废旧轮胎作水泥窑替代燃料的工业试验

百科 2024-11-22 08:00 湖南

0 前言

当前，水泥工业利用水泥窑烧成系统与生俱来的优势，正大力推进替代燃料的使用，力求最大限度地降低水泥生产对化石能源的消耗，不仅能降低水泥生产成本，还为水泥工业可持续性发展开辟了新的途径。

汽车轮胎热值很高，其热值明显高于相同质量的标煤，是一种非常理想的替代燃料，已有不少研究成果和应用案例。福建龙麟环境工程有限公司利用预分解窑水泥熟料生产线正在开展水泥窑协同处置城乡生活垃圾、固体废物及工业危险废物项目，包括资源化利用废旧轮胎。本文就该公司将废旧轮胎用作水泥窑替代燃料的工业试验工作进行总结，以供参考。

1 水泥窑燃烧废旧轮胎的不良影响

轮胎中S含量一般在2.0%左右，远高于水泥生产用常规用煤的S含量。水泥企业掺烧废旧轮胎，一方面排放到空气中的SO2可能会超标形成环境污染，另一方面硫含量高可能会带来硫的循环、富集，致使烧成系统结皮、结圈甚至堵塞等情况发生，使生产无法正常进行；另外，一部分S会随烧成过程进入到熟料中，进而转移到水泥中。《通用硅酸盐水泥》（GB/175-2023）对水泥中的SO3（水泥中的硫酸盐以SO3计）进行了限量，限制硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中的SO3含量不超过3.5%。所以直接掺烧废旧轮胎极有可能生产出质量不合格的水泥。

2 资源化利用废旧轮胎的方式与控硫措施

为了确保既环保又高效地生产出合格的产品，该公司从自身的工艺、设备条件出发，对资源化利用废旧轮胎的工业试验采取了适宜的应对措施。

2.1 轮胎粒径及入窑位置的选择

轮胎切片的尺寸大小决定其在窑炉中能否充分燃烧。在轮胎的破碎中，出料尺寸减小时，处理难度会逐渐增加，破碎系统的投资和运行成本也随之增加。该公司购进已抽取钢丝的5～30 mm粒径轮胎颗粒进行试验，其与煤炭的工业分析如表1所示。

轮胎投入的位置可以从分解炉、窑尾上升烟道以及窑头主燃烧器投入，也可以从生料制备系统加入。考虑到轮胎和煤粉燃烧情况接近，该公司将轮胎颗粒与煤炭单独计量，按比例均匀搭配入堆场，经粉磨烘干后作为混合燃料一起进入烧成系统使用。40%的混合燃料从窑头燃烧器喷入回转窑内燃烧，60%的混合燃料输送至分解炉内燃烧。

从表1可知，该公司所选轮胎热值高于煤炭，在分解炉投放量过多可能燃烧不完全，导致CO含量增高，从而排放更多的烟气量；窑头掺加量比较多时也可能产生不良影响，带来大的温度波动。基于此，试验以轮胎加入量为0、2 t/h和4 t/h三种情况进行，燃料搭配情况及混合燃料全硫值见表2所示。

2.2选择粉剂Ca(OH)₂作脱硫剂

从表2可知，两种加入量的混合燃料与零添加的煤粉比较，S含量分别增加了36%、73%,再加上生料中硫的存在，势必会对生产带来不良影响。该公司从实际情况出发，选择粉剂Ca(OH)₂作脱硫剂。具体做法为：在生料均化库旁边设立脱硫罐，粉剂Ca(OH)₂经脱硫罐底部螺运机的输送与生料汇集到一起，进入预热器。C1旋风筒出口设置尾气实时监控设备，根据实时监测到的SO₂数据自动调整Ca(OH)₂粉剂的喷入量。具体脱硫原理如图1所示。

混合燃料中的S在碱性环境下，绝大部分会形成稳定的硫酸盐，剩下的一部分S和生料中的少部分S会以SO₂的形式在C4～C5预热器与粉剂Ca(OH)₂发生脱硫反应，以硫酸钙的形式固化在物料中入窑，从而实现烟囱排放的SO₂在环保控制指标以内。

3 资源化利用废旧轮胎的效果分析

3.1 热工工况分析

使用轮胎颗粒前后分解炉的工艺指标见表3所示。从表3可知，本次试验分解炉的温度略有升高，分解炉出口负压稳定，入窑生料的分解率也略有升高。另外，烟室及C1预热器出口气体成分稳定，SO₂成分维持在35 mg/Nm³以下。窑况未受到明显影响，C4、C5下料管未发现明显结皮。

3.2熟料质量分析

3.2.1熟料中SO₃和强度试验

SO₃试验根据《水泥化学分析方法》(GB/T 176)进行，强度试验前先将熟料在化验室Φ500 mm×500 mm小磨中与二水石膏磨细至符合《硅酸盐水泥熟料》(GB/T 21372-2008)的PI型硅酸盐水泥，然后按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB17671)进行试验。具体结果见表4所示。

由表4中可以看出，随着轮胎颗粒掺量的增多，熟料中三氧化硫含量有所增加。《硅酸盐水泥熟料》(GB/T 21372-2008)要求熟料中SO₃<1.5%,该公司把内控指标设置在1.0%。当轮胎掺加量在4.0 t/h时，熟料中SO₃含量仍远远小于企业内控指标。

强度是水泥企业烧制熟料最为关心的项目之一，从表4可以看出，随着轮胎颗粒掺量的增多，熟料的强度并没有发生明显变化。

3.2.2 PI型硅酸盐水泥的SO₃和凝结时间

为了考察不同轮胎掺量对PI型硅酸盐水泥有关指标的影响，笔者对PI型硅酸盐水泥中SO₃、标准稠度用水量、凝结时间进行检测，结果见表5所示。

由表5可知，随着轮胎量的增加，PI型硅酸盐水泥中SO₃的量也在增加。《通用硅酸盐水泥》(GB175-2023)要求硅酸盐水泥中SO₃≤3.5%,表5结果完全符合标准要求。从表5还可看出，这部分增加的硫酸盐对水泥中凝结时间的影响可以忽略。

3.3 节煤效果

以上工业试验表明，该公司每小时使用4t废旧轮胎替代4t实物煤，并配套使用脱硫粉剂Ca(OH)₂,熟料和水泥质量没有受到影响，能基本实现降低煤炭使用量和资源化利用废旧轮胎的目标。

4 结束语

废旧轮胎水分低、热值高，是水泥熟料煅烧的优质替代燃料，但硫含量高作为一个限制性因素一直制约着废旧轮胎作为替代燃料的推广应用。福建龙麟环境工程有限公司将脱硫粉剂Ca(OH)₂随生料加入预热器，利用水泥窑系统不同温度下的化学反应，可以将水泥原材料、煤炭和废旧轮胎中大部分S固化到熟料中。该工业试验表明，废旧轮胎作为燃料，替代率达到13%时，烧成系统热工制度稳定，熟料和水泥质量均合格。

——作者：金霞1，孙光举1，黄永生2，刘小刚1，钟向东2

——单位：1.龙岩市产品质量检验所；2.福建龙麟环境工程有限公司

——来源：《新世纪水泥导报》2024年5期

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