廢風(fēng)電葉片作水泥窯替代燃料的應(yīng)用試驗(yàn)

水泥行業(yè)是我國建材行業(yè)的重要組成部分，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)貢獻(xiàn)了重要力量。2020年，我國水泥產(chǎn)量約占世界水泥產(chǎn)量的50%以上，但同時，CO2排放量約占全國碳排放總量的13%，是我國化石能源消耗和碳排放的重點(diǎn)行業(yè)之一。在當(dāng)前國家“雙碳目標(biāo)”的大背景下，中國建筑材料聯(lián)合會更是倡議建材行業(yè)要在2025年前全面實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，水泥等行業(yè)要在2023年前率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。水泥行業(yè)作為“雙碳目標(biāo)”的突破口，加快原料替代、燃料替代等CO2減排主要技術(shù)的發(fā)展推廣和試驗(yàn)研究刻不容緩。近十年來，隨著清潔能源的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取得了迅猛發(fā)展，風(fēng)電葉片的產(chǎn)量也連年增加，預(yù)計到2025年風(fēng)電的總裝機(jī)容量將達(dá)到5.4億千瓦時。在風(fēng)電快速發(fā)展的同時，風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模生產(chǎn)制造、使用過程中以及服役到期后都將產(chǎn)生大量的復(fù)合材料固廢，預(yù)測到2030年將會累計產(chǎn)生715?664t的廢風(fēng)電葉片等復(fù)合材料固廢[1]。我們利用水泥窯協(xié)同處置固廢的優(yōu)勢，嘗試以廢風(fēng)電葉片作為替代燃料，進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，現(xiàn)將試驗(yàn)情況進(jìn)行闡述總結(jié)。

1、試驗(yàn)用廢風(fēng)電葉片基本情況1.1廢風(fēng)電葉片來料情況風(fēng)電葉片的主要材質(zhì)為玻璃纖維/碳纖維樹脂復(fù)合材料，主要成分是樹脂和玻璃/碳纖維，其中的熱固性樹脂材料具有較高的熱值。廢風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組服役期滿，“拆舊建新、拆小建大”被替換淘汰下來的復(fù)合材料固廢。本次試驗(yàn)用的廢風(fēng)電葉片來自北京延慶，其葉片長30m，每根重量在10t左右，硬度較高（尤其是葉片龍骨），運(yùn)輸和破碎困難，為了便于開展試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際情況，來料進(jìn)廠前需要先進(jìn)行預(yù)破碎，破碎成長度小于700mm的條形片狀物料。來料后，經(jīng)過分揀發(fā)現(xiàn)，物料中的大塊物料為葉片殼體（玻璃鋼）、硬質(zhì)海綿等，小塊物料為海綿碎屑、木塊和碎石塊等。來料情況見圖1。1.2廢風(fēng)電葉片物理粉碎處理由于廢風(fēng)電葉片來料的尺寸比較大，在使用過程中容易造成輸送設(shè)備堵塞，給料不均勻，加之其燃燒困難，造成穩(wěn)定燃燒效果差，故需對來料進(jìn)行再次加工，進(jìn)行二次物理破碎處理。鑒于我公司有生活垃圾的粉碎分揀處理裝置，本次廢風(fēng)電葉片來料利用生活垃圾的處置裝置進(jìn)行物理粉碎處理。受限于原裝置的用途，本次處理后的風(fēng)電葉片也分為了篩上部分和篩下部分，篩上部分物料主要為木塊、硬質(zhì)海綿碎塊和風(fēng)機(jī)外殼碎片，粒度在40~100mm之間，約占2/3；篩下部分物料主要是小顆粒木塊、風(fēng)機(jī)殼體碎屑、硬質(zhì)海綿碎屑和碎石塊等，粒度小于40mm，約占1/3，其中碎石塊占比不足2%。隨后將篩上和篩下兩部分物料混合均勻后運(yùn)至水泥窯系統(tǒng)篩上物喂料處備用（見圖2）。1.3熱值測定及灰分分析取適量二次粉碎混合均勻后的廢風(fēng)電葉片作為樣品進(jìn)行分析，使用5E-AC/PL自動量熱儀測得熱值為8?300kJ/kg；在1?000℃高溫下灼燒成灰燼后，測得灰分占比為28.42%；按照《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176—2017）進(jìn)行檢測，測得灰分全分析數(shù)據(jù)見表1。從表1分析結(jié)果可知，廢風(fēng)電葉片灰分中含有較高的硅和鋁，其主要成分和水泥熟料中的成分基本一致，可做水泥熟料生產(chǎn)的原材料。

