水泥窯協(xié)同處置廢舊輪胎節(jié)煤降碳效果研究

張敏娜，鄧洋，錢景春，韓慧澤，曹斌，孫志濤

（北京金隅紅樹林環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102402）

廢舊輪胎是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中不可避免的產(chǎn)物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國橡膠輪胎外胎累計(jì)產(chǎn)量達(dá)8.99億條，我國每年產(chǎn)生廢舊輪胎數(shù)量約3.30億條，折合重量約1300萬噸[1]，而且輪胎產(chǎn)量每年以6%—8%的速度增長，隨之而來的就是相應(yīng)數(shù)量的廢舊輪胎亟待處理。廢舊輪胎具有含碳量高、揮發(fā)分含量較高、熱值高和水分低等特性[2]，將其破碎為輪胎膠粒進(jìn)行有效熱能利用，作為水泥行業(yè)化石燃料替代，可降低水泥行業(yè)對(duì)原煤的消耗。對(duì)水泥企業(yè)來說，利用高熱值廢物替代天然化石燃料，不僅具有與協(xié)同處置其他固體廢物基本相同的社會(huì)效益和環(huán)境效益，還能顯著提升經(jīng)濟(jì)效益。

目前，我國水泥行業(yè)使用廢舊輪胎膠粒作為替代燃料還處于試驗(yàn)階段，在投加輪胎膠粒入窯的節(jié)煤降碳效果和熱量替代率方面的研究基本空白，尚無有代表性的摻燒數(shù)據(jù)作為支撐。本研究基于某水泥廠現(xiàn)有水泥窯協(xié)同處置設(shè)施開展摻燒廢舊輪胎膠粒的工程試驗(yàn)，分析摻燒廢舊輪胎膠粒對(duì)水泥窯節(jié)煤降碳效果的影響，為水泥窯協(xié)同處置廢舊輪胎作為替代燃料的技術(shù)推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期為水泥行業(yè)利用替代燃料助力碳減排提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用材料理化特性分析

在試驗(yàn)開展前對(duì)廢舊輪胎膠粒和試驗(yàn)期間所用煤炭進(jìn)行取樣分析，具體分析結(jié)果見表1。試驗(yàn)用廢舊輪胎膠粒相比于煤熱值較低，全硫含量較高。輪胎膠粒具有揮發(fā)分含量較高、熱值高和水分低等特性。按照輪胎膠粒及煤炭的發(fā)熱量進(jìn)行換算，在熱轉(zhuǎn)化率100%的情況下，理論上1.15t試驗(yàn)用輪胎膠?？梢蕴娲?t試驗(yàn)煤炭，具體節(jié)煤效果待工程試驗(yàn)后進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)選擇采用廢舊輪胎破碎后的膠粒（5—10mm）替代部分煤炭生產(chǎn)水泥熟料。試驗(yàn)依托某水泥企業(yè)一條7200t/d水泥熟料生產(chǎn)線進(jìn)行試驗(yàn)研究。該研究采用梯度試驗(yàn)，分為空白對(duì)照工況（僅為煤）和協(xié)同處置工況（煤和輪胎膠粒）。利用該窯現(xiàn)有的喂料系統(tǒng)通過準(zhǔn)確的計(jì)量后，將輪胎膠粒喂入分解爐內(nèi)充分燃燒，分別以0t/h、2t/h、4t/h的喂料速度進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)輪胎膠粒喂料量、尾煤用量、碳減排等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，為后期替代燃料的使用及企業(yè)節(jié)能降碳提供指導(dǎo)。

1.3 熱量替代率核算方法

我國水泥窯協(xié)同處置可燃廢物或替代燃料應(yīng)用技術(shù)處在初級(jí)階段，本研究統(tǒng)一使用熱量替代率（Thermal Subtitution Rate,TSR）表述使用的可燃廢物熱量占所需全部熱量的百分比，TSR是衡量水泥窯協(xié)同處置輪胎膠粒提供熱量比例的指標(biāo)，表征節(jié)省煤炭的百分比[3]。熟料需要的總熱量（Q）及窯尾需要的熱量（Qw）計(jì)算方法如式①、②所示：

替代燃料或可燃廢物中的可燃物提供的熱量計(jì)算方法如式③所示：

整條熟料線的熱量替代率TSR計(jì)算方法如式④所示：

式中：Q為水泥窯爐所需的總熱量，kJ/h；Qt為窯頭所需的熱量，kJ/h；Qw為窯尾所需要的熱量，kJ/h；q為熟料的單位熱耗，kJ/（kg·cl）；G為熟料平均日產(chǎn)量，t/d；kw為窯尾熱量分配系數(shù)；Q'為可燃物所提供的熱量，kJ/h；Qt'為窯頭喂入可燃物所提供的熱量，kJ/h；Qw'為窯尾喂入可燃物所提供的熱量，kJ/h。

1.4 碳減排核算方法

目前，我國水泥行業(yè)碳排放核算的指導(dǎo)性文件為《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 水泥》（HJ 2519—2012），此標(biāo)準(zhǔn)附錄規(guī)定了水泥生產(chǎn)CO2排放量的計(jì)算方法，其中熟料煅燒工藝過程可燃廢物燃燒產(chǎn)生的CO2排放量計(jì)算方法如⑤所示：

式中：Pα為化石燃料中的碳燃燒產(chǎn)生的CO2，t；Pβ為生物質(zhì)燃料中的碳燃燒產(chǎn)生的CO2，t；Aj為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)可燃廢物量，t；Qnaj為可燃廢物加權(quán)平均低位發(fā)熱量，MJ/kg；Faj為CO2排放因子，kg/MJ；αj為化石燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；βj為生物質(zhì)燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；j為種類。

