工業(yè)垃圾制RDF成型探索試驗研究

徐 兵,王棟毅,陳曉峰

(寶武集團環(huán)境資源科技有限公司,上海 201900)

1 概述

美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)將城市生活垃圾衍生燃料(RDF)分7類,見表1。對于RDF,美國一般指RDF-2和RDF-3,歐洲國家一般指RDF-3,亞洲如日本、韓國等一般指RDF-5[1]。此外歐洲發(fā)達國家還有2/3 水泥企業(yè)使用替代燃料,除RDF外,還包括廢塑料、廢輪胎、生物質(zhì)燃料和污泥等[2]。RDF-5具有粒度比較均一、熱值較高、占用空間小、易于堆存和運輸?shù)葍?yōu)點。RDF-5燃燒發(fā)電與焚燒原生垃圾發(fā)電方式比,不僅在能源利用率上得到較大的提高,而且環(huán)境污染得到有效降低[3]。中國工程熱物理所與日本IHI公司合作建立了國內(nèi)首條RDF-5中試線至北京阿蘇衛(wèi)生活垃圾綜合工程建設(shè)生活垃圾衍生燃料(RDF-5)示范線[4-6],我國對生活垃圾制RDF-5進行了大量的研究和實踐。同時生物質(zhì)顆粒燃料也得到發(fā)展應(yīng)用,2010年我國農(nóng)業(yè)部發(fā)布了NY/T 1881 《生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法》等系列標準。目前在我國,RDF主要用于焚燒發(fā)電和水泥窯協(xié)同處置利用,在水泥窯協(xié)同處置城市生活垃圾方面,形成了海螺CKK系統(tǒng)、華新HWT系統(tǒng)和中材國際為代表的垃圾處理技術(shù)[7]。

表1 RDF分類(美國ASTM)Table 1 RDF Classification (ASTM USA)

世界發(fā)達地區(qū)如日本鋼鐵企業(yè)在20世紀90年代就開始開展利用熱態(tài)爐窯(如焦爐、高爐等)協(xié)同處置城市垃圾[8-9]。2014年以來,我國鼓勵鋼鐵企業(yè)開展熱態(tài)爐窯協(xié)同處置固廢試點工作。劉劍平[10]等的試驗研究表明:采用轉(zhuǎn)爐焚燒處置廢油漆涂料桶具有處置量大、焚燒溫度高、有機物分解徹底等多項優(yōu)點,處置過程中各項污染物排放指標均未惡化且達到相關(guān)標準;為了改善運輸和投料條件,廢油漆涂料桶采用打包壓塊等方式進行預(yù)處理。我國科技部“固廢資源化”重點專項2020 年度項目申報指南就提到形成鋼鐵冶煉重點行業(yè)典型高溫工業(yè)爐窯超潔凈協(xié)同處置多源城市固廢成套技術(shù)和裝備。泉州閩光鋼鐵開展了轉(zhuǎn)爐焚燒處理可燃工業(yè)垃圾研究工作[11],實踐表明,轉(zhuǎn)爐焚燒處理可燃物工業(yè)垃圾(除塵布袋、填充料和PVC等)具有二次污染小、無害化徹底、資源化利用程度高等特點,符合處理垃圾無害化、減量化和資源化的原則。寶武環(huán)科配合寶鋼股份等在多個基地進行了轉(zhuǎn)爐協(xié)同處置廢棄除塵袋等工業(yè)垃圾試點工作,在試點過程中發(fā)現(xiàn),由于沒有對工業(yè)垃圾進行進一步的破碎、壓型等預(yù)處理,相比于投入的工業(yè)垃圾質(zhì)量,體積占比較大。相對于垃圾焚燒爐和水泥窯等,將可燃工業(yè)垃圾壓制成RDF-5,可大幅降低工業(yè)垃圾入爐體積,有利于鋼鐵冶煉熱態(tài)爐窯協(xié)同處置。

目前寶武寶山基地工業(yè)垃圾中品質(zhì)較好的包裝紙、木材、金屬、塑料等分類回收工業(yè)垃圾可經(jīng)預(yù)處理后資源化利用,但其余的工業(yè)垃圾混合尾料中仍有部分可燃工業(yè)垃圾。寶武寶山基地擁有全流程的熱態(tài)爐窯(焦爐、燒結(jié)、高爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、轉(zhuǎn)底爐、焚燒爐等),此外寶武環(huán)科正策劃將寶山基地停役石灰窯(回轉(zhuǎn)窯)區(qū)域改造成寶山再生資源利用中心,對于寶山基地這樣典型的城市鋼廠而言,利用鋼廠內(nèi)熱態(tài)爐窯協(xié)同處置工業(yè)垃圾值得探索和研究,而將工業(yè)垃圾壓制成型可為入爐創(chuàng)造有利條件。目前RDF-5的生產(chǎn)工藝流程主要包括破碎、分選、成型[12-14],因試驗條件有限,寶武環(huán)科針對寶山基地工業(yè)垃圾尾料分選出的一定批次可燃工業(yè)垃圾為主的試驗料進行RDF成型探索試驗研究,以初步了解多種成型工藝的成型效果。

