水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)在《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程中的運(yùn)用

林秀玲,范 穎

(安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

復(fù)合材料集合了各種單一材料的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。各種材料復(fù)合之后，即保留高分子材料質(zhì)量輕，金屬材料強(qiáng)度高，無(wú)機(jī)材料功能強(qiáng)的特點(diǎn)，又賦予復(fù)合材料許多新功能。對(duì)于復(fù)合材料專業(yè)的本科生，學(xué)習(xí)復(fù)合材料的制備工藝是必不可少的。本校面對(duì)本科生開(kāi)設(shè)的《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》這門課程根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，內(nèi)容側(cè)重于樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型工藝和設(shè)備，根據(jù)熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂物化性質(zhì)的不同介紹多種成型方法。學(xué)生通過(guò)教學(xué)實(shí)習(xí)及本門課程學(xué)習(xí)已經(jīng)掌握了諸如塑料杯、玻璃鋼座椅等產(chǎn)品的成型工藝，但是，從各種教學(xué)參考書(shū)籍及本校復(fù)合材料專業(yè)所用教材來(lái)看，《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》這門課程不包括樹(shù)脂基復(fù)合材料的回收工藝。線型結(jié)構(gòu)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型獲得制品后，如果加熱仍然可以流動(dòng)，進(jìn)而再次成型，廢棄物的回收處理相對(duì)容易。而熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是利用交聯(lián)劑與樹(shù)脂之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來(lái)成型的，成型后再加熱材料不能熔化，固體廢棄物的回收難度較大。伴隨著工業(yè)技術(shù)和各種新興材料的發(fā)展，熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料在民用和工用領(lǐng)域的比例不斷拓展，這些產(chǎn)品的廢棄物回收問(wèn)題也成為一個(gè)橫亙?cè)谌藗兠媲暗木薮髥?wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)處理熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要方法，其一是就地填埋，大面積填埋占用的土地?zé)o法進(jìn)行生產(chǎn)，造成土地資源浪費(fèi)。二是焚燒，焚燒會(huì)污染空氣。為了減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，順應(yīng)當(dāng)下環(huán)保的潮流，科研工作者[1-3]不斷努力，研究新的回收處理方式，提高其回收利用效率，使其在現(xiàn)實(shí)生活中的利用成為可能，為工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

鑒于此，為了讓學(xué)生掌握熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的回收工藝，以滿足復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等多個(gè)方面對(duì)水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)在《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程中的運(yùn)用進(jìn)行探討。

1 《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程教學(xué)目標(biāo)

目標(biāo)1：能夠較全面和系統(tǒng)地理解各種成型工藝原理、原料、流程、特點(diǎn)和選擇原則。能夠根據(jù)產(chǎn)品要求，設(shè)計(jì)合適的成型工藝及流程；目標(biāo)2：能將復(fù)合材料成型原理運(yùn)用到復(fù)合材料領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制備、改性、結(jié)構(gòu)與性能分析等環(huán)節(jié)，并具有分析和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力；目標(biāo)3：具有自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，能夠不斷更新和拓展自身的知識(shí)和技能，畢業(yè)后在復(fù)合材料及相關(guān)領(lǐng)域具有產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新及經(jīng)營(yíng)管理等方面的能力與素質(zhì)。

以上是本專業(yè)《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程教學(xué)目標(biāo)，為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，增加目標(biāo)4：在達(dá)成目標(biāo)1的前提下，了解常用的固廢處理技術(shù)，并結(jié)合復(fù)合材料特點(diǎn)，能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到處理熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料廢棄物工藝中。

