水泥窑协同处置固废技术在《复合材料工艺与设备》课程中的运用

林秀玲,范 颖

(安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232001)

复合材料集合了各种单一材料的优点，广泛应用于国民经济的各个行业当中。各种材料复合之后，即保留高分子材料质量轻，金属材料强度高，无机材料功能强的特点，又赋予复合材料许多新功能。对于复合材料专业的本科生，学习复合材料的制备工艺是必不可少的。本校面对本科生开设的《复合材料工艺与设备》这门课程根据行业发展趋势，内容侧重于树脂基复合材料的成型工艺和设备，根据热塑性树脂和热固性树脂物化性质的不同介绍多种成型方法。学生通过教学实习及本门课程学习已经掌握了诸如塑料杯、玻璃钢座椅等产品的成型工艺，但是，从各种教学参考书籍及本校复合材料专业所用教材来看，《复合材料工艺与设备》这门课程不包括树脂基复合材料的回收工艺。线型结构的热塑性树脂基复合材料成型获得制品后，如果加热仍然可以流动，进而再次成型，废弃物的回收处理相对容易。而热固性树脂基复合材料是利用交联剂与树脂之间发生化学反应来成型的，成型后再加热材料不能熔化，固体废弃物的回收难度较大。伴随着工业技术和各种新兴材料的发展，热固性树脂基复合材料在民用和工用领域的比例不断拓展，这些产品的废弃物回收问题也成为一个横亘在人们面前的巨大问题。目前，国内处理热固性树脂基复合材料的主要方法，其一是就地填埋，大面积填埋占用的土地无法进行生产，造成土地资源浪费。二是焚烧，焚烧会污染空气。为了减少环境污染和资源浪费，顺应当下环保的潮流，科研工作者[1-3]不断努力，研究新的回收处理方式，提高其回收利用效率，使其在现实生活中的利用成为可能，为工业化奠定基础。

鉴于此，为了让学生掌握热固性树脂基复合材料的回收工艺，以满足复合材料产业的发展需求，从教学目标、教学内容和教学方法等多个方面对水泥窑协同处置固废技术在《复合材料工艺与设备》课程中的运用进行探讨。

1 《复合材料工艺与设备》课程教学目标

目标1：能够较全面和系统地理解各种成型工艺原理、原料、流程、特点和选择原则。能够根据产品要求，设计合适的成型工艺及流程；目标2：能将复合材料成型原理运用到复合材料领域的设计、制备、改性、结构与性能分析等环节，并具有分析和解决复杂工程问题能力；目标3：具有自主学习的意识，能够不断更新和拓展自身的知识和技能，毕业后在复合材料及相关领域具有产品开发、工艺和设备设计、技术创新及经营管理等方面的能力与素质。

以上是本专业《复合材料工艺与设备》课程教学目标，为了适应行业发展的需求，增加目标4：在达成目标1的前提下，了解常用的固废处理技术，并结合复合材料特点，能够将其运用到处理热固性树脂基复合材料废弃物工艺中。

2 《复合材料工艺与设备》课程内容优化

复合材料的成型是以基体材料的成型方法为主，适当考虑增强材料的类型。顾名思义，《复合材料工艺与设备》课程内容是以树脂基体为主，结合纤维增强材料，讲授手糊成型、模压成型、缠绕成型、注射成型和挤出成型。为改进手糊成型而创造的半机械化成型—喷射成型以及压力不同而发展的RTM和RIM成型。成型工艺是每种方法必须讲授的内容，所用设备包括制备产品所用模具及各种仪器的主要部件，重点内容是树脂基复合材料的成型原理、原材料、工艺过程及应用[4]。手糊成型、模压成型和缠绕成型适用于热固性树脂基复合材料的制备，而注塑成型和挤出成型常用于热塑性树脂基复合材料的制备。线型结构的热塑性树脂基复合材料成型获得制品后，如果加热仍然可以流动，进而再次成型，废弃物的回收处理相对容易。而热固性树脂基复合材料的成型是利用交联剂与树脂之间的化学反应来实现的，成型后的制品再加热也不能熔化，固体废弃物的回收难度较大。针对目前《复合材料工艺与设备》课程所用教材，热固性树脂基复合材料的回收处理作为补充内容。补充内容包括固废处理技术和处理热固性树脂基复合材料的工艺流程以及固废处理设备。

3 水泥窑协同处置固废技术

水泥窑协同处置固废技术是利用水泥厂生产线的水泥窑来处理固体废弃物。以海螺集团旗下的川崎公司研发的一项固废处理技术为例，来探讨该技术在处理热固性树脂基复合材料的适用性，并尝试作为《复合材料工艺与设备》课程内容的补充部分。