2 工業(yè)垃圾成型探索試驗

2.1 工藝選擇

目前垃圾成型主要有以下幾種,詳見圖1～4。成型工藝主要分為螺旋擠壓、活塞沖壓和模輥擠壓(含環(huán)模輥壓和平模輥壓)等方式。模輥擠壓具有生產(chǎn)率高、成型率高等優(yōu)點,是目前發(fā)展的重點[15-16]。針對寶山基地工業(yè)垃圾尾料,通過文獻資料查閱以及國內(nèi)外相關(guān)成型設(shè)備制造企業(yè)的充分交流,最終選定在成型探索試驗中采用環(huán)模輥壓工藝為主,活塞沖壓成型工藝為輔,關(guān)注抗壓強度和密度指標,以初步了解成型效果。

圖1 螺旋擠壓成型示意圖Fig.1 Diagram of spiral extrusion forming

圖2 活塞沖壓成型示意圖Fig.2 Diagram of piston stamping forming

圖3 環(huán)模輥壓成型示意圖Fig.3 Diagram of ring die roll forming

圖4 平模輥壓成型示意圖Fig.4 Diagram of flat die roll forming

2.2 試驗

2.2.1 第一批次成型試驗

第一批次寶山基地工業(yè)垃圾尾料(木材類約30%,橡塑類約28%,編織物類約15%,紙類約7%,渣土等無機類約20%),經(jīng)一定時間晾干后,通過二級破碎(雙軸+單軸)、磁選和分選,得到工業(yè)垃圾碎料(見圖5)。該工業(yè)垃圾碎料預(yù)熱后,經(jīng)孔徑30 mm×30 mm環(huán)模輥壓設(shè)備成型,其中一組RDF試驗樣品見圖6,部分檢測數(shù)據(jù)(參照GB/T 212、GB/T 213等煤炭分析方法)見表2。試驗表明通過分類和預(yù)處理形成一定比例的工業(yè)垃圾,通過環(huán)模輥壓成型后其冷態(tài)機械強度較佳,抗壓強度均值≥2 600 N/個,密度均值≥1.21 g/cm3,表面干燥硬實,易于儲存和運輸。從表2可以看出該樣品低位發(fā)熱量達17.13 MJ/kg,硫和氯含量較低,是一種良好的衍生燃料;但其揮發(fā)分高達71.49%,固定碳僅為15.88%,如從寶山基地熱態(tài)爐窯協(xié)同處置角度,則需要進一步分析研究。

圖5 工業(yè)垃圾碎料(第一批次)Fig.5 Industrial waste scraps (first batch)

圖6 RDF試驗樣品(第一批次)Fig.6 RDF test sample (first batch)

表2 第一批次RDF樣品部分檢測數(shù)據(jù)Table 2 Partial test data of first batch of RDF sample

2.2.2 第二批次成型試驗

第二批次寶山基地工業(yè)垃圾尾料(橡塑類約30%,木材類約25%,編織物類約20%,紙類約10%,渣土等無機類約15%),經(jīng)一定時間晾干后,通過二級破碎后形成一定粒度的工業(yè)垃圾碎料(部分破碎料見圖7)。該工業(yè)垃圾碎料經(jīng)預(yù)熱后采用孔徑30 mm×30 mm環(huán)模輥壓設(shè)備成型,RDF試驗樣品(見圖8)經(jīng)初步檢測,其抗壓強度均值≥2 600 N/個,密度均值≥1.21 g/cm3。試驗證明第二批次寶山基地工業(yè)垃圾尾料成型效果較好,表面干燥硬實,易于儲存和運輸。

圖7 工業(yè)垃圾碎料(第二批次)Fig.7 Industrial waste scraps (second batch)

圖8 RDF試驗樣品(第二批次)Fig.8 RDF test sample(second batch)

2.2.3 第三批次成型試驗

第一批次和第二批次環(huán)模輥壓成型截面為邊長30 mm正方形;目前環(huán)模輥壓成型孔徑多為φ≤16 mm的圓形,直徑越小則壓縮比越大;因此第三批次成型試驗采用孔徑φ16 mm的環(huán)模輥壓成型。第三批次寶山基地工業(yè)垃圾尾料(橡塑類約27%,木材類約25%,編織物類約20%,紙類約16%,渣土等無機類約12%),經(jīng)破碎形成一定粒度的工業(yè)垃圾碎料(見圖9)。該工業(yè)垃圾碎料未采用預(yù)熱,直接采用孔徑φ16 mm的環(huán)模輥壓設(shè)備進行成型試驗。試驗中發(fā)現(xiàn),隨著物料不斷在環(huán)模中壓制出料造成環(huán)模溫度上升后,成型情況逐漸良好,部分成型試驗品見圖10。對成型樣品進行初步檢測,其抗壓強度均值≥1 100 N/個,密度均值≥1.15 g/cm3。第三批次成型樣品抗壓強度與前兩個批次有一定差距,鑒于工業(yè)垃圾組分比例相差不大,環(huán)模孔型、孔徑等因素影響更大,但強度值仍比較理想。試驗證明一定比例組成的工業(yè)垃圾經(jīng)過預(yù)處理后可以通過孔徑φ≤16 mm的環(huán)模輥壓成型,成型效果較好,表面干燥硬實,易于儲存和運輸。

