用于评估低温熟料生产中废料衍生原料的比较热力学筛选框架 Bang Jeong-Hwan, Mend Bilguun, Chu Yong-Sik

《Applied Sciences》：A Comparative Thermodynamic Screening Framework for Evaluating Waste-Derived Raw Meals in Low-Temperature Clinker Production Jeong-Hwan Bang, Bilguun Mend and Yong-Sik Chu

　　**摘要**
本研究提出了一种比较性筛选框架，用于评估使用废弃物衍生原料生产低温熟料的可行性。该框架将成分兼容性、工艺条件、熟料形成指标、熔融相关限制以及水泥性能整合到一个统一的四阶段评估逻辑中。通过对三个基准数据源进行二次数据分析，这些数据源分别代表了废弃物替代、矿化剂辅助的低温熟料形成和热力学筛选。结果表明，城市固体废弃物焚烧底灰（MSWI bottom ash）在替代比例约为12.4 wt.%时在成分上仍是可行的，主要受Fe2O3含量的限制。在矿化剂基准测试中，1350 °C下使用0.067 wt.%的F和2.2 wt.%的SO3制备的熟料，其燃烧性能和性能与1450 °C下的参考熟料相当；而将温度进一步降低到1300 °C时，需要0.270 wt.%的F，这会导致密度降低、凝固时间延长以及抗压强度下降。这些结果表明，低温熟料的可行性不仅取决于温度的降低，还取决于成分平衡和熔融相行为。所提出的框架能够将候选系统分类为有利的、条件可行的或受限制的，为废弃物衍生熟料的设计提供初步的决策支持工具。

**1. 引言**
水泥工业是能源消耗最密集的工业部门之一，也是二氧化碳排放的主要来源[1,2]。除了石灰石脱碳过程中的排放外，传统普通波特兰水泥（OPC）的生产还需要较高的熟料化温度和大量的原始材料[3,4]。这些挑战增加了人们对能够减少热需求并促进二次资源利用的生产途径的兴趣。在这种情况下，有两种方法尤为相关：一是用含有有用熟料形成氧化物的废弃物替代品部分替代传统原材料[5,6,7,8,9]；二是通过矿化处理和修改熟料化学成分来降低熟料燃烧温度[6,7,8,9]。尽管这两种策略都已经被广泛研究，但它们通常被单独讨论，而不是在一个统一的框架内来评估低温熟料的可行性。
在潜在的废弃物衍生材料中，城市固体废弃物焚烧底灰（MSWI bottom ash）特别值得关注，因为它产量大，并含有CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等主要氧化物[10]。这使MSWI bottom ash成为一种潜在有用的熟料生产二次原料。然而，其适用性不能仅基于主要元素成分来评估。MSWI bottom ash的成分往往是异质的，其性质可能因废弃物种类、燃烧条件以及灰处理工艺而异。此外，微量元素和可溶性盐也可能影响燃烧性能、熔融形成、熟料相发展、水化行为以及整个工艺的稳定性[11]。因此，必须综合考虑其成分变异性和工艺相关限制对其潜力的评估。
降低熟料燃烧温度也具有挑战性，因为熟料化过程，特别是铝酸钙（alite）的形成，严重依赖于高温熔融辅助反应。先前的研究表明，像CaF2和CaSO4这样的矿化剂可以通过改变化学行为来提高燃烧性能，并在较低温度下实现熟料形成[12]。特别是，1350 °C的燃烧温度被认为是低温熟料生产的实际基准温度，而进一步降低到1300 °C通常需要更强的化学辅助，并可能导致性能下降[13]。尽管取得了这些进展，关于废弃物衍生原料的研究通常只关注替代可行性及水泥性能，而关于低温熟料系统的研究则主要强调燃烧性能和矿化剂的影响[14]。因此，仍需要一个将废弃物衍生原料的可行性与低温熟料形成相关的关键筛选变量联系起来的比较框架。
本工作的创新之处在于开发了一个统一的比较框架，用于筛选适用于低温熟料生产的废弃物衍生原料。该框架不是将废弃物替代、低温燃烧性能、熔融相行为和水泥性能视为独立的问题，而是将它们整合到一个解释性结构中。这与以往的研究不同，以往的研究通常分别考察废弃物衍生原料的可行性或矿化剂辅助的温度降低。通过结合成分筛选、工艺筛选、熟料形成指标和性能验证，该框架为在实验室或工厂规模验证之前识别有利的、条件可行的或受限制的路径提供了实用基础。因此，本研究开发了一个比较性筛选框架，用于在熔融相和液相中铁含量限制条件下，评估使用废弃物衍生原料生产低温熟料的可行性。基于选定的公开获取案例研究和公开获取的电子表格数据集的二次数据分析，该研究将成分变量、工艺指标、熟料形成行为和水泥性能整合到一个共同的评估逻辑中，旨在明确在何种条件下低温熟料生产可以被视为有利的、条件可行的或受限制的。

