危廢替代燃料對水泥熟料性能、重金屬含量及節(jié)煤減碳影響的應(yīng)用研究

近年來，我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，危險廢物產(chǎn)量也在不斷增加，如何進行資源化、無害化、協(xié)同化處理是廣大研究者關(guān)注的重點。危險廢物中的有毒有害物質(zhì)不僅會對人體健康造成直接危害，同時也會在自然環(huán)境中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，進而對土壤、水體和大氣等生態(tài)環(huán)境造成污染。目前，處置危廢的方式主要有兩種，一是傳統(tǒng)的焚燒處置工藝；二是水泥窯協(xié)同處置工藝。水泥窯協(xié)同處置危廢過程中，危廢替代燃料不僅可以降低對石灰石、砂巖、頁巖等自然資源及煤炭等化石能源的開采，還減少了對資源和環(huán)境的破壞，可以同時滿足節(jié)能和減排生產(chǎn)要求。與傳統(tǒng)廢物焚燒進行比較，水泥窯協(xié)同處置危廢時，只需在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上增設(shè)預(yù)處理設(shè)施，不需要新建尾氣、廢渣的凈化裝置和處理裝置，避免了傳統(tǒng)危廢處置方式對環(huán)境的二次污染。同時危廢焚燒產(chǎn)生的熱能被回收，殘渣和飛灰作為原料成分配入熟料中，實現(xiàn)資源化和污泥減量化。初步研究顯示，將含有合理熱值的液體和固體形態(tài)的各類危廢經(jīng)過SMP危廢預(yù)處理系統(tǒng)進行破碎、混合，確保熱值基本穩(wěn)定后泵送到水泥窯系統(tǒng)的分解爐內(nèi)進行燃燒，不但可以實現(xiàn)各類危廢的無害化、減量化、資源化處理，還能夠為分解爐提供熱源，降低分解爐燃煤的用量，達到降低煤粉用量，減少CO2排放量的目的。但水泥窯在協(xié)同處置危廢過程中，如果危廢的熱值配伍、含水量、投加量等參數(shù)控制不合理，會導(dǎo)致熟料質(zhì)量波動大、強度降低、熟料重金屬控制難度加大等問題。鑒于以上所述，本文系統(tǒng)研究了危廢替代燃料對水泥熟料的力學(xué)性能、凝結(jié)時間、礦物相組成、重金屬含量及節(jié)煤減碳的影響規(guī)律。1、原材料分析試驗過程所用到的石灰石、黏土為銅川聲威建材有限責(zé)任公司自備礦山開采，硅質(zhì)原料及鐵質(zhì)原料外購，原材料化學(xué)成分如圖1所示。圖1原材料的化學(xué)組成試驗中，危廢替代燃料為含熱值油泥、含熱值廢液、電子危廢、醫(yī)療危廢等配伍后的混合物，設(shè)置了5組危廢替代燃料的投料量，基本特性如表1所示。由表1得出，不同投加量的危廢料替代燃料的熱值基本保持在7?500~8?600kJ/kg范圍之間，危廢料漿的含水率和燒失量比較大，基本屬于中性漿體。危廢料漿的F、Cl、S的含量在限值以內(nèi)。表1危廢替代燃料基本性質(zhì)2、試驗方案本次工業(yè)化試驗在銅川聲威建材有限責(zé)任公司6?500t/d熟料生產(chǎn)線上開展，該生產(chǎn)線分解爐為Φ7.8m×35m在線式分解爐，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為Φ5.2m×74m，采用第三代尾置輥破篦冷機，規(guī)格為4.8m×37.2m，篦床有效面積170.9m2。根據(jù)危廢替代燃料的物料特性，結(jié)合生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)情況，采用SMP系統(tǒng)對危廢替代燃料進行預(yù)處理，達到可泵送狀態(tài)后直接泵送進入分解爐。由小到大確定了6個不同投加量，分別為A0-0m3/h、A1-1.2m3/h、A2-1.6m3/h、A3-2.0m3/h、A4-2.4m3/h、A5-2.7m3/h。每個投加量投加14h，每小時記錄一次生產(chǎn)線運行數(shù)據(jù)。每個空白樣采用正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每個階段過渡樣不納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計。