水泥窑协同处置固废后的残渣和飞灰作为水泥组分进入水泥熟料产品中，不需要额外进行填埋处置，不占用任何土地资源。对有些热值高的固废经过水泥窑煅烧产生的热能可被利用，实现节能。水泥窑煅烧时温度可高达1400～1800℃，窑内呈现碱性环境，有机物被彻底分解，有效地遏制了固废焚烧过程中二恶英的产生[5]。

回转窑是这项技术的核心内容，固体废弃物经过前期简单的预处理，主要的处理过程都是在回转窑内完成的。回转窑由多个部件组成，固废处理主要是在圆筒形的窑体内进行。筒体倾斜地架在支撑装置上，由传动装置控制转速。筒体内的物料在热量的作用下发生变化，处理后的产品从窑头卸出。回转窑的多个部件为固废处理分别提供了热量，速度和场所，保证了固废中的有害成分完全分解为无害物质，可以将重金属污染物中的大部分重金属固化至物料中，作为水泥熟料的原料。通过控制回转窑的运行状态，可以保证回转窑窑体内的有害物质不会溢出，而且焚烧废弃物与水泥生产同时进行，充分利用现有的工艺设备，减少投资费用[6]。这些优点使得回转窑处理固体废弃物是一种既经济又完美的处理方式。根据废弃物状态不同，有不同的处理流程。对于固态或低水分固态物，经破碎后，通过皮带运输机送至回转窑直接焚烧处置；对于少量的飞灰类废弃物，初步处理后输入专用储备仓，然后借助外力喷射进入窑头进行高温煅烧。废物中有害物质在回转窑内充分燃烧，残渣和飞灰进入水泥熟料中，废物处置后的废气经烟气处理装置净化后排出。

利用水泥窑协同处置固废，能够使资源充分利用，保护环境。经预处理后的各类固体废弃物再经过水泥窑处理，可替代水泥生产的燃料和原料使用，可以有效降低化石燃料的用量和水泥原料资源的开发。水泥窑协同处置技术使一般固废、危废和城市污泥等被处理产生新材料，提高利用率，实现了“减量化、无害化、资源化”[7-8]。

4 对热固性树脂基复合材料处理的适用性

综合来看，水泥窑协同处置固废技术实际上是将处理热固性树脂基复合材料的物理法和高温热解法结合的一种处理固废技术。物理法即利用外力将固体废弃物破碎成一定大小的颗粒，经过分选后再根据其特点选择不同的应用领域。高温热解法是利用热量煅烧热固性树脂基复合材料，在此过程中，因为树脂的降解导致树脂基体和无机增强材料分离。树脂基体的分解会产生有机液体燃料，而无机增强材料的回收为水泥熟料提供了原料。水泥窑协同处置固废技术通过将复合材料废弃物粉碎后加入到回转窑中，在封闭负压的碱性环境中，不会存在有毒气体溢出的状况，将有机物焚烧转化为部分热源，无机物转化为水泥原材料[9]。

总的来说，将热固性复合材料经过破碎后直接投入水泥窑中焚烧处理，是比较理想完善的处理方式，它考虑了热固性树脂基复合材料焚烧的飞灰填埋后重金属和二恶英对土壤、地下水的污染。同时，热固性复合材料在回转窑中焚烧产生的热量实际上也为回转窑中水泥熟料的燃烧提供了部分热量。通过负压碱性环境的回转窑，热固性复合材料为回转窑内的燃烧提供了能量，为水泥熟料的生产提供了原材料，同时，在密封环境内，不会存在有毒气体以及灰分的逸出，合理规避了能量回收方法中的不利部分，不会对环境产生二次污染。

5 结语

社会的发展带来了生活质量的改善，生活便利的同时产生了各种废弃的垃圾，其中很多是塑料或橡胶制品。热固性塑料由于其稳定的三维网状结构，不溶不熔，更不能在自然环境中降解，给循环利用造成极大困难。寻求一种绿色、节能、高附加值的回收方式是塑料回收领域的一大挑战，也是复合材料专业学生在今后工作中会遇到的问题。水泥窑协同处置固废技术可用于处理固体废弃物，包括危险废弃物。为此，将水泥窑协同处置固废技术运用到《复合材料工艺与设备》课程中，增加热固性树脂基复合材料废弃物的回收处理工艺与设备。该技术的运用使学生在掌握扎实的理论知识的基础上，充分发挥专业技术人员的职能，成为适应行业要求的新型技术人才。