**2. 方法**
**2.1. 数据来源和案例研究选择**
本研究基于公开获取的文献和公开获取的电子表格数据集进行了二次数据分析。这项研究被设计为一个比较性框架开发分析，而不是全面的系统评价或元分析。因此，只选择了三个基准数据源，这些数据源不是为了代表所有文献，而是为了在共同的筛选结构中提供互补功能。所选数据源涵盖了框架开发所需的三个不同维度：(i) 废弃物衍生原料的替代；(ii) 矿化剂辅助的低温熟料形成；(iii) 热力学或熔融相关的成分筛选。选择标准是基于功能互补性，而不是基于可用研究的总数。只有符合以下标准的数据源才被保留：(i) 与波特兰熟料或密切相关的低温熟料系统直接相关；(ii) 提供可以在筛选框架内协调的定量输出，包括原料化学成分、替代水平或矿化剂含量、燃烧温度、相组成、游离石灰、熔融相关指标和/或水泥性能；(iii) 方法学透明度足够高，以支持数据提取的一致性；(iv) 公开获取，以便对报告的值进行可重复的验证。未提供可比定量数据、不适合目标熟料背景或无法满足比较框架要求的文献被排除在外。
为了提高可重复性，数据源选择过程遵循了三个明确步骤：首先，筛选出与波特兰熟料生产或密切相关的低温熟料系统直接相关的候选数据源；其次，仅保留报告了与当前框架相关的可提取定量变量的数据源，如原料化学成分、替代水平、矿化剂用量、燃烧温度、相组成、游离石灰、熔融相关指标和/或水泥性能；最后，从符合条件的数据源中为框架所需的三个分析功能各选择一个基准：废弃物衍生原料的替代、矿化剂辅助的低温熟料形成和成分/熔融相关筛选。这一程序旨在确保功能互补性和透明的案例选择，而不是覆盖所有文献。
基于此，选择了三个基准数据源来构建筛选框架：(i) 作为废弃物衍生原料替代基准的MSWI底灰研究；(ii) 作为低温熟料形成基准的CaF2–CaSO4矿化剂研究；(iii) 作为成分筛选和熔融相评估基础的公开获取电子表格数据集。表1总结了所选数据源及从每个案例研究中提取的变量。

**2.2. 比较数据提取和筛选变量**
在选定案例研究后，提取并重新组织了报告的定量数据，形成一个共同的比较框架。由于所选数据源在材料类型、研究目的和报告风格上存在差异，提取的数据并未作为一个合并的数据集进行处理。相反，这些数据在筛选变量层面进行了协调，以便通过共享的解释逻辑来比较各基准案例。
保留用于分析的变量被分为四类：成分变量、工艺变量、熟料形成指标和水泥性能指标，如表2所示。这种分类反映了从原料适宜性到最终水泥性能的低温熟料可行性解释的主要阶段。表2列出了在比较筛选框架中使用的成分和工艺相关变量。成分变量包括熟料配方所需的主要氧化物，以及可能影响熔融形成、燃烧性能和水化行为的次要元素。在本研究中，主要氧化物主要用于评估废弃物衍生材料是否可以贡献于适合熟料的原料，而次要元素则被视为可能在实际熟料化条件下抵消这种好处的潜在限制因素。
工艺变量包括废弃物替代水平、矿化剂用量和燃烧温度。这些变量的选择是因为它们定义了基准研究中评估熟料形成的操作条件。特别是，废弃物替代水平用于确定可接受的掺入范围，而矿化剂用量和燃烧温度用于比较传统熟料生产和低温熟料生产条件。
熟料形成指标包括游离石灰、熟料相组成、熔融分数以及液相中的铁富集程度（以下简称“液相中铁”），这描述了熔融相中铁的优先浓度，用作熔融行为和熟料形成过程中潜在操作限制的指标。游离石灰被用作燃烧性能和熟料化完全性的主要指标。相组成，特别是C3S和C2S之间的平衡，用于评估低温燃烧或废弃物掺入是否与可接受的波特兰熟料特性相兼容。熔融相关变量被包括进来，以捕捉熟料形成的热力学和操作相关方面，特别是有利液相发展和过度熔融形成之间的区别。
性能指标包括凝固时间和抗压强度。这些变量被视为筛选逻辑的最终验证阶段，因为在燃烧性能或相水平上有利的熟料形成并不一定保证良好的水泥性能。因此，使用与性能相关的输出来区分在实际上可行的案例和条件上可行或受限制的案例。
这种协调的变量结构用于比较废弃物掺入在与可接受熟料形成和水泥性能兼容的条件。提取的变量也是后续章节中开发的比较筛选逻辑的基础。

