水泥窯協同處置廢舊輪胎節煤降碳效果研究

張敏娜，鄧洋，錢景春，韓慧澤，曹斌，孫志濤

（北京金隅紅樹林環保技術有限責任公司，北京 102402）

廢舊輪胎是國民經濟發展過程中不可避免的產物。據統計，2021年我國橡膠輪胎外胎累計產量達8.99億條，我國每年產生廢舊輪胎數量約3.30億條，折合重量約1300萬噸[1]，而且輪胎產量每年以6%—8%的速度增長，隨之而來的就是相應數量的廢舊輪胎亟待處理。廢舊輪胎具有含碳量高、揮發分含量較高、熱值高和水分低等特性[2]，將其破碎為輪胎膠粒進行有效熱能利用，作為水泥行業化石燃料替代，可降低水泥行業對原煤的消耗。對水泥企業來說，利用高熱值廢物替代天然化石燃料，不僅具有與協同處置其他固體廢物基本相同的社會效益和環境效益，還能顯著提升經濟效益。

目前，我國水泥行業使用廢舊輪胎膠粒作為替代燃料還處于試驗階段，在投加輪胎膠粒入窯的節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據作為支撐。本研究基于某水泥廠現有水泥窯協同處置設施開展摻燒廢舊輪胎膠粒的工程試驗，分析摻燒廢舊輪胎膠粒對水泥窯節煤降碳效果的影響，為水泥窯協同處置廢舊輪胎作為替代燃料的技術推廣提供基礎數據，以期為水泥行業利用替代燃料助力碳減排提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗用材料理化特性分析

在試驗開展前對廢舊輪胎膠粒和試驗期間所用煤炭進行取樣分析，具體分析結果見表1。試驗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熱量進行換算，在熱轉化率100%的情況下，理論上1.15t試驗用輪胎膠粒可以替代1t試驗煤炭，具體節煤效果待工程試驗后進行分析。

1.2 試驗研究

本試驗選擇采用廢舊輪胎破碎后的膠粒（5—10mm）替代部分煤炭生產水泥熟料。試驗依托某水泥企業一條7200t/d水泥熟料生產線進行試驗研究。該研究采用梯度試驗，分為空白對照工況（僅為煤）和協同處置工況（煤和輪胎膠粒）。利用該窯現有的喂料系統通過準確的計量后，將輪胎膠粒喂入分解爐內充分燃燒，分別以0t/h、2t/h、4t/h的喂料速度進行試驗，對輪胎膠粒喂料量、尾煤用量、碳減排等關鍵指標進行分析，為后期替代燃料的使用及企業節能降碳提供指導。

1.3 熱量替代率核算方法

我國水泥窯協同處置可燃廢物或替代燃料應用技術處在初級階段，本研究統一使用熱量替代率（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是衡量水泥窯協同處置輪胎膠粒提供熱量比例的指標，表征節省煤炭的百分比[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算方法如式③所示：

整條熟料線的熱量替代率TSR計算方法如式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為熟料平均日產量，t/d；kw為窯尾熱量分配系數；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，我國水泥行業碳排放核算的指導性文件為《環境標志產品技術要求 水泥》（HJ 2519—2012），此標準附錄規定了水泥生產CO2排放量的計算方法，其中熟料煅燒工藝過程可燃廢物燃燒產生的CO2排放量計算方法如⑤所示：

式中：Pα為化石燃料中的碳燃燒產生的CO2，t；Pβ為生物質燃料中的碳燃燒產生的CO2，t；Aj為統計期內可燃廢物量，t；Qnaj為可燃廢物加權平均低位發熱量，MJ/kg；Faj為CO2排放因子，kg/MJ；αj為化石燃料中碳的質量分數，%；βj為生物質燃料中碳的質量分數，%；j為種類。

可燃廢物節約燃煤A煤及碳排放P煤（不考慮熱耗變化）計算方法[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為水在氣體溫度時的比熱容，kJ/（kg·℃）；T為C1出口氣體溫度，℃；s為熟料產量，t/d；p1為標準煤排放因子，tCO2/t。

2 結果與討論

輪胎膠粒喂量給定值為0t/h時，為空白試驗組，尾煤用量平均值為28.1t/h；輪胎膠粒喂量給定值為2t/h時，尾煤用量平均值為26.5t/h；輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時，尾煤用量平均值為24.8t/h。對輪胎膠粒投加前后的尾煤實際用量進行分析，其投加過程中具體波動情況見下圖。

廢舊輪胎膠粒投加中尾煤變化趨勢

由上圖可以看出，輪胎膠粒使用后尾煤量明顯降低。本試驗喂料入分解爐，只有窯尾存在熱量替代率，用TSRw表示。我國絕大多數水泥熟料線窯頭的熱量分配系數為40%，窯尾的熱量分配系數為60%。已知熟料單位熱耗q=3014kJ/（kg·cl），熟料實際產量G=9455t/d，試驗期間輪胎膠粒總消耗量為144t，當輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時，根據式①②計算可知，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，實現了廢舊輪胎的減量化，同時也實現了化石燃料替代[5]，減少了水泥生產過程中CO2的排放，水泥熟料生產線、輪胎膠粒及碳排放相關參數見表2。

表2 水泥熟料生產線、輪胎膠粒及碳排放參數

試驗期間廢舊輪胎膠粒總消耗量為144t，共節約用煤118t，每1.22t廢舊輪胎膠粒在生產水泥試驗過程中可以節約1t煤，據此測算出廢舊輪胎膠粒熱效率轉化率為94.3%。根據式⑥計算可知，采用水泥窯協同處置摻燒廢舊輪胎膠粒生產水泥試驗過程中，節約標煤耗7.53kgce/（t·cl），節約碳排放量20.7kgCO2/（t·cl）。需要注意的是，燃燒替代燃料排放的CO2與其中的生物質碳含量有關[8]，廢舊輪胎中生物質碳的含量為80%，根據《溫室氣體排放核算與報告要求》（GB/T 32151.8—2015）規定，不計入生產中的碳排放核算。

根據《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》（GB 30485—2013）[9]規定，利用水泥窯協同處置固體廢物時，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值須符合《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB 4915—2013）[10]，由于廢舊輪胎膠粒中硫含量較高，因此需要重點關注水泥窯協同處置廢舊輪胎膠粒作為替代燃料時是否會排放出更多污染物。根據窯尾煙氣排放出口常規監測可知，采用水泥窯協同處置膠粒后的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，增長幅度不大且遠低于現行的水泥排放標準限值。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，并不會造成污染物排放超標。

3 結語

本研究利用水泥窯協同處置設施開展摻燒廢舊輪胎膠粒的工程試驗，對廢舊輪胎膠粒作為衍生燃料進行節煤降碳效果分析，結果表明：（1）在此工況下，膠粒衍生燃料使用后尾煤量明顯降低，當輪胎膠粒喂量給定值為4t/h時，TSR為12.2%。（2）在試驗過程中，協同處置1.22t廢舊輪胎膠粒可節約1t煤，節約標煤耗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碳可減少對化石碳的依賴，進一步實現水泥生產過程中的碳減排。