2 《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程內(nèi)容優(yōu)化

復(fù)合材料的成型是以基體材料的成型方法為主，適當(dāng)考慮增強(qiáng)材料的類型。顧名思義，《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程內(nèi)容是以樹(shù)脂基體為主，結(jié)合纖維增強(qiáng)材料，講授手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和擠出成型。為改進(jìn)手糊成型而創(chuàng)造的半機(jī)械化成型—噴射成型以及壓力不同而發(fā)展的RTM和RIM成型。成型工藝是每種方法必須講授的內(nèi)容，所用設(shè)備包括制備產(chǎn)品所用模具及各種儀器的主要部件，重點(diǎn)內(nèi)容是樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型原理、原材料、工藝過(guò)程及應(yīng)用[4]。手糊成型、模壓成型和纏繞成型適用于熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備，而注塑成型和擠出成型常用于熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備。線型結(jié)構(gòu)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型獲得制品后，如果加熱仍然可以流動(dòng)，進(jìn)而再次成型，廢棄物的回收處理相對(duì)容易。而熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型是利用交聯(lián)劑與樹(shù)脂之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，成型后的制品再加熱也不能熔化，固體廢棄物的回收難度較大。針對(duì)目前《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程所用教材，熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的回收處理作為補(bǔ)充內(nèi)容。補(bǔ)充內(nèi)容包括固廢處理技術(shù)和處理熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的工藝流程以及固廢處理設(shè)備。

3 水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)

水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)是利用水泥廠生產(chǎn)線的水泥窯來(lái)處理固體廢棄物。以海螺集團(tuán)旗下的川崎公司研發(fā)的一項(xiàng)固廢處理技術(shù)為例，來(lái)探討該技術(shù)在處理熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的適用性，并嘗試作為《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程內(nèi)容的補(bǔ)充部分。

水泥窯協(xié)同處置固廢后的殘?jiān)惋w灰作為水泥組分進(jìn)入水泥熟料產(chǎn)品中，不需要額外進(jìn)行填埋處置，不占用任何土地資源。對(duì)有些熱值高的固廢經(jīng)過(guò)水泥窯煅燒產(chǎn)生的熱能可被利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。水泥窯煅燒時(shí)溫度可高達(dá)1400～1800℃，窯內(nèi)呈現(xiàn)堿性環(huán)境，有機(jī)物被徹底分解，有效地遏制了固廢焚燒過(guò)程中二惡英的產(chǎn)生[5]。

回轉(zhuǎn)窯是這項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容，固體廢棄物經(jīng)過(guò)前期簡(jiǎn)單的預(yù)處理，主要的處理過(guò)程都是在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)完成的。回轉(zhuǎn)窯由多個(gè)部件組成，固廢處理主要是在圓筒形的窯體內(nèi)進(jìn)行。筒體傾斜地架在支撐裝置上，由傳動(dòng)裝置控制轉(zhuǎn)速。筒體內(nèi)的物料在熱量的作用下發(fā)生變化，處理后的產(chǎn)品從窯頭卸出。回轉(zhuǎn)窯的多個(gè)部件為固廢處理分別提供了熱量，速度和場(chǎng)所，保證了固廢中的有害成分完全分解為無(wú)害物質(zhì)，可以將重金屬污染物中的大部分重金屬固化至物料中，作為水泥熟料的原料。通過(guò)控制回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行狀態(tài)，可以保證回轉(zhuǎn)窯窯體內(nèi)的有害物質(zhì)不會(huì)溢出，而且焚燒廢棄物與水泥生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行，充分利用現(xiàn)有的工藝設(shè)備，減少投資費(fèi)用[6]。這些優(yōu)點(diǎn)使得回轉(zhuǎn)窯處理固體廢棄物是一種既經(jīng)濟(jì)又完美的處理方式。根據(jù)廢棄物狀態(tài)不同，有不同的處理流程。對(duì)于固態(tài)或低水分固態(tài)物，經(jīng)破碎后，通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)送至回轉(zhuǎn)窯直接焚燒處置；對(duì)于少量的飛灰類廢棄物，初步處理后輸入專用儲(chǔ)備倉(cāng)，然后借助外力噴射進(jìn)入窯頭進(jìn)行高溫煅燒。廢物中有害物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)充分燃燒，殘?jiān)惋w灰進(jìn)入水泥熟料中，廢物處置后的廢氣經(jīng)煙氣處理裝置凈化后排出。