**2.3. 比较筛选框架**
本研究提出的比较筛选框架如图1所示。如图1所示，评估过程分为四个顺序阶段：成分筛选、工艺筛选、熟料形成筛选和性能筛选。该结构用于将从选定的公开获取案例研究中提取的协调变量整合到一个统一的比较评估中。图1展示了使用废弃物衍生原料生产低温熟料的比较性四阶段筛选框架。该框架依次从输入数据和变量提取开始，经过(1)成分筛选、(2)工艺筛选、(3)熟料形成筛选和(4)性能筛选，然后对系统进行有利、条件可行或受限制的分类。
第一个阶段考虑了成分可行性。在此阶段，使用主要氧化物来确定废弃物衍生材料是否可以贡献于适合熟料的原料，而报告的次要元素则被视为可能的限制因素，因为它们可能影响熔融形成、燃烧性能和水化行为。第二个阶段考虑了工艺相关变量，特别是废弃物替代水平、矿化剂用量和燃烧温度，以便将传统熟料生产条件与文献中报告的低温熟料生产条件进行比较。
第三个阶段关注熟料形成指标。游离石灰被用作燃烧性能的主要指标，而熟料相组成用于评估低温燃烧是否与可接受的铝酸钙保留相兼容。同时，电子表格数据集用于纳入熔融相关变量，特别是熔融分数和液相中的铁富集程度，以便区分与有利熟料形成相协调的组成和不太有利的组成。
最后一个阶段考虑了水泥性能。凝固行为和抗压强度被用作实际验证标准，以确定在熟料化阶段被认为是有利的条件是否也与可接受的水泥性能相兼容。在此基础上，每个案例都被解释为在低温熟料生产方面是可行的、有条件的可行或受限的。因此，该框架为比较所选公开案例研究中的废物掺入和低温熟料形成提供了一个结构化的基础。

2.4. 从参考案例研究中采用的基准变量
为了在一个共同的筛选框架内解释所选的公开案例研究，采用了一组基准变量。这些变量被选中是因为它们直接反映了在哪些组成、工艺和性能条件下，废物掺入或低温熟料化是可行的。
对于MSWI底灰案例，基准变量包括替代水平、控制最大掺入率的限制性组成因素、生成的熟料相组成以及报告的水泥性能。该案例被用作废物衍生生料可行性的主要基准，因为它明确地将生料替代与熟料组成和抗压强度联系起来。
对于矿物添加剂案例，基准变量包括氟含量、三氧化硫含量、燃烧温度、游离石灰、熟料矿物组成、凝结行为和抗压强度。该案例被用作低温熟料形成的基准，因为它提供了常规燃烧条件与在较低温度下燃烧但经过调整以实现等效可燃性的矿物化熟料之间的直接比较。
使用粉碎的废物塑料的低温熟料案例被用作额外的工艺级基准。在这个案例中，相关变量包括目标矿物组成、估计的烧结温度、窑炉稳定性和热消耗。这一来源被用来支持在实际操作条件下低温熟料生产的解释。
这些基准变量并不是用来将三个案例合并成一个单一的数据集的。相反，它们被用来为本研究开发的筛选逻辑定义参考范围和比较点。因此，基准案例为确定低温熟料的可行性主要是受体积组成、微量元素效应、可燃性还是最终水泥性能的限制提供了结构化的基础。

