水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

发布时间:2019-05-30 作者:洁普智能环保

  将废旧轮胎开发为水泥生产替代燃料,可以减少温室气体排放,降低不可再生资源的消耗,已成为水泥企业节能降耗的发展趋势。北京某某环保科技有限公司开展了废旧轮胎入窑利用中试研究,简述了废弃轮胎的化学组成和特性以及轮胎利用的整体方案,比较了轮胎入窑前后的窑工艺参数、熟料质量和污染物排放水平,指出轮胎替代燃料技术可行,分析了存在的问题,提出了几点建议,旨在促进废旧轮胎替代燃料的规模化应用。

  近十多年来,水泥工业在协同处置固废方面进行了诸多实践,取得了初步业绩,目前配备协同处置的水泥窑占总数的6%以上,水泥工业的利废环保功能逐渐得到释放。对水泥企业来说,利用高热值废弃物替代天然化石燃料,不仅具有与协同处置其它固废基本相同的社会效益和环保效益,还能显著提升其经济效益,具有日益增长的需求和广阔的发展前景。与此同时,我国废旧轮胎年产达2.33亿条(约合860万吨),97%以上的废轮胎被丢弃或露天堆放,而1t废轮胎相当于1.14t标煤,废旧轮胎是放错位置的资源。因此利用废旧轮胎作水泥窑替代燃料既可以无害化处置废弃物,保护生态环境,又能节约天然能源,一举两得。基于上述理念,北京某某环保科技有限公司[以下简称“某某公司”]对废旧轮胎入窑利用进行了现场试验,本文将对现场试验情况作简要分析。

1.轮胎化学成分和特性

  汽车轮胎材料的主要成分大致为50%的橡胶、25%的炭黑、15%的钢丝、10%的硫氧化锌和硫助剂等。废旧轮胎样品的工业分析、元素分析及灰分化学组成的数据见表1。

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

  由表1可知,轮胎的燃烧热值很高,作为水泥回转窑替代燃料的潜力巨大。废旧轮胎是国际水泥工业使用最广泛的替代燃料,可以将熟料热耗降低到3MJ/kg左右,且对喂料系统及设备改动最小,具有可观的经济效益。但也有研究表明,掺烧废旧轮胎会带来SO2排放增加的风险。另外,由于燃烧残留的副产物最终会掺入到熟料中,如果影响到水泥的质量,轮胎替代燃料也会难以应用,所以需要关注轮胎灰分对熟料质量的影响。

2.废旧轮胎利用的总体方案

  废弃轮胎作为替代燃料,主要有两种方式:一是将整轮胎喂入分解炉或分解炉旁的预燃炉,整轮胎气化分解后的可燃气体送入分解炉提供热量;二是将整轮胎先经预处理切成碎片,再通过准确计量后,喂入分解炉内充分燃烧。由于第一种方式需要的改造较大,为尽可能减少投资和改造带来的影响,某某公司制定了从废弃轮胎切碎开始至轮胎切片喂入现有生产线分解炉的生产线系统:包括轮胎破碎及粒径控制的预处理系统、轮胎计量和输送系统、轮胎碎片的喂料和控制系统。轮胎破碎处理及入窑利用过程如下:

  废旧轮胎通过皮带输送机送入撕碎机内,撕碎箱内刀片主轴通过电机、减速机变速获得中速旋转,把轮胎剪、切、挤、压,撕成小块物体,从出料斗排出,最后出来的产品轮胎碎片喂入2#窑系统的分解炉,2#窑系统的生产能力为2500t/d。

  轮胎切片的尺寸大小决定其在分解炉中是否充分燃烧,而对于轮胎破碎系统,出料尺寸减小时,处理难度逐渐增加,破碎系统的投资和运行成本也急剧增加,轮胎破碎失去整体的经济性。结合相关应用经验进行综合考虑,设计将轮胎切片的3D尺寸确定为95%小于50mm。