利用水泥窯協(xié)同處置固廢，能夠使資源充分利用，保護(hù)環(huán)境。經(jīng)預(yù)處理后的各類固體廢棄物再經(jīng)過(guò)水泥窯處理，可替代水泥生產(chǎn)的燃料和原料使用，可以有效降低化石燃料的用量和水泥原料資源的開(kāi)發(fā)。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)使一般固廢、危廢和城市污泥等被處理產(chǎn)生新材料，提高利用率，實(shí)現(xiàn)了“減量化、無(wú)害化、資源化”[7-8]。

4 對(duì)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料處理的適用性

綜合來(lái)看，水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)實(shí)際上是將處理熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料的物理法和高溫?zé)峤夥ńY(jié)合的一種處理固廢技術(shù)。物理法即利用外力將固體廢棄物破碎成一定大小的顆粒，經(jīng)過(guò)分選后再根據(jù)其特點(diǎn)選擇不同的應(yīng)用領(lǐng)域。高溫?zé)峤夥ㄊ抢脽崃快褵裏峁绦詷?shù)脂基復(fù)合材料，在此過(guò)程中，因?yàn)闃?shù)脂的降解導(dǎo)致樹(shù)脂基體和無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料分離。樹(shù)脂基體的分解會(huì)產(chǎn)生有機(jī)液體燃料，而無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料的回收為水泥熟料提供了原料。水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)通過(guò)將復(fù)合材料廢棄物粉碎后加入到回轉(zhuǎn)窯中，在封閉負(fù)壓的堿性環(huán)境中，不會(huì)存在有毒氣體溢出的狀況，將有機(jī)物焚燒轉(zhuǎn)化為部分熱源，無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為水泥原材料[9]。

總的來(lái)說(shuō)，將熱固性復(fù)合材料經(jīng)過(guò)破碎后直接投入水泥窯中焚燒處理，是比較理想完善的處理方式，它考慮了熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料焚燒的飛灰填埋后重金屬和二惡英對(duì)土壤、地下水的污染。同時(shí)，熱固性復(fù)合材料在回轉(zhuǎn)窯中焚燒產(chǎn)生的熱量實(shí)際上也為回轉(zhuǎn)窯中水泥熟料的燃燒提供了部分熱量。通過(guò)負(fù)壓堿性環(huán)境的回轉(zhuǎn)窯，熱固性復(fù)合材料為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒提供了能量，為水泥熟料的生產(chǎn)提供了原材料，同時(shí)，在密封環(huán)境內(nèi)，不會(huì)存在有毒氣體以及灰分的逸出，合理規(guī)避了能量回收方法中的不利部分，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

5 結(jié)語(yǔ)

社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了生活質(zhì)量的改善，生活便利的同時(shí)產(chǎn)生了各種廢棄的垃圾，其中很多是塑料或橡膠制品。熱固性塑料由于其穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不溶不熔，更不能在自然環(huán)境中降解，給循環(huán)利用造成極大困難。尋求一種綠色、節(jié)能、高附加值的回收方式是塑料回收領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，也是復(fù)合材料專業(yè)學(xué)生在今后工作中會(huì)遇到的問(wèn)題。水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)可用于處理固體廢棄物，包括危險(xiǎn)廢棄物。為此，將水泥窯協(xié)同處置固廢技術(shù)運(yùn)用到《復(fù)合材料工藝與設(shè)備》課程中，增加熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料廢棄物的回收處理工藝與設(shè)備。該技術(shù)的運(yùn)用使學(xué)生在掌握扎實(shí)的理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)人員的職能，成為適應(yīng)行業(yè)要求的新型技術(shù)人才。