2.5. 二手数据方法的范围和局限性
本研究是基于所选的公开案例研究和公开电子表格数据集进行的比较性二手数据分析。因此，其目的不是通过实验来复现熟料合成，而是确定与可用来源中可行的废物掺入和低温熟料形成最一致相关的组成、工艺和性能变量。
这种方法有几个局限性。首先，所选的案例研究是在不同的实验条件和不同目的下生成的，因此提取的变量只能在解释层面上进行比较。其次，参考废物替代案例中考虑的废物衍生材料（即MSWI底灰）已知是组成上不均匀的，这限制了所报告的替代范围直接转移到其他废物或其他灰源的可能性。第三，本研究没有重新计算相平衡或生成新的热力学模拟，而是依赖于所选公开来源中已经报告的筛选变量。因此，这里开发的框架应该被视为一种比较决策支持方法，而不是预测模型。
本研究没有使用任何专有软件、新的模拟包或AI工具来生成新的数据；分析基于已发布的数值和公开电子表格数据集。
当前框架的解释可靠性来自于多个筛选维度的收敛，而不仅仅来自于任何单一研究或参数。具体来说，候选系统不仅根据燃烧温度或废物组成进行评估，还通过组合评估组成兼容性、工艺条件、熟料形成行为、熔化相关约束和水泥性能来进行评估。这种多标准结构减少了过度解读孤立结果的风险，并为基准案例之间的初步比较提供了更坚实的基础。
另一个局限性是，分析侧重于从所选研究中提取的定量输出，如相组成、游离石灰、熔化相关变量和水泥性能，而未使用微观结构图像和衍射图案作为主要证据。做出这一选择是为了保持来源之间的方法一致性，并将比较限制在可以通过数字形式协调的变量上。
尽管存在这些局限性，二手数据方法对于确定低温熟料生产的基准范围和筛选逻辑仍然很有用。特别是，它能够直接比较废物替代的可行性、矿物添加剂辅助的温度降低以及熔化相关筛选标准，而不会引入新的实验室规模变异性所带来的不确定性。因此，所形成的框架旨在作为后续实验验证的结构化基础，而不是替代品。

3. 结果和讨论
3.1. 废物衍生输入的比较组成可行性
表2、表3和表4代表了筛选框架的连续组成部分。表2总结了组成和工艺相关的输入变量，表4展示了MSWI底灰基准报告的化学组成和与组成相关的约束，表3总结了相应的熟料形成指标和与性能相关的结果。这些表格共同说明了从筛选输入到评估结果的进展。

3.2. 废物替代限制和控制因素
基准案例表明，废物衍生输入用于熟料生产的组成可行性取决于该材料是否能够提供熟料形成所需的主要氧化物，而不会引入过多的微量元素约束。如图2所示，并在表3和表4中总结，MSWI底灰基准清楚地展示了这一双重要求。图2显示了所选废物衍生和矿物添加剂案例的比较组成可行性基准。该图总结了MSWI底灰的主要氧化物贡献、相关的微量元素约束以及CaF2–CaSO4矿物添加剂在支持低温熟料形成中的作用。比较表明，只有当有用的熟料形成化学性质不受水化、工艺或操作性约束的影响时，废物衍生或矿物化输入才可能是可行的。从主要元素化学的角度来看，MSWI底灰案例表明其作为熟料生料的次要原料具有明显的潜力。如表4所总结的，该灰含有主要熟料形成元素，即Ca、Si、Al和Fe，这些元素对于主要波特兰熟料相的形成是必要的。如图2所示，这种组成特征支持将MSWI底灰不仅仅视为空需处理的残余物，而是视为潜在有用的原始材料替代品。
另一个重要考虑是，MSWI底灰不应被解释为组成固定的原材料。其化学组成可能会根据废物原料、燃烧条件、粒径分布和灰处理程序而变化。此外，其矿物学特性在结晶相和非结晶相含量方面可能有所不同，这可能会影响其反应性和在熟料化过程中的行为。这种变异性不仅影响主要熟料形成氧化物的贡献，还影响微量元素和可溶性盐对熔化形成、相发展和工艺稳定性的影响。因此，MSWI底灰作为熟料原材料的适用性应该根据来源不同来进行解释，其可行性应该通过特定案例的组成筛选来评估，而不仅仅基于单一的总体组成进行假设，如表4中总结的与组成相关的约束所示。
除了总体组成外，像Na、Cl和Zn这样的微量元素在熟料化行为和工艺稳定性中也可能发挥重要作用。如表4所示，像Na这样的碱元素可能导致窑内的碱循环，可能影响物料流动和沉积物的形成。已知氯与挥发和冷凝循环有关，这可能影响窑的操作并增加积聚形成的风险。像Zn这样的痕量金属也可能通过改变熔融相的组成和行为来影响熔融相的特性和相发展。因此，即使这些元素的浓度相对较低，也可能影响可燃性、相组合和操作稳定性。在本框架内，这些效应被视为组成和工艺相关约束的一部分，可能会使系统从有利变为有条件可行或受限。
矿物添加剂基准提供了对这一平衡的补充比较。在这种情况下，故意使用含氟和含硫的添加剂来提高可燃性并实现低温熟料形成。如表3所总结并如图2所示，这种比较很重要，因为它表明微量元素并不总是不利的。它们的影响取决于浓度、化学形式和工艺背景。在受控条件下，它们可能支持低温熟料形成；在不太有利的条件下，它们可能会缩小可行的工艺窗口或增加操作风险。
总的来说，所选的基准案例表明，废物衍生输入用于低温熟料生产的组成可行性应被视为初步筛选结果，而不是最终适用性的判断。只有当材料同时满足两个条件时，才能认为其在组成上是可行的：首先，它必须提供有用的主要熟料形成氧化物的比例，如表4所总结的；其次，其微量元素含量必须保持在不会通过过多的工艺、矿物学或性能相关惩罚来抵消这种好处的范围内，如表3和表4所反映的。因此，本研究中的组成筛选是更广泛评估低温熟料可行性的第一个边界条件，然后需要通过替代限制、熟料形成指标和水泥性能进一步完善。
这些观察还表明，熟料系统对原材料组成的相对较小变化可能会很敏感。特别是，Fe2O3含量的变化可能会直接影响允许的替代水平，使其超出目标组成范围，如表3所示。同样，像Zn、Na和Cl这样的微量元素即使在相对较低的浓度下也可能影响熔融形成、熟料化行为和水化性能，如表4所总结的。在本框架内，这种敏感性意味着被认定为有利的系统如果超过组成限制，可能会变得有条件可行或受限。详细的定量敏感性分析超出了本研究的范围，但代表了未来工作的一个重要方向。