  试验期间,轮胎破碎和入窑利用的现场情况如图1和图2所示。

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

3.入窑试验

  3.1 试验基本情况

  破碎轮胎入窑试验的思路是:首先采集测试前1天的窑工艺数据及排放的空白数据、空白期间煤粉工业分析数据、熟料率值及SO3含量、熟料3天强度等关键参数;然后,设定测试时间和破碎轮胎喂料量,达到要求时确定为试验开始时间,同时记录或测定窑工艺数据和排放数据等的变化。以达到全面对比废旧轮胎入窑带来的影响,摸索和总结废旧轮胎入窑利用的经验。琉水公司先后进行了两次轮胎碎片替代燃煤的试验,第一次试验的空白值和试验情况见表2和表3。第二次试验的空白值和试验情况见表4和表5。

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

  在两次废旧轮胎试验期间,破碎轮胎喂入量平均2.46和2.76t/h,平均1t轮胎替代标煤分别为0.58t和0.46t,与理论上1t轮胎替代1.14t标煤相比差距较大。其原因如下:

  (1)轮胎因破碎粒度较大,不完全燃烧产生CO,部分CO在分解炉以上部位继续燃烧,其产生的热量并不能明显减少窑尾的喂煤量,造成轮胎燃烧效率的降低。

  (2)测试期间尾煤秤波动对测试结果有一定影响。

  (3)轮胎碎片中含有钢丝,钢丝并没有热值且还要升温吸热,抵消了一部分轮胎燃烧产生的热量。

  3.2污染物排放情况

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

  从各部位的烟气成分分析看,加轮胎碎片后燃烧不完全,CO含量增高,轮胎碎片加入量越大燃烧不完全情况越明显。从窑尾废气的排放情况来看,掺烧轮胎未引起水泥窑特征污染物SO2和NOx的增加,且轮胎碎片在加入过程中在同样排放情况氨水用量有下降趋势,说明掺烧轮胎可抑制NOx的排放。

  3.3熟料质量情况

  轮胎入窑利用的试验期间对熟料强度和游离钙指标进行了比对,熟料强度和游离钙变化情况如表7和表8所示:

水泥窑协同处置废旧轮胎研究分析

  由表7、8可知,试验期间熟料强度没有明显变化,同时发现窑头废气温度提高了20-50℃,略有增加。窑头温度是了解窑内熟料煅烧质量的指标,从窑头温度指标变化也可以看出来,孰料不存在煅烧不完全的情况,孰料质量未受到影响。综合可知,掺加轮胎对熟料质量的影响不明显。

4.存在的问题

  (1)废旧轮胎破碎和输送成本比较高,破碎后的大粒径(60mm),易对入窑输送设备造成堵塞,进行规模化应用时,需要整体考虑其经济性。

  (2)在轮胎碎片加入量不稳定以及受尾煤波动等因素影响时,会使SO2超标排放的几率增大,如果要用轮胎替代燃煤必须同时考虑降低SO2排放的措施,以便在SO2超标时能够迅速的将废气中SO2降下来。

5.结论和建议

  尽管废旧轮胎作为水泥厂燃料已经被众多国家的许多企业证明为经济可行,但这并非意味着可以照搬照抄,通过开展破碎轮胎入窑利用现场试验,某某公司结合自身特点,总结经验,推动废旧轮胎的规模化利用。试验期间,由于喂入不稳定造成分解炉喂煤频繁调整,对窑况有一定影响,尾煤喂入量要预留一定的调整空间,轮胎碎片喂入越稳定,尾煤喂入量要预留的调整空间可以越小,一般至少要预留5t/h以上的调整空间。将废旧轮胎作为替代燃料用于水泥生产时,水泥质量完全符合标准,环保排放也能够达到有关标准的要求,并不会对环境产生影响。

  将废弃轮胎进行有效的热能利用以代替水泥生产可替代燃料,最大限度降低了水泥生产对原煤的消耗,是水泥工业降低成本的重要手段,在国内尚未建立相应标准与监督管理体系时,水泥企业应当应对需求,实践先行,探索更好的技术和合作模式。