摘 要：文章针对单一废纺、塑料及废纺与塑料配料分别进行燃烧特性分析，结果表明纯废纺发热量低且变化较大无法满足稳定窑况的需求，塑料发热量较高同时氯离子也较高，不利于成品质量控制，两者以特定的比例配合不仅提升能燃烧性能，同时能降低氯离子的危害，热分析结果研究表明塑料燃烧过程包含在废纺燃烧过程之中，两者最大燃烧速率接近，不会出现分段燃烧导致燃烧不集中的现象，放热稳定集中。

关键词：废纺；塑料；配料；发热量；燃烧特性

0 引言

水泥行业是碳排放量较大的行业，现阶段我国熟料生产年碳排放量约为13.65亿t，占全国总碳排放量的16%。因此，水泥行业的低碳发展对实现碳达峰、碳中和目标有重要意义。为实现节能降碳、绿色发展的目标，目前水泥窑使用替代燃料尤其是废纺对此意义重大，然而各水泥厂在使用过程中多出现纯废纺热值不高、燃烧不彻底、替代率低、节煤效果差等问题，对此我们开始了废纺掺塑料的试验用以提高废纺的发热量，从各方面提高其燃烧特性。

01 试验

1.1 试验准备

本试验使用梅特勒-托利多TGA/DSC3+TH1600同步热分析仪，在采用不带盖的氧化铝坩埚外套铂金坩埚30mL及燃烧性能稳定的4种废纺A、B、C、D，4种塑料#1、#2、#3、#4，试验外部温度为22℃，吹扫气气流量为25mL/min，用纯度为99.999%的氩气，升温程序为30℃～1000℃，70mL氧化铝坩埚的条件下研究，反应气用高纯空气其气流量为50mL/min，纯度为99.999%，升温速率10K/min。

1.2 样品预处理

以上8种物料分别在105℃的干燥箱干燥3h以上进行水分试验，水分结果见表2，测水分后样品分别采用长沙旭重的自动多功能破碎机PE-250F进行破碎，出料粒径20mm以下，将所有物料分别均化后采用万用粉碎机FT-500进行粉碎，物料均破碎至0.5mm以下，各物料分别置于温湿度恒定的房间内达到平衡后密封保存；分别再取以上8种物料按废纺：塑料=6：4的比例配料分别命名为W(A+#1)、X(B+#2)、Y(C+#3)、Z(D+#4)按以上流程同步操作混合样品密封保存备用。

1.3 有害元素

氯离子和全硫均采用艾士卡法进行监测分析，通过多次化验取得平均结果见表1。

废纺和塑料全硫含量均较低对窑况影响小，但塑料氯离子含量均较高，对窑内氯离子富集会产生较大影响，经过两者按比例配料均化之后全硫含量有一定的下降，氯离子含量能控制在0.500%以下，可有效降低塑料单独处置时氯离子影响。

1.4 发热量

发热量及水分分析见表2，废纺收到基发热量普遍发热量不高，部分材料甚至低于4000×4.18J/g，忽高忽低对于熟料烧成来说影响较大，会出现替代燃料用量增大、有害元素富集、熟料欠烧、造成窑、炉内的热工制度不稳定，塑料发热量过高也会出现熟料过烧现象，均不利于窑况稳定，对此采用两种物料进行配料均质化后混合物料收到基发热量能达到5000×4.18J/g以上，融合了两者的优点同时又淡化了劣势。

02 热分析

2.1 煤粉

煤粉燃烧主要分为三个阶段，第一阶段25～100℃，吸热峰，为水分析出，第二阶段250～380℃，放热峰，为挥发分燃烧，该阶段燃烧速度较慢，释放出少量热量，第三阶段380～550℃，放热峰，为固定碳燃烧，燃烧速度相比第二阶段快，释放出大量热量。着火温度为449℃，燃尽温度为549℃，从该煤粉的DSC曲线可以看出该煤粉燃烧放热集中在450～550 ℃之间。