3.3. 废物替代限制和控制因素
基准案例表明，废物掺入的允许水平不仅受废物可用性的控制，还受目标熟料系统中限制性组成因素的控制。在MSWI底灰案例中，检查了两种替代水平，即5 wt.%和最大可行的12.4 wt.%。这个上限不是随意设定的，而是对应于仍满足目标波特兰熟料组成的最高掺入水平。
在这种情况下，控制因素是底灰中的Fe2O3含量。一旦替代水平超过12.4 wt.%，废物提供的氧化铁量就超过了目标熟料所需的量，生成的生料不再符合预期的熟料配方。这一结果表明，废物替代限制应解释为组成依赖的阈值，而不是适用于所有废物流的固定值。
同时，矿物添加剂基准提供了理解这些限制与低温熟料可行性之间关系的重要比较。如图3所示，当在受控工艺条件下提高可燃性时，可以实现低温熟料形成。然而，该基准也表明，进一步的温度降低需要越来越强的化学辅助，并可能引入性能惩罚。这种比较表明，废物替代的实际限制不应仅在生料水平上进行评估，还应考虑维持可接受熟料形成所需的工艺条件。图3显示了从1450°C的常规熟料燃烧到1350°C和1300°C的低温燃烧的转变，随着氟和三氧化硫含量的增加。基准表明，在受控矿物添加剂含量下，可以在1350°C实现相当的可燃性，而进一步降低到1300°C则需要显著增加氟的添加量，并与较低的水泥性能相关联。在MSWI底灰案例中，主要熟料组成与参考系统大致相当，但随着替代量的增加，相平衡发生了变化。这表明在熟料系统完全不兼容之前就已经达到了替代限制，而是受到某一成分超出目标熟料设计容忍度的控制。因此，在本研究中，废物替代限制被视为低温熟料生产更广泛筛选框架内的第一个实际边界条件。

3.3 来自矿化熟料系统的低温基准
矿化剂案例为解释本研究中的低温熟料形成提供了主要基准。如图3所示，传统的参考条件对应于1450°C下的熟料燃烧，而低温案例则分别在1350°C和1300°C下进行评估，且氟和三氧化硫含量逐渐增加。这一基准很重要，因为它表明在有限的成分和工艺窗口内，低温熟料形成是可行的。因此，1350°C和1300°C的温度应被视为从这个选定案例研究中得出的基准条件，而不是适用于所有熟料系统的普遍验证阈值。最相关的结果是，当氟含量从0.024%增加到0.067%，SO3含量从0.6%增加到2.2%时，在1350°C下实现了与1450°C正常燃烧熟料相等的可燃性。在这种情况下，研究明确使用游离石灰作为可燃性指标，较低的f.CaO证实了矿化剂组合在低温下改善了熟料的形成。因此，1350°C案例可以被视为实现100°C燃烧温度降低的实际基准。

