到燃烧器火焰温度与形状等因素的制约，一般需要开发适合替代燃料燃烧且与原回转窑匹配良好的专用燃烧器，工艺技术要求较为复杂，使用成本较高。分解炉是协同处置固体废物或燃烧低热值燃料的理想场所，对入炉物料尺寸、热值等要求相对较低，同时不需要匹配专用的燃烧器，工艺技术要求较为简单，使用成本较低。

2、废塑料替代燃料预处理方案由于废塑料来源复杂，且其物理和化学性质与化石燃料不相同，利用其作为替代燃料，对水泥熟料化学组成，窑的工艺稳定性，窑的产量，汞和CO、SO2等的排放，燃烧器的火焰形状等都会造成一定影响。同时废塑料中的氯、硫、铁等对水泥窑炉也会产生影响。其中，氯元素在高温条件下可能会随粉尘与水泥窑金属结构相接触，从而加剧水泥窑体结构磨损，同时有可能形成二噁英等有害物质；硫元素可能以亚硫酸根的形式与熟料晶体反应，导致熟料液相出现温度升高、黏度提升、晶核形成延滞，或者与熟料内铝酸三钙作用，生产大体积水化硫铝酸钙，致使水泥熟料早期强度超过标准值，同时有可能产生SO2等有害气体。因此为满足水泥窑用替代燃料的技术要求，需要对废塑料进行预处理，依据《固体替代燃料制备技术规范》（T/CIC047—2021）中SRF制备工艺技术，总结出废塑料替代燃料的预处理工艺主要包括人工分拣、干化、除铁、初破碎、筛分、风选/光电分选、细碎等，详见图1。针对废塑料中的氯元素含量问题，需要应用脱氯技术工艺。目前国内外脱氯技术主要包括：PVC分选技术、机械技术、溶剂脱氯技术和分步热分解技术、吸附技术和催化技术，其中PVC分选技术又分为浮降法（湿法分选/比重分选）、熔融分离法、溶剂溶解法、电选分离法和水旋分离法等[3]。浮降法是利用密度差异的原理，通过人工筛选、一次破碎、磁力分选、比重分选、二次破碎等工艺来降低废塑料中PVC含量，是目前产业化应用较为广泛、成熟的工艺技术。图1废塑料预处理工艺流程

3、水泥窑分解炉技改工艺由于替代燃料来源复杂，应用工艺过程中难处理的材料增多，因此替代燃料的加入位置逐渐从回转窑的主燃烧器移向分解炉。分解炉可完成固废的燃烧、有机物裂解等，实现固废的无害化处置，再利用分解炉与回转窑内碱性高温环境，来中和废物产生的酸性物质，并将大多有害重金属固化在熟料中，将废物中不可燃物作为原料煅烧成熟料，是实现固废的无害化协同处置的有效途径。3.1主要技术方案分类基于废气排放和工艺的考虑，FLSmidth公司提出4类用替代燃料的分解炉：理想的“热盘”方案，适用于替代燃料的在线分解炉，气流向下的离线分解炉和其他改造型的分解炉。“热盘”技术方案：将替代燃料置于旋转的热盘上，暴露于三次风中，通过热盘转速控制燃料停留时间；生料从倒数第二级旋风预热器加入，通过未分解的生料量控制热盘温度；热盘及其外壳结构与分解炉连接，灰分、未燃尽的燃料和生料通过上升气流可进入分解炉或掉入回转窑。在线分解炉方案：是一种操作简单方便的技术方案，通过提高分解炉或者出口弯管的高度，可以增加替代燃料和生料的停留时间，提高替代燃料的燃烧速率，减少CO和NOx等污染气体的排放量，对回转窑系统稳定性影响较小。离线分解炉——气流向下（SLC-D）技术方案：替代燃料从顶部加入，生料与三次风沿切线进入分解炉，使得生料通过离心力抛到炉壁并在重力作用下向下运动，而替代燃料则以扩散火焰的方式在中心充分燃烧，火焰温度较高。与在线分解炉相比，此方案大颗粒固体燃料的停留时间比较短，火焰形成较困难，一般适用于小颗粒替代燃料。其他改进型分解炉技术方案：一般为非标准分解炉，如根据客户的特殊要求改造的兼具热盘和SLC-D分解炉优点的分解炉等。3.2分解炉技改工艺设计3.2.1废塑料技术指标设计废塑料一般为塑料混合物，因其包含各种各样的杂物、添加物等难以分离，或者已经过多次回收利用，无法作为再生资源重复使用。结合行业相关经验，综合考虑废塑料的来源、预处理工艺难易程度及加工成本，水泥窑分解炉技改工艺难易程度及改造成本，废塑料替代燃料燃烧特性及其应用对水泥熟料烧成质量、大气污染物排放等的影响，设计需要控制其低位热值、氯、硫、水分、灰分以及粒径等主要技术指标，见表2。表2废塑料替代燃料主要技术指标3.2.2针对废塑料应用的分解炉技改工艺设计废塑料与煤粉理化性能存在较大差别，为保证合理的流场与稳定的温度场，需要对普通燃煤分解炉进行针对性设计，以保证废塑料合理燃烧、燃尽。本文设计一种水泥窑分解炉用废塑料替代燃料技改工艺，具体包括带式输送机、提升机、稳流仓、螺旋计量秤、锁风阀、高温闸板阀。其中，在分解炉的三次风管上方设置稳流仓及计量设备，使得替代燃料分别通过带式输送机、提升机输送到稳流仓，然后通过螺旋计量秤、翻板锁风阀、高温闸板阀喂入分解炉，实现投料质量稳定可控，工艺设计如图2所示。图2分解炉用废塑料替代燃料技改工艺流程技改工艺方案原理及流程如下：（1）废塑料分别通过带式输送机、提升机输送至稳流仓，然后通过螺旋计量秤将替代燃料定量输送到翻板锁风阀；（2）翻板锁风阀的阀板在重力作用下自动开启，废塑料下落后，配重杠杆系统使阀板自动复位，防止漏风，从而完成废塑料的输送；（3）废塑料通过翻板阀后进入到高温闸板阀和下料管，在重力和负压的同时作用下，废塑料快速进入到分解炉内完成燃烧过程。

