2020年11月18日，中國混凝土與水泥制品協(xié)會組織召開了由山東恒遠利廢技術(shù)股份有限公司完成的“瀑落式回轉(zhuǎn)窯制備輕骨料的生產(chǎn)工藝與成套技術(shù)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(xié)同處置固廢等技術(shù)特點，對推動輕骨料行業(yè)技術(shù)進步具有重要意義和示范作用，市場應(yīng)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(chǎn)的副產(chǎn)品，產(chǎn)品的生產(chǎn)過程就伴隨著廢棄物的產(chǎn)生過程。當(dāng)前，我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致固體廢棄物排放量也迅速增加。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)生活，急需進行處理處置。

目前對固體廢棄物的現(xiàn)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(zhuǎn)窯制備高性能輕骨料技術(shù)具有成本低、占地面積小、無二次污染的特點，不但可實現(xiàn)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(nèi)生產(chǎn)輕骨料的廠家大多采用普通的回轉(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)量、技術(shù)指標和勻質(zhì)性；三是生產(chǎn)工藝不合理，部分生產(chǎn)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(shù)，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(nèi)容

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

1. 核心裝備的研發(fā)和制造

在引進英國三葉旋轉(zhuǎn)窯技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的瀑落式回轉(zhuǎn)窯成套裝備，通過三葉式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，耐高溫、耐腐蝕、耐磨內(nèi)部材料的研發(fā)，窯徑比的設(shè)計優(yōu)化，窯內(nèi)線性溫度的形成，窯內(nèi)900度以上溫度的控制及窯外尾氣1.5秒急冷的設(shè)計，實現(xiàn)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(zhuǎn)窯生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)能效測試報告表明，本項目成果瀑落式回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)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(tǒng)總熱效率為37.89%，系統(tǒng)燒成效率為44.17%，回轉(zhuǎn)窯單位容積熱力強度為2.03×10⁵ kJ/m³·h，回轉(zhuǎn)窯斷面熱負荷為3.22×10⁶ kJ/m³·h，回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量為166.59kg/m³·h，表現(xiàn)出優(yōu)良的
能耗水平和較高的生產(chǎn)效率。

瀑落式回轉(zhuǎn)窯窯體外觀

立式紊流攪拌機采用物料混合盤與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)子間轉(zhuǎn)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(zhì)性和分散度。生產(chǎn)能力達到80m³/h，攪拌均勻度1.5分鐘達到99.8%。

生產(chǎn)線集成的振動沸騰床烘干機由定向激振器產(chǎn)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(nèi)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(shè)備和工藝的研發(fā)與設(shè)計

   采用“低溫烘干+高溫焙燒+急速冷卻”的技術(shù)路線，避開了二噁英的產(chǎn)生和重新合成的溫度區(qū)間。生產(chǎn)過程中廢水循環(huán)使用，廢渣作為原料重新進入生產(chǎn)線。生產(chǎn)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(tǒng)，煙氣排放滿足低排放標準要求。生產(chǎn)線配備余熱回用裝置，循環(huán)利用焙燒設(shè)備的煙氣余熱以及冷卻機的余熱。

輕骨料生產(chǎn)工藝流程簡圖

3. 自動控制系統(tǒng)的開發(fā)

開發(fā)了適用于本技術(shù)的PLC/DCS自動控制系統(tǒng)，使用該技術(shù)可實現(xiàn)生產(chǎn)線監(jiān)控報警、遠程診斷維護、數(shù)據(jù)存檔管理等操作，提高了輕骨料生產(chǎn)線的自動化程度。

4. 協(xié)同處理固廢的材料應(yīng)用研究

針對傳統(tǒng)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(chǔ)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(shù)據(jù)的比對、分析，逐漸掌握了適用于瀑落式回轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)料，解決了用固體廢棄物生產(chǎn)輕骨料的摻料及調(diào)節(jié)料及其配方問題。

承建項目生產(chǎn)線產(chǎn)出的粉煤灰輕骨料外觀及微觀形貌

三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

1. 在引進技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了高效節(jié)能的瀑落式回轉(zhuǎn)窯，實現(xiàn)了物料的強制換熱和均勻燒結(jié)，具有占地面積小、熱工效率高等技術(shù)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(shè)備，形成了包括振動沸騰床烘干機在內(nèi)的物料高效預(yù)處理成套關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。

3. 建立了收塵、脫硫、脫硝、除臭等成套環(huán)保減排技術(shù)，采用“低溫烘干+高溫焙燒+急速冷卻”的技術(shù)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(tǒng)，實現(xiàn)在線遠程監(jiān)控。

四、社會環(huán)境經(jīng)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(chǎn)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(shù)裝備，可規(guī)?；?、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(chǔ)上，本項目成果可制備高性能輕骨料，滿足結(jié)構(gòu)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(lǐng)域中大規(guī)模應(yīng)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(yīng)用于輕質(zhì)墻體、地暖填充、海綿城市、污水處理、土壤修復(fù)等工程的建設(shè)，市場前景可觀。

本項目成果具有良好的經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xié)同處置污泥和劣質(zhì)粉煤灰等輕骨料項目，建立了四條高性能輕骨料生產(chǎn)線協(xié)同處置固體廢棄物；同時，成果完成單位將應(yīng)用領(lǐng)域擴展到危險廢棄物的無害化協(xié)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(shè)備和工藝技術(shù)生產(chǎn)的高性能輕骨料已經(jīng)成功實現(xiàn)了建設(shè)工程應(yīng)用。

五、總結(jié)

本項目成果已獲授權(quán)發(fā)明專利5項、實用新型專利6項、軟件著作權(quán)3項，制定企業(yè)標準1項，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的利用污泥、淤泥與工業(yè)固廢制備高性能輕骨料的生產(chǎn)技術(shù)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(yīng)用。該成果具有占地面積小、能耗低、協(xié)同處置固廢等技術(shù)特點，對推動輕骨料行業(yè)技術(shù)進步具有重要意義和示范作用，市場應(yīng)用前景廣闊。