然而，同一基准也显示低温限制更为严格。在1300°C下，只有当氟含量进一步增加到0.270%时，才能达到等效的可燃性，而SO3含量保持在2.2%左右。尽管这一条件将f.CaO降低到了目标水平，但它并没有提供与1350°C案例相同的整体熟料和水泥性能。特别是，1300°C的熟料表现出较低的堆积密度，表明烧结不足，相应的水泥呈现出延迟凝结和较低的抗压强度。熟料的矿物学特性也支持了这一解释。与1450°C下燃烧的正常熟料相比，1350°C和1300°C下燃烧的矿化熟料具有较低的C3S含量和较高的C2S含量。报告的Bogue矿物组成从1450°C时的56.1% C3S和21.2% C2S变为1350°C时的49.6% C3S和25.0% C2S，以及1300°C时的49.1% C3S和25.0% C2S。这表明，即使在通过矿化匹配了可燃性后，随着燃烧温度的降低，铝酸钙的保留量仍然会减少。

综合这些结果可以看出，矿化剂案例并不支持无限制地降低熟料燃烧温度。相反，它将1350°C定义为所选矿化剂系统内最实际的可比基准。相比之下，1300°C应被视为更为受限的较低界限条件，因为它需要更强的矿化剂辅助，并且与较差的水泥性能相关。

3.4 用于筛选低温可行性的熟料形成指标
选定的基准案例表明，应通过熟料形成指标而不是仅通过燃烧温度来评估低温熟料的可行性。正如表5所总结的，并在图4中所示，本研究中最重要的指标包括游离石灰、相组成和熔体相关筛选变量。这些参数共同用于区分在低温条件下仍保持优化的熟料系统与那些受到矿物学或操作性相关限制的系统。

表5. 选定基准系统的熟料相组成，包括C3S、C2S、C3A和C4AF（如有）。同时包括了游离石灰/CaO的值；NR表示未报告。

图4. 用于筛选低温可行性的熟料形成指标。该图表总结了本研究中考虑的三个主要指标组，即作为可燃性指标的游离石灰、C3S保留量和C2S增加的相组成，以及包括熔体分数和液相中铁富集在内的熔体相关指标。这些指标共同用于区分有利熟料形成条件和与过量铝酸钙损失或操作性相关限制的条件。游离石灰被视为主要的可燃性指标。在MSWI底灰案例和矿化剂案例中，低残留游离石灰表明即使改变了原料组成或燃烧条件，熟料形成也基本完成。然而，仅凭可燃性的可接受性不足以定义一个有利的低温条件。所需熟料的相平衡也必须与波特兰熟料的行为相兼容，特别是关于C3S的保留量和C2S的增加。这一点从表5中的相组成数据中可以明显看出。在MSWI底灰案例中，将废物替代率从OPC0增加到OPC12.4时，C3S逐渐减少而C2S增加，同时游离石灰含量保持较低。在矿化剂基准案例中也观察到了类似的模式，即1350°C和1300°C下燃烧的低温熟料显示出比1450°C下燃烧的参考熟料更低的C3S和更高的C2S。这些结果表明，即使通过矿化匹配了可燃性，随着燃烧温度的降低，铝酸钙的保留量仍然会减少。

熔体相关指标提供了第三层面的筛选。如图4所示，熔体分数和液相中的铁富集有助于解释为什么某些组成仍然有利，而其他组成则变得条件上可行或受限。在这里采用的筛选逻辑中，增加的液相形成可能改善可燃性。然而，过多的熔体发展或熔体中特定元素的过度富集可能会增加操作风险，并使熟料偏离理想的组成窗口。这些指标共同支持了低温可行性的三级解释。当可燃性得到改善且没有C3S的显著损失或熔体相关风险的迹象时，熟料系统被认为是有利的。当熟料形成基本完成但相平衡向低铝酸钙含量或高贝勒石含量转变时，被认为条件上可行。最后，当只有通过更强的矿物学辅助才能实现可接受的可燃性时，被认为是受限的。基于此，表5和图4中总结的熟料形成指标构成了本研究中开发的比较筛选框架的核心。