2試驗(yàn)情況及分析

本次試驗(yàn)在我公司協(xié)同處置生活垃圾的4?500t/d水泥窯生產(chǎn)線進(jìn)行，試驗(yàn)時，廢風(fēng)電葉片通過生活垃圾篩上物喂料口喂入，通過計量裝置、輸送裝置、喂料裝置穩(wěn)定喂入窯尾分解爐。為了保證本次試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地反映廢風(fēng)電葉片的燃料替代效果，避免因原料、窯況等變化造成的影響，我們間隔性地抽取了窯況穩(wěn)定的兩天時間，分兩次分別進(jìn)行對比試驗(yàn)。每次試驗(yàn)時，均先取4h以上不加替代燃料的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為空白對比樣，且試驗(yàn)期間保持投料量穩(wěn)定，工藝參數(shù)穩(wěn)定，除必要的微調(diào)外，不做操作調(diào)整。試驗(yàn)過程中，記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來自能源管理系統(tǒng)小時平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性高，具有代表性。2.1試驗(yàn)生產(chǎn)運(yùn)行情況及效果分析2022年8月4日進(jìn)行了第一次替代試驗(yàn)，總計使用廢風(fēng)電葉片21.2t，運(yùn)行時間4.33h，平均給料量4.9t/h，運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。2022年8月14日進(jìn)行了第二次替代試驗(yàn)，總計使用廢風(fēng)電葉片31.2t，運(yùn)行時間6.5h，平均給料量4.8t/h，運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3。由表2和表3的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看到兩次試驗(yàn)期間產(chǎn)量穩(wěn)定，添加廢風(fēng)電葉片作替代燃料的試驗(yàn)樣品頭煤用量和空白樣品基本保持一致，尾煤用量有明顯下降，廢風(fēng)機(jī)葉片投料量在5t/h左右時，降低用煤量1.5~1.6t/h，平均每噸廢風(fēng)電葉片能夠替代0.31~0.33t的實(shí)物煤耗，折算成標(biāo)煤相當(dāng)于0.23~0.25t標(biāo)煤，噸熟料實(shí)物煤耗下降6.5kg左右，有明顯的節(jié)煤效果。本次廢風(fēng)電葉片作替代燃料試驗(yàn)實(shí)際降低煤耗效果略低于理論計算數(shù)值，整體試驗(yàn)效果良好。2.2熟料質(zhì)量情況及分析為了更好地分析使用廢風(fēng)電葉片作替代燃料對熟料質(zhì)量的影響，我們使用熒光分析儀對使用前后熟料的化學(xué)成分進(jìn)行了連續(xù)檢測，同時也使用化學(xué)分析方法對使用替代燃料的熟料進(jìn)行了檢測，并對其礦物組成、結(jié)粒狀況、游離鈣、氯離子含量以及強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行了分析，見表4、表5、圖3。表4為8月14日進(jìn)行替代燃料試驗(yàn)時的熟料連續(xù)成分檢測數(shù)據(jù)，從中我們可以看到使用廢風(fēng)電葉片作替代燃料時，有短暫（13~16h）的硅含量升高，飽和比下降的變化，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)來看，1t廢風(fēng)電葉片帶入熟料中約0.284t的灰分，而1t原煤（我公司使用的均化煤，水分約11%）帶入的灰分僅為0.135t左右，使用5t廢風(fēng)電葉片替代燃料帶入的灰分量比原來使用原煤多1.2t，造成熟料短時間內(nèi)的成分和飽和比變化波動屬于正?，F(xiàn)象，從連續(xù)使用的角度考慮，我們可以對配料進(jìn)行微調(diào)，不會長期造成飽和比偏低的情況，對熟料質(zhì)量不會有影響。從表4我們還看到了在13~14h有氯離子的突然升高，結(jié)合廢風(fēng)電葉片灰分的分析結(jié)果以及8月6日的試驗(yàn)情況看（氯離子無變化），此時間節(jié)點(diǎn)氯離子的升高，應(yīng)與使用廢風(fēng)電葉片無關(guān)，但考慮到氯的揮發(fā)性很強(qiáng)，在800℃以上幾乎達(dá)到了100%，且在窯系統(tǒng)內(nèi)會循環(huán)富集，而在測廢風(fēng)電葉片灰分時的煅燒溫度為1?000℃，所以不能完全排除其影響。圖3使用葉片作替代燃料的熟料外觀表5熟料主要化學(xué)成分、礦物組成和三率值情況通過表5和圖3可見，在使用5t/h以內(nèi)的廢風(fēng)電葉片作為替代燃料時，其化學(xué)成分、硅酸三鈣、硅酸二鈣等均無較大變化；且熟料結(jié)粒良好，整體大小均勻，致密，斷面清晰，外觀呈青黑色，無黃心等情況；28d抗壓強(qiáng)度均超過57MPa，與未使用廢風(fēng)電葉片的熟料相比無明顯變化，熟料中亦未見殘余未燃盡的葉片。2.3碳排放情況及分析廢風(fēng)電葉片中的絕大部分可燃材料為廢玻璃鋼，雖夾雜一些硬質(zhì)海綿和木塊等，但占比很小，為了便于計算分析，我們統(tǒng)一按照玻璃鋼計算，玻璃鋼的碳排放因子為0.083tCO2/GJ，氧化率按98%計算，則1t廢風(fēng)電葉片的二氧化碳排放量為0.675?2t；原煤的含碳量0.026?37tC/GJ，氧化率為98%，按照本次試驗(yàn)中1t廢風(fēng)電葉片代替0.31~0.32t實(shí)物煤計算，則其替代的原煤原本的碳排放量應(yīng)為0.650?8~0.692?7t。由此可以看出，理論上廢風(fēng)電葉片（0.083tCO2/GJ）替代原煤（0.097tCO2/GJ，按照熱值100%替代）具有一定的碳減排效果，但從本次試驗(yàn)情況看，由于其替代效果小于理論，故其碳減排效果幾乎可以忽略。

