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2020年11月18日，中國混凝土與水泥制品協會組織召開了由山東恒遠利廢技術股份有限公司完成的“瀑落式回轉窯制備輕骨料的生產工藝與成套技術裝備”科技成果鑒定會。鑒定委員會專家們認為，該成果具有占地面積小、能耗低、協同處置固廢等技術特點，對推動輕骨料行業(yè)技術進步具有重要意義和示范作用，市場應用前景廣闊。

一、立項背景

工業(yè)固體廢棄物是大規(guī)模工業(yè)生產的副產品，產品的生產過程就伴隨著廢棄物的產生過程。當前，我國正處于經濟高速發(fā)展時期，工業(yè)的迅速發(fā)展導致固體廢棄物排放量也迅速增加。據統計，全國每年新增工業(yè)固廢33億噸，歷史堆存量達600-700億噸。固廢堆存不僅造成土地大量占用，而且造成大量土壤、水源等的污染，嚴重影響人民群眾的生產生活，急需進行處理處置。

目前對固體廢棄物的現有處置方式主要是填埋、焚燒、干化、堆肥、資源化利用等幾種方式。與填埋、焚燒、干化、堆肥等處置方式相比，瀑落式回轉窯制備高性能輕骨料技術具有成本低、占地面積小、無二次污染的特點，不但可實現固體廢棄物的無害化處理，其燒成的高性能輕骨料還可多渠道廣泛使用，是一種資源化綜合利用方式。

國內生產輕骨料的廠家大多采用普通的回轉窯進行燒制，一是多采用黏土和頁巖為原材料，廢棄物的利用不足，不符合保護耕地等政策的要求；二是核心裝備技術落后、能耗高，不僅造成能源的浪費，同時造成輕骨料受熱不均，影響輕骨料的產量、技術指標和勻質性；三是生產工藝不合理，部分生產企業(yè)沒有專門的成分分析、小試和中試試驗裝置，無法針對特定的原材料制定針對性工藝參數，造成工藝隨意性大，或使燒制時間過長、燒制溫度過高，造成熱量和能量的損失。所有上述原因使高性能輕骨料行業(yè)受到了不同程度的影響。

二、研究內容

本項目成果在利用工業(yè)固體廢棄物制備輕骨料技術取得了一定程度的突破，主要的研究內容如下：

1. 核心裝備的研發(fā)和制造

在引進英國三葉旋轉窯技術基礎上，開發(fā)了具有自主知識產權的瀑落式回轉窯成套裝備，通過三葉式結構的設計，耐高溫、耐腐蝕、耐磨內部材料的研發(fā)，窯徑比的設計優(yōu)化，窯內線性溫度的形成，窯內900度以上溫度的控制及窯外尾氣1.5秒急冷的設計，實現工業(yè)固廢燒制輕骨料過程中的高效、低能耗、低成本。由國家建筑材料工業(yè)水泥能效環(huán)保評價檢驗測試中心出具的瀑落式回轉窯生產線燒成系統能效測試報告表明，本項目成果瀑落式回轉窯燒成系統的成品綜合熱耗為41.64 kgce/t，燒成工序電耗32.73 kWh/t。燒成系統總熱效率為37.89%，系統燒成效率為44.17%，回轉窯單位容積熱力強度為2.03×10⁵ kJ/m³·h，回轉窯斷面熱負荷為3.22×10⁶ kJ/m³·h，回轉窯單位容積產量為166.59kg/m³·h，表現出優(yōu)良的
能耗水平和較高的生產效率。

瀑落式回轉窯窯體外觀

立式紊流攪拌機采用物料混合盤與轉子旋轉方向及轉子間轉速的差異性，使混和物料形成逆向和橫向的物料紊流，提高了粘稠型混和物料的勻質性和分散度。生產能力達到80m³/h，攪拌均勻度1.5分鐘達到99.8%。

生產線集成的振動沸騰床烘干機由定向激振器產生振動，將料球拋起，與來自沸騰床底板的熱空氣充分對流，可在1.5分鐘內將料球含水率由25%左右降低到2%左右。

立式紊流攪拌機外觀

2. 成套節(jié)能環(huán)保設備和工藝的研發(fā)與設計

   采用“低溫烘干+高溫焙燒+急速冷卻”的技術路線，避開了二噁英的產生和重新合成的溫度區(qū)間。生產過程中廢水循環(huán)使用，廢渣作為原料重新進入生產線。生產車間全封閉，煙氣、臭氣等集合處理，配置收塵、脫硫、脫硝、除臭等系統，煙氣排放滿足低排放標準要求。生產線配備余熱回用裝置，循環(huán)利用焙燒設備的煙氣余熱以及冷卻機的余熱。