3.5 水泥性能影响
基准案例表明，与废物掺入或低温燃烧相关的熟料修改并不一定会导致不可接受的水泥性能。相反，主要影响表现在早期龄期，而中期和后期龄期的性能仍接近参考系统，尤其是在熟料形成基本完成的情况下。在MSWI底灰案例中，三种水泥浆体的水化曲线大致相似，但OPC0的水化开始时间早于OPC5和OPC12.4。这种延迟归因于MSWI底灰基熟料中存在的微量元素和碱。同一案例还显示，随着替代水平的增加，早期龄期的抗压强度降低，而在7天后差异变得不那么明显。这表明废物掺入的主要惩罚与短期水化和强度发展有关，而不是与整体水泥性能的显著损失有关。

应当注意的是，所选基准研究中并未一致报告水化热的定量数据，因此没有包含在本比较中。本工作中对水化行为的解释基于可用的报告指标，主要是凝结时间和一般水化趋势。然而，根据熟料组成和矿化剂含量的不同，水化过程的差异可能是预期的，这一方面值得进一步研究。从矿化剂基准中也可以得出类似的结论。在1350°C下燃烧的水泥显示出与1450°C下燃烧的参考水泥相似的凝结和强度行为，尽管燃烧温度较低。相比之下，在1300°C下燃烧的水泥显示出延迟凝结和较低的抗压强度。这证实了低温熟料形成只有在有限的操作窗口内才是可行的，超出这个窗口后，可接受的可燃性不再足以保证可接受的水泥性能。还应当注意的是，所选基准研究中并未一致报告长期抗压强度数据（例如，超过28天的数据），因此也没有包含在本比较中。本工作中对机械性能的解释主要基于早期龄期和28天强度数据。然而，长期强度发展预计取决于熟料相组成，特别是C3S和C2S的相对比例，以及矿化剂和微量元素的影响。这一方面代表了未来研究的重要领域。

低温熟料案例中加入粉碎的塑料废料也支持了同样的解释。在那项研究中，试验水泥的强度发展略低于试验OPC的水泥，但作者主要将其归因于C3S含量低于目标，而不是由于采用低温路线本身。这一观察很重要，因为它表明部分明显的性能惩罚可能可以通过控制熟料组成来解释，而不仅仅是由于温度降低。综合这些结果表明，水泥性能应被视为筛选框架的最终验证阶段。在熟料形成阶段仍然有利的条件，如果它们导致早期龄期的延迟或减少强度发展，那么仍然只能是条件上可行的。相反，当熟料形成基本完成但相平衡向低铝酸钙含量或高贝勒石含量转变时，被认为是条件上可行的。最后，当只有在更强矿物学偏离或工艺相关惩罚的代价下才能实现可接受的可燃性时，被认为是受限的。基于此，表5和图4中总结的熟料形成指标构成了本研究中开发的比较筛选框架的核心。

3.5 水泥性能影响
基准案例表明，与废物掺入或低温燃烧相关的熟料修改并不一定会导致不可接受的水泥性能。相反，主要影响出现在早期龄期，而中期和后期龄期的性能仍然接近参考系统，尤其是在熟料形成基本完成的情况下。在MSWI底灰案例中，三种水泥浆体的水化曲线大致相似，但OPC0的凝结开始时间早于OPC5和OPC12.4。这种延迟归因于MSWI底灰基熟料中存在的微量元素和碱。同一案例还显示，随着替代水平的增加，早期龄期的抗压强度降低，但在7天后差异变得不那么明显。这表明废物掺入的主要惩罚与短期水化和强度发展有关，而不是与整体水泥性能的显著损失有关。应当注意的是，所选基准研究中并未一致报告水化热的定量数据，因此没有包含在本比较中。本工作中对水化行为的解释主要基于可用的报告指标，主要是凝结时间和一般水化趋势。尽管如此，根据熟料组成和矿化剂含量的不同，水化过程的差异可能是预期的，这一方面值得进一步研究。

从矿化剂基准中也可以得出类似的结论。在1350°C下燃烧的水泥显示出与1450°C下燃烧的参考水泥相似的凝结和强度行为，尽管燃烧温度较低。相比之下，在1300°C下燃烧的水泥显示出延迟凝结和较低的抗压强度。这证实了低温熟料形成只有在有限的操作窗口内才是可行的，超出这个窗口后，可接受的可燃性不再足以保证可接受的水泥性能。还应当注意的是，所选基准研究中并未一致报告长期抗压强度数据（例如，超过28天的数据），因此也没有包含在本比较中。本工作中对机械性能的解释主要基于早期龄期和28天强度数据。然而，长期强度发展预计取决于熟料相组成，特别是C3S和C2S的相对比例，以及矿化剂和微量元素的影响。这一方面代表了未来研究的重要领域。