2.2 废纺

废纺燃烧主要分为三个阶段，第一阶段25～105℃，吸热峰，为水分析出，第二阶段250～430℃，放热峰，少量的挥发分气体开始燃烧，该阶段燃烧速度较慢，释放热量较少，第三阶段430～510℃，纤维分子开始断裂产生大量的挥发分燃烧速度更快，释放出大量热量。着火温度为404℃，燃尽温度为446℃，燃烧过程包含在煤粉燃烧过程之内，从DSC曲线可以看出该废纺燃烧放热集中在430～500℃之间，放热较为集中，废纺主要以挥发分为主，故较煤粉易于燃烧。

2.3 塑料

塑料燃烧主要分为四个阶段，第一阶段25～105℃，吸热峰，为水分析出，第二阶段100～300℃，塑料开始熔融，并开始产生挥发分可燃气体，第三阶段300～400℃，放热峰，部分挥发分气体开始燃烧，释放热量较少，并开始逐步蔓延到其它位置，第四阶段400～490℃，燃烧热与加热邻接材料到燃烧状态所需的热量之差大于0，塑料燃烧速度进一步加快，燃烧速率达到最大，释放出大量热量。着火温度为395℃，燃尽温度为452℃，燃烧过程包含在煤粉燃烧过程之内，同时燃烧过程与废纺接近，从DSC曲线可以看出该废纺燃烧放热集中在350～490℃之间，放热不集中，燃烧时间长。

2.4 废纺+塑料

废纺+塑料燃烧主要分为四个阶段，第一阶段25～105℃，吸热峰，为水分析出，第二阶段200～360℃，废纺产生部分挥发分气体开始燃烧，同时塑料开始熔融，第三阶段360～430℃，放热峰，废纺带动塑料产生部分挥发分气体同时燃烧，释放热量较第二阶段高，第四阶段450～550℃，废纺纤维分子断裂与塑料同时产生大量挥发分气体，燃烧速率达到最大，释放出大量热量。着火温度为393℃，燃尽温度为478℃，燃烧过程包含在煤粉燃烧过程之内，对比废纺热分析图可见，混合后提高了着火温度，减少了能源损耗，同时降低燃尽温度，整个过程对比单一废纺燃烧时间更短，平均燃烧速度更快，从DSC曲线可以看出该废纺燃烧放热主要集中在450～520℃之间，放热较集中。

图1 煤粉热分析谱图

图2 废纺热分析谱图

图3 塑料热分析谱图

图4 废纺+塑料热分析谱图

03 结论

(1)目前许多水泥厂对窑况稳定性要求较高，纯垃圾、废旧轮胎、塑料或固废有害元素太高，纯废纺有害元素低，但发热量较低，对此采用废纺加塑料配料后进行预处理在控制氯离子的前提下可有效提高其燃烧特性。

(2)塑料和废纺两者最大燃烧速率、着火温度与燃尽温度接近，塑料燃烧过程温度完全包含在废纺燃烧过程的温度之内，配料之后不仅提高了发热量降低了氯离子含量，整个燃烧过程没有分段燃烧现象，更具有连续性，放热更集中，燃烧时间更短。

(3)物料在配料之后更加易于着火，塑料带动废纺进一步燃烧，物料燃烧更加彻底，提高了燃尽率，从侧面提高了替代燃料替代燃煤的替代率。

(4)配料后增加了物料燃烧性能的稳定性，在协同处置过程中对窑炉影响降低，可有效降低单独处置各种替代燃料时分解炉温度和窑内负压波动。

(5)配料后的物料整个燃烧过程包含在煤粉燃烧过程之内，使用过程中对煤粉燃烧无影响，不会出现分段放热现象导致熟料烧制不好，不会影响熟料质量。

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作者：胡梦楠

单位：葛洲坝宜城水泥有限公司

来源：水泥工程2023年第6期