泵送的危廢替代燃料的重金屬含量采用多次取樣，混合均勻后檢測，重金屬測量值見表2。表2危廢替代燃料的重金屬含量mg/kg3、試驗結(jié)果及分析3.1對熟料強度的影響危廢替代燃料燃燒后對熟料力學(xué)性能的影響如圖2所示。圖2危廢替代燃料對熟料力學(xué)性能的影響由圖2可見，隨著危廢替代燃料投加量的增大，熟料抗折、抗壓強度出現(xiàn)小幅波動，總體降低趨勢，根據(jù)熟料28d抗折、抗壓強度的規(guī)律，危廢替代燃料合理的投加量為1.6~2.7m3/h。3.2對熟料化學(xué)成分和礦物組成的影響不同危廢替代燃料投加量下熟料的化學(xué)成分和率值如表3所示，各方案下CaO/SiO2質(zhì)量比均大于2，MgO、SO3等關(guān)鍵指標均低于標準限值，熟料化學(xué)成分滿足標準要求。隨著危廢替代燃料投加量的增加，A1~A5階段所燒成的熟料中SiO2含量依次減小，CaO/SiO2質(zhì)量比依次增大。從表3還可以看出，隨著危廢替代燃料投加量的增加，熟料的KH值先增大后減小再增大，熟料中SiO2被CaO飽和成C3S的程度也是如此；熟料的硅率大致減小，表示熟料中硅酸鹽類礦物含量減少，熔劑性礦物含量增加?？傮w來看，各組熟料的化學(xué)成分及率值相差不大。表3不同危廢替代燃料投加量下熟料的化學(xué)成分和率值危廢替代燃料對熟料礦物組成的影響如圖3所示。圖3危廢燃料對熟料礦物組成的影響從圖3可以看出，隨危廢替代燃料投加量的增大，熟料中C3S的含量先增大后減小再增大，波動比較小，在51%~56%之間變化。當投料量為1.2m3/h時，對應(yīng)熟料中C3S的含量最大，為55.84%；當投料量為2.0m3/h時，對應(yīng)熟料中C3S的含量最小，為51.77%。C2S含量隨危廢替代燃料投加量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的規(guī)律，在20%~24%之間波動。當投料量為1.2m3/h時，對應(yīng)熟料中C2S的含量最小，為20.23%；當投料量為2.0m3/h時，對應(yīng)熟料中C2S的含量最大，為23.95%。C3A含量隨危廢替代燃料投加量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，在7.0%~7.9%之間波動。當投料量為1.2m3/h時，對應(yīng)熟料中C3A的含量最小，為7.09%；當投料量為2.4m3/h時，對應(yīng)熟料中C3A的含量最大，為7.86%。C4AF含量隨危廢替代燃料投加量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律，在10.1%~10.4%之間波動。當投料量為1.2m3/h時，對應(yīng)熟料中C4AF的含量最大，為10.36%；當投料量為0m3/h時，對應(yīng)熟料中C4AF的含量最小，為10.11%。由試驗結(jié)果看出，危廢替代燃料在分解爐內(nèi)燃燒后，其剩余的未燃盡灰分進入熟料后，和未摻加危廢替代燃料相比，對熟料中四種主要礦物相含量的影響較小。3.3對熟料凝結(jié)時間和標準稠度用水量的影響危廢替代燃料燃燒后對熟料凝結(jié)時間的影響如圖4（a）所示。由圖4（a）得出，當危廢替代燃料投加量由0m3/h增加到2.7m3/h時，熟料的初凝時間先減小后增大再減小，在128~155min間波動，符合國標GB/T21372—2008規(guī)定的初凝時間不小于45min的要求。終凝時間的變化規(guī)律和初凝時間基本類似，在176~202min間波動，符合國標規(guī)定的終凝時間不大于390min的要求。隨著危廢替代燃料投加量的增大，初凝和終凝之間的時間窗口基本保持穩(wěn)定（45min、48min、47min），沒有較大的變化。危廢替代燃料燃燒后對熟料標準稠度用水量的影響如圖4（b）所示。由圖4（b）看出，隨著危廢替代燃料投料量的增加，熟料標準稠度用水量基本無變化。3.4對熟料游離氧化鈣和氯離子含量的影響危廢替代燃料對熟料游離氧化鈣和氯離子含量的影響如圖5所示。