可燃廢物節(jié)約燃煤A煤及碳排放P煤（不考慮熱耗變化）計(jì)算方法[4]如⑥所示：

式中：h為含水率，%；c1為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；c2為水的氣化潛熱，kJ/kg；c3為水在氣體溫度時(shí)的比熱容，kJ/（kg·℃）；T為C1出口氣體溫度，℃；s為熟料產(chǎn)量，t/d；p1為標(biāo)準(zhǔn)煤排放因子，tCO2/t。

2 結(jié)果與討論

輪胎膠粒喂量給定值為0t/h時(shí)，為空白試驗(yàn)組，尾煤用量平均值為28.1t/h；輪胎膠粒喂量給定值為2t/h時(shí)，尾煤用量平均值為26.5t/h；輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時(shí)，尾煤用量平均值為24.8t/h。對(duì)輪胎膠粒投加前后的尾煤實(shí)際用量進(jìn)行分析，其投加過程中具體波動(dòng)情況見下圖。

廢舊輪胎膠粒投加中尾煤變化趨勢(shì)

由上圖可以看出，輪胎膠粒使用后尾煤量明顯降低。本試驗(yàn)喂料入分解爐，只有窯尾存在熱量替代率，用TSRw表示。我國絕大多數(shù)水泥熟料線窯頭的熱量分配系數(shù)為40%，窯尾的熱量分配系數(shù)為60%。已知熟料單位熱耗q=3014kJ/（kg·cl），熟料實(shí)際產(chǎn)量G=9455t/d，試驗(yàn)期間輪胎膠?？傁牧繛?44t，當(dāng)輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時(shí)，根據(jù)式①②計(jì)算可知，熟料TSR線需要的總熱量Q為1.19×109kJ/h，窯尾需要的熱量Qw為7.12×108kJ/h，窯尾喂入輪胎膠粒所提供的熱量為8.70×107kJ/h，窯尾TSR為12.2%，水泥熟料線TSR為7.31%。

利用破碎后的輪胎膠粒作為替代燃料，實(shí)現(xiàn)了廢舊輪胎的減量化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了化石燃料替代[5]，減少了水泥生產(chǎn)過程中CO2的排放，水泥熟料生產(chǎn)線、輪胎膠粒及碳排放相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 水泥熟料生產(chǎn)線、輪胎膠粒及碳排放參數(shù)

試驗(yàn)期間廢舊輪胎膠粒總消耗量為144t，共節(jié)約用煤118t，每1.22t廢舊輪胎膠粒在生產(chǎn)水泥試驗(yàn)過程中可以節(jié)約1t煤，據(jù)此測(cè)算出廢舊輪胎膠粒熱效率轉(zhuǎn)化率為94.3%。根據(jù)式⑥計(jì)算可知，采用水泥窯協(xié)同處置摻燒廢舊輪胎膠粒生產(chǎn)水泥試驗(yàn)過程中，節(jié)約標(biāo)煤耗7.53kgce/（t·cl），節(jié)約碳排放量20.7kgCO2/（t·cl）。需要注意的是，燃燒替代燃料排放的CO2與其中的生物質(zhì)碳含量有關(guān)[8]，廢舊輪胎中生物質(zhì)碳的含量為80%，根據(jù)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求》（GB/T 32151.8—2015）規(guī)定，不計(jì)入生產(chǎn)中的碳排放核算。

根據(jù)《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 30485—2013）[9]規(guī)定，利用水泥窯協(xié)同處置固體廢物時(shí)，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值須符合《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4915—2013）[10]，由于廢舊輪胎膠粒中硫含量較高，因此需要重點(diǎn)關(guān)注水泥窯協(xié)同處置廢舊輪胎膠粒作為替代燃料時(shí)是否會(huì)排放出更多污染物。根據(jù)窯尾煙氣排放出口常規(guī)監(jiān)測(cè)可知，采用水泥窯協(xié)同處置膠粒后的SO2排放濃度從17.3mg/Nm3增加到18.4mg/Nm3，NOx的排放濃度從43.1mg/Nm3增加到43.7mg/Nm3，增長幅度不大且遠(yuǎn)低于現(xiàn)行的水泥排放標(biāo)準(zhǔn)限值。從窯尾煙氣排放情況來看，摻燒廢舊輪胎膠粒未引起水泥窯特征污染物SO2和NOx的明顯增加，再加上水泥窯的煙氣處理裝置的作用，并不會(huì)造成污染物排放超標(biāo)。

3 結(jié)語

本研究利用水泥窯協(xié)同處置設(shè)施開展摻燒廢舊輪胎膠粒的工程試驗(yàn)，對(duì)廢舊輪胎膠粒作為衍生燃料進(jìn)行節(jié)煤降碳效果分析，結(jié)果表明：（1）在此工況下，膠粒衍生燃料使用后尾煤量明顯降低，當(dāng)輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時(shí)，TSR為12.2%。（2）在試驗(yàn)過程中，協(xié)同處置1.22t廢舊輪胎膠?？晒?jié)約1t煤，節(jié)約標(biāo)煤耗7.53kgce/（t·cl），減少碳排放20.7kgCO2/（t·cl）。（3）從窯尾煙氣排放情況來看，摻燒廢舊輪胎膠粒作為替代燃料未引起水泥窯特征污染物SO2和NOx排放的明顯增加。利用高熱值的可燃廢物是水泥企業(yè)減少碳排放的有效路徑之一，利用高熱值可燃廢物含有的生物質(zhì)碳可減少對(duì)化石碳的依賴，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程中的碳減排。