3、處理成本和經(jīng)濟(jì)效益分析利用水泥窯協(xié)同處置廢風(fēng)電葉片作替代燃料的經(jīng)濟(jì)效益主要有兩個方面，一是處理廢風(fēng)電葉片可能有來自政府或者相關(guān)企業(yè)的補(bǔ)貼；二是作替代燃料的節(jié)煤利潤，以本次試驗(yàn)的1t廢風(fēng)電葉片節(jié)煤0.31~0.32t計算，1t廢風(fēng)電葉片節(jié)煤的費(fèi)用為320元左右（煤熱值22.15MJ/kg，煤價按1?000元/t計算）。在利用現(xiàn)有設(shè)備（非專門處理風(fēng)電葉片）的基礎(chǔ)上，處理廢風(fēng)電葉片的主要成本有兩方面，一是粉碎成本，二是運(yùn)輸成本。從本次試驗(yàn)的角度出發(fā)，粉碎成本巨大，首先本次預(yù)粉碎處理由北京某家環(huán)保業(yè)務(wù)公司進(jìn)行，由于風(fēng)電葉片長度大，體積重量大，龍骨硬度高等特點(diǎn)，據(jù)悉該公司按照將葉片預(yù)處理成規(guī)格70cm左右的塊狀物料，1d僅可以完成3根風(fēng)電葉片的處理，即約30t；其次，利用生活垃圾預(yù)處理設(shè)備二次破碎風(fēng)電葉片的效率（破碎比較困難）為生活垃圾的1/6，僅二次破碎的費(fèi)用就高達(dá)300元/t左右（包含了人工、折舊、維修和管理等費(fèi)用）。運(yùn)輸成本也較高，本次試驗(yàn)用的二次粉碎后的葉片容重在0.5t/m3，這就使得每輛車每次運(yùn)輸?shù)闹亓拷档?，運(yùn)輸成本上升。以上只是初步的推斷分析，實(shí)際處置過程中需要分析考慮的細(xì)節(jié)會更多。

4、結(jié)論及建議（1）本次試驗(yàn)表明，利用水泥窯協(xié)同處置廢風(fēng)電葉片的技術(shù)路線可行，且加入量5t/h左右時，窯系統(tǒng)運(yùn)行工況穩(wěn)定，對熟料質(zhì)量無較大影響。（2）廢風(fēng)電葉片熱值較高，能夠較好地實(shí)現(xiàn)煤炭的替代效果，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，1t廢風(fēng)電葉片可以減少煤炭（22.15MJ/kg）使用量約0