輕骨料生產工藝流程簡圖

3. 自動控制系統的開發(fā)

開發(fā)了適用于本技術的PLC/DCS自動控制系統，使用該技術可實現生產線監(jiān)控報警、遠程診斷維護、數據存檔管理等操作，提高了輕骨料生產線的自動化程度。

4. 協同處理固廢的材料應用研究

針對傳統輕骨料原料單一性的問題，對全國各地不同廠家、礦山以及城市的不同固廢進行廣泛采樣，在成分檢測的基礎上進行多批次實驗室試制，通過對不同成分原料以及多種成品檢測數據的比對、分析，逐漸掌握了適用于瀑落式回轉窯焙燒陶粒的固體廢棄物的成分指標；通過多種類、多批次、多配比的實驗室小試，相繼選取不同的陶粒摻加或調節(jié)料，解決了用固體廢棄物生產輕骨料的摻料及調節(jié)料及其配方問題。

承建項目生產線產出的粉煤灰輕骨料外觀及微觀形貌

三、關鍵技術和創(chuàng)新點

1. 在引進技術的基礎上，開發(fā)了高效節(jié)能的瀑落式回轉窯，實現了物料的強制換熱和均勻燒結，具有占地面積小、熱工效率高等技術特點。

2. 自主開發(fā)了紊流式攪拌機和高含水率混合料成型造粒設備，形成了包括振動沸騰床烘干機在內的物料高效預處理成套關鍵技術設備。

3. 建立了收塵、脫硫、脫硝、除臭等成套環(huán)保減排技術，采用“低溫烘干+高溫焙燒+急速冷卻”的技術路線，可滿足各種污泥及工業(yè)固廢的安全處置與資源化利用。

4. 開發(fā)了PLC/DCS自動化控制系統，實現在線遠程監(jiān)控。

四、社會環(huán)境經濟效益

本項目成果具有良好的社會和環(huán)境效益。我國每年產生33億噸工業(yè)固廢，固廢處置市場需求龐大。采用本項目成果的工藝和技術裝備，可規(guī)模化、無害化處置工程棄土、底泥、污泥、油泥等多種固廢。在處置固體廢棄物的基礎上，本項目成果可制備高性能輕骨料，滿足結構用骨料的性能要求。目前，全國混凝土行業(yè)骨料年需求量約200億噸，隨著國家環(huán)保力度不斷加強、民眾環(huán)保意識不斷普及以及資源保護稅法等的施行，不可再生的普通砂石骨料面臨資源短缺的困境。替代砂石骨料的高性能輕骨料必將在高層建筑、橋梁工程、裝配式建筑等工程領域中大規(guī)模應用。另外，由于輕骨料具有比表面積高、耐火阻燃、保溫隔熱等優(yōu)勢，可廣泛應用于輕質墻體、地暖填充、海綿城市、污水處理、土壤修復等工程的建設，市場前景可觀。

本項目成果具有良好的經濟效益。一方面，以市政污泥處置市場為例，全國市政污泥年產量約4000萬噸，各省市污泥處置補貼200-400元/噸不等，其中廣東省補貼不少于350元/噸，深圳高達500元/噸。另一方面，作為普通砂石骨料的替代產品，高性能輕骨料市場接受度不斷提高，價格也隨之上漲，以山東泰安地區(qū)為例，輕骨料產品的出廠均價在400元/m3以上，具有較大的利潤空間。

本項目成果已在山東壽光、濰坊等地進行了協同處置污泥和劣質粉煤灰等輕骨料項目，建立了四條高性能輕骨料生產線協同處置固體廢棄物；同時，成果完成單位將應用領域擴展到危險廢棄物的無害化協同處置，在天津開啟了年處理10萬噸危險廢棄物HW17制備輕骨料項目試點。采用本項目成果的成套設備和工藝技術生產的高性能輕骨料已經成功實現了建設工程應用。

五、總結

本項目成果已獲授權發(fā)明專利5項、實用新型專利6項、軟件著作權3項，制定企業(yè)標準1項，形成了具有自主知識產權的利用污泥、淤泥與工業(yè)固廢制備高性能輕骨料的生產技術及成套裝備，在山東科立德環(huán)?？萍加邢薰镜榷嗉移髽I(yè)項目中得到了應用。該成果具有占地面積小、能耗低、協同處置固廢等技術特點，對推動輕骨料行業(yè)技術進步具有重要意義和示范作用，市場應用前景廣闊。