由圖5得出，熟料中氯離子的含量隨危廢替代燃料投加量的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小，最后比未摻加危廢替代燃料的工況略有增加的規(guī)律（從0.026%增大到0.035%，再減小到0.031%）。說明分解爐內(nèi)燃燒危廢替代燃料，雖然危廢替代燃料里的氯離子濃度較高，但由于摻量所占的比例不大，從檢測結(jié)果看不會對熟料中的氯離子含量產(chǎn)生較大波動，且符合熟料對氯離子含量的企業(yè)內(nèi)控要求。熟料中游離氧化鈣的含量隨危廢替代燃料投加量的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小再小幅上升（從0.69%減小至0.50%再增大至0.68%），但變化范圍波動不大，全部都小于0.7%，符合國標規(guī)定的小于1.5%的技術(shù)要求。圖4危廢替代燃料對熟料凝結(jié)時間和標準稠度用水量的影響圖5危廢替代燃料對熟料游離氧化鈣和氯離子含量的影響3.5對熟料重金屬含量的影響不同危廢替代燃料投料量所對應(yīng)的熟料其重金屬含量如表4所示。由表4得出，熟料中各種重金屬的含量隨著危廢替代燃料投料量的增加基本呈現(xiàn)出不斷增大的規(guī)律，但各類重金屬的含量均能滿足《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》（GB30760—2014）的要求。重金屬銅（Cu）的最大含量為61.25mg/kg，對應(yīng)危廢替代燃料投料量為2.7m3/h；重金屬鉻（Cr）的最大含量為31.99mg/kg，對應(yīng)投料量為2.7m3/h；重金屬錳（Mn）的最大含量為194.59mg/kg，對應(yīng)投料量為2.0m3/h；重金屬鎳（Ni）、鎘（Cd）、砷（As）在熟料中未檢測出；重金屬鉛（Pb）的最大含量為26.29mg/kg，對應(yīng)投料量為2.7m3/h；重金屬鋅（Zn）的最大含量為392.31mg/kg，對應(yīng)投料量為2.4m3/h。表4熟料中重金屬的含量mg/kg3.6對熟料標準煤耗和CO2排放量的影響危廢替代燃料燃燒后對熟料標準煤耗和CO2排放量的影響如圖6所示。由圖6得出，當危廢替代燃料的投加量從0增加到2.7m3/h時，經(jīng)過計算，危廢替代燃料收到基熱值隨投料量的增大而不斷增大，噸熟料標準煤耗呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。當危廢替代燃料投加量大于1.6m3/h時，熟料的標準煤耗逐步減小。危廢替代燃料投料量為2.4m3/h的噸熟料標準煤耗比不摻加時降低1.10kg/t.cl，此時單純通過節(jié)煤實現(xiàn)的CO2的減排量為3.03kg/t.cl（標準煤CO2排放因子，根據(jù)國家統(tǒng)一規(guī)定確定為2.75kg/kg.ce）；危廢替代燃料投料量為2.7m3/h的噸熟料標準煤耗比不摻加時降低1.59kg/t.cl，通過節(jié)煤實現(xiàn)的CO2的減排量為4.39kg/t.cl。危廢替代燃料含水量較大，當投加量較小時，因危廢燃料燃燒產(chǎn)生的熱量小于因廢棄物燃燒產(chǎn)生的煙氣（水蒸氣+其他煙氣）升溫所吸收的熱量時，會導(dǎo)致系統(tǒng)的標準煤耗略有上升。當投加量≥1.6m3/h，危廢替代燃料燃燒產(chǎn)生的熱量大于廢棄物燃燒產(chǎn)生的煙氣升溫所吸收的熱量時，熟料的標準煤耗開始下降，從節(jié)煤降耗角度考慮，本試驗的危廢替代燃料的最佳投料量范圍在1.6~2.7m3/h。本試驗中，危廢替代燃料的熱值偏低，為了進一步提升危廢替代燃料的投加量，可考慮把危廢替代燃料在料坑里進行預(yù)配置時，適當提升危廢燃料的熱值，這樣既可以進一步降低熟料的標準煤耗，也可以進一步減少CO2的排放量。圖6危廢替代燃料對熟料標準煤耗的影響4、結(jié)論（1）危廢替代燃料對熟料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。28d抗折強度最大為8.8MPa，對應(yīng)投加量為2.4m3/h，28d抗壓強度最大為55.8MPa，對應(yīng)投加量為1.6m3/h。（2）隨著危廢替代燃料投加量的增加，熟料的KH值先增大后減小再