圖9 工業(yè)垃圾碎料(第三批次)Fig.9 Industrial waste scraps (third batch)

圖10 RDF試驗樣品(第三批次)Fig.10 RDF test sample(third batch)

通過在3個批次環(huán)模輥壓成型探索性試驗中與設(shè)備企業(yè)的深入交流,工業(yè)垃圾組分、破碎粒度、環(huán)模孔型、成型溫度等均是影響環(huán)模輥壓成型效果的主要因素。以環(huán)模孔型為例,在保持輥面和輥內(nèi)徑不變的情況下,孔徑、壓縮比、預(yù)壓段、導(dǎo)向孔型等均需要針對工業(yè)垃圾進行專業(yè)設(shè)計。因此如后續(xù)開展工業(yè)垃圾環(huán)模輥壓成型工作,需要與專業(yè)設(shè)備企業(yè)合作進行系統(tǒng)性試驗。為初步了解工業(yè)垃圾成型物料熱解特性,委托寶鋼中央研究院李建等[17]對其中一組樣品進行熱態(tài)初步分析,100～200 ℃時強度略微下降,溫度超過300 ℃后強度顯著下降,爆裂、粉化嚴重。RDF 熱重分析結(jié)果表明,其250 ℃快速熱解,500～600 ℃基本分解完畢。由于3個批次的RDF樣品均有較好的冷態(tài)強度和密度,說明一定比例的工業(yè)垃圾可以通過預(yù)處理后,可為納入鋼鐵冶金熱態(tài)爐窯協(xié)同處置創(chuàng)造良好的運輸、投料條件。結(jié)合寶武集團轉(zhuǎn)爐協(xié)同處置廢棄除塵袋等工業(yè)垃圾試點工作以及泉州閩光鋼鐵轉(zhuǎn)爐焚燒可燃工業(yè)垃圾研究工作,后續(xù)可優(yōu)先考慮選擇轉(zhuǎn)爐協(xié)同處置可燃工業(yè)垃圾RDF試驗研究,屆時需要對每個批次的工業(yè)垃圾成型料進行較系統(tǒng)的重金屬含量、熱解特性以及分解產(chǎn)物等分析研究。

2.2.4 第四批次成型試驗

第四批次寶山基地工業(yè)垃圾尾料(木材類約30%,橡塑類約25%,編織物類約20%,紙類約15%,渣土等無機類約10%),經(jīng)一定時間晾干后,破碎成一定粒度的工業(yè)垃圾碎料(見圖11)。該工業(yè)垃圾碎料經(jīng)預(yù)壓預(yù)熱后經(jīng)孔徑為φ20 mm活塞沖壓式設(shè)備壓制成型,部分成型試驗品見圖12。對成型樣品進行初步檢測,其抗壓強度均值≥2 500 N/個,密度均值≥1.25 g/cm3,強度和密度數(shù)據(jù)與第一、二批次接近。試驗證明,一定比例組成的工業(yè)垃圾經(jīng)過預(yù)處理后可以通過活塞沖壓成型,成型效果較好,表面干燥硬實,易于儲存和運輸。

圖11 工業(yè)垃圾碎料(第四批次)Fig.11 Industrial waste scraps (forth batch)

圖12 RDF試驗樣品(第四批次)Fig.12 RDF test sample (forth batch)

3 結(jié)論

(1) 一定比例組成的工業(yè)垃圾經(jīng)過預(yù)處理后,可以通過環(huán)模輥壓成型,成型效果較好。經(jīng)孔徑30 mm×30 mm環(huán)模輥壓成型后,抗壓強度均值≥2 600 N/個,密度均值≥1.21 g/cm3;經(jīng)孔徑φ16 mm的環(huán)模輥壓成型后,抗壓強度均值≥1 100 N/個,密度均值≥1.15 g/cm3。

(2) 一定比例組成的工業(yè)垃圾經(jīng)過預(yù)處理后可以通過孔徑φ20 mm活塞沖壓成型,成型效果較好,抗壓強度均值≥2 500 N/個,密度均值≥1.25 g/cm3。

(3) 一定比例組成的工業(yè)垃圾經(jīng)過預(yù)處理、成型后,工業(yè)垃圾成型料表面干燥硬實,易于儲存和運輸,為納入鋼鐵冶金熱態(tài)爐窯協(xié)同處置創(chuàng)造良好的運輸、投料條件。