4、废塑料替代燃料效益分析4.1生产效益水泥替代燃料技术是一种对水泥生产影响较小且水泥窑内熟料质量、产量可控的技术。相关研究表明，将废塑料等固废投入水泥窑后，熟料理化性质（如抗压强度、粉磨时间、标准稠度用水量等）无明显变化，各项指标均符合《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》（HJ662—2013）、《水泥窑协同处置固体废物技术规范》（GB/T30760—2021）相关要求，对生产效益无负面影响。4.2经济效益相关研究表明，废塑料、废木屑、农作物秆、稻壳、废木块等替代燃料的热值单价均比煤炭低[6]。因此，水泥窑应用废塑料替代燃料技术在一定程度上会降低水泥生产线的用煤成本，具有一定的经济效益。以一条4 500t/d的水泥窑生产线为例，生产线总用煤量按850t/d，分解炉用煤量按510t/d（约占总用煤量的60%），燃料替代比例按1.3t废塑料替代1t煤估算。通过计算可知，如掺入废塑料99.45t/d，可取代煤76.50t/d（约占分解炉用煤的15%），则每天可节约煤炭成本约2.68万元（其中20.9MJ/kg的煤单价按1 000元/t，18.81MJ/kg废塑料的单价按500元/t）。考虑目前水泥行业实行常态化错峰生产等相关政策，水泥企业每年生产时间按200d计，则每年可为企业降低生产成本约536万元。

5、水泥窑用废塑料替代燃料技术发展建议5.1原材料来源稳定性控制由于我国固废分类政策体系不够健全、预处理管理制度不够完善，导致废塑料来源十分复杂，性质参差不齐，应用较为困难。预处理技术对水泥窑应用废塑料替代燃料的质量与效益具有直接影响。目前我国废塑料回收主要采用人工分拣方式，缺少规模化、自动化、高精度分选设备，平均规模较小，回收分拣水平、盈利能力普遍较差，难以保证数量、性质较为稳定的废塑料供应。一方面，建议不断加强固废分类管理制度的建立与实施，并根据水泥窑用废塑料替代燃料的性能特点，搭建废塑料产业链在线信息共享系统平台，实现塑料行业与水泥行业研发、生产、销售、消费、回收利用等产业链条互通；同时，建议加快构建科学、全面的废塑料全过程质量管理体系，精准管控废塑料质量，确保废塑料替代燃料的原材料来源稳定可靠，为实现其高热值化利用奠定基础。另一方面，应借鉴国外现代化水泥窑协同处置工艺技术，不断优化破碎、筛分、分选、中和、沉淀、干燥、配伍、混合、搅拌、均质等废塑料预处理工艺，尤其加强研发废塑料中Cl、S、N等无害化技术工艺等，以降低对水泥熟料生产造成的不利影响和减少二噁英类等大气污染物的排放量，最终实现水泥工业中废塑料大规模无害化利用。5.2替代燃料应用技术标准化从能源结构看，替代燃料属于可再生能源，已成为水泥工业中仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源[7]。水泥窑替代燃料技术是实现“碳达峰、碳中和”愿景目标的重要途径。2021年11月17日由中国工业合作协会提出的《固体替代燃料定义与分类》（T/CIC046-2021）、《固体替代燃料制备技术规范》（T/CIC047-2021）、《火力发电用固体替代燃料》（T/CIC048-2021）和《水泥窑用固体替代燃料》（T/CIC049-2021）等4项团体标准正式发布实施，表明固体替代燃料标准体系仍处于初步建立阶段，我国替代燃料未来的标准化、规范化发展道路任重道远。一方面，建议相关政府职能部门能充分发挥宏观顶层设计的引领作用，明确替代燃料的相关管理办法和主管部门，实现替代燃料的运输归口管理、预处理行业归口管理、应用技术归口管理以及环境排放归口管理。另一方面，建议水泥、塑料等各类行业协会共同搭建替代燃料技术标准体系，包括原材料标准体系、替代燃料生产过程标准体系、管理标准体系、综合利用产品标准体系等，其中，综合利用产品标准体系包括替代燃料产品质量要求标准子体系，以及检验方法标准子体系等。只有从原材料处理、生产制备、产品应用等替代燃料应用全过程做到有据可依，才能真正减少我国对化石能源的使用