低温熟料案例中加入粉碎的塑料废料在工艺规模上也支持了同样的解释。在那项研究中，试验水泥的强度发展略低于试验OPC的水泥，但作者主要将其归因于C3S含量低于目标，而不是由于采用低温路线本身。这一观察很重要，因为它表明部分明显的性能惩罚可能是通过控制熟料组成来解释的，而不仅仅是由于温度降低。综合这些结果表明，水泥性能应被视为筛选框架的最终验证阶段。在熟料形成阶段仍然有利的条件，如果它们导致早期龄期的延迟或减少强度发展，仍然可能只是条件上可行的。相反，当熟料形成基本完成但相平衡向低铝酸钙含量或高贝勒石含量转变时，被认为是条件上可行的。最后，当只有通过更强的矿物学辅助才能实现可接受的可燃性时，或者是受限的。基于此，表5和图4中总结的熟料形成指标构成了本研究中开发的比较筛选框架的核心。

3.6 低温熟料可行性的综合解释
比较分析表明，低温熟料的可行性应理解为组成适应性、工艺条件、熟料形成行为和最终水泥性能的综合结果，而不仅仅是温度降低的结果。在选定的基准案例中，低温熟料形成仅在有限的条件下是可行的。具体来说，废物衍生或矿化组分必须提高可燃性，同时不导致熟料相平衡的过度偏差或不可接受的性能惩罚。MSWI底灰案例表明，当废物衍生材料提供所需的主要氧化物并不妨碍熟料的完全形成时，它可以与波特兰熟料生产兼容。然而，这一案例也表明，随着废物掺入量的增加，熟料逐渐从富含铝酸钙的组成转变为富含贝勒石的组成，同时早期龄期的水化和强度对微量元素和碱更加敏感。因此，这条路线可以被视为条件上可行的：熟料形成仍然可接受，但随着替代水平的增加，组成和性能的余地变得狭窄。矿化剂基准更清楚地定义了实际的低温窗口。在这种情况下，1350°C的条件可以被认为是有利的，因为在相对于传统的1450°C熟料实现了等效的可燃性，而水泥性能大致相当。相比之下，1300°C的条件应被视为受限的。尽管通过增加氟达到了等效的可燃性，但所得熟料表现出较低的堆积密度、延迟凝结和较低的抗压强度，表明在报告的条件下，较低的温度不能被广泛认为是有利的。

综合这些基准案例，低温熟料的可行性支持三级解释。当低温燃烧或废物掺入改善或保持了可燃性同时保持了可接受的熟料相平衡和水泥性能时，条件被认为是有利的。当熟料形成基本完成但相平衡向低铝酸钙含量或高贝勒石含量转变时，被认为是条件上可行的。当只有在更强的矿物学辅助下才能获得可接受的可燃性，或者最终熟料和水泥性能与参考值偏差过大时，被认为是受限的。基于此，本研究将1350°C确定为所选文献中最现实的低温熟料生产基准，而进一步降低到1300°C应被视为一个边界条件，而不是一个普遍目标。同样，当主要氧化物的贡献是有用的且微量元素除量是可控的时，可以认为适度的废物替代是可行的，但允许的范围必须由限制性的组成因素定义，并根据熟料形成和性能指标进行验证。本文提出的综合筛选框架并不通过提供一种通用的解决方案来支持低温熟料生产，而是通过比较分析区分出有利、有条件可行和受限的路径。从实际水泥厂的角度来看，该框架可以作为初步筛选工具，用于评估新类型废弃物是否适合掺入原料中。具体步骤如下：首先判断该废弃物是否能提供有用的熟料形成氧化物，并将其中的微量元素控制在可接受范围内；其次估算其替代原料的合理比例，以适应目标原料配方和预定的燃烧条件；第三评估熟料在可燃性、相平衡以及熔融过程中的稳定性；最后验证所得熟料是否能够满足水泥产品的性能要求。该框架并不取代实际试验，而是帮助在开展更耗资源的验证之前，判断某条废弃物利用路径是否具有可行性、条件是否满足或存在限制。

4. 结论
本研究通过开放获取的案例研究和电子表格数据集，提出了一种评估低温熟料生产可行性的比较筛选框架。研究结果表明，可行性不仅取决于燃烧温度，还受成分、可燃性、熟料相平衡以及水泥性能的影响。MSWI（城市固体废弃物）底灰的测试表明，当这些废弃物能够提供主要的熟料形成氧化物时，可以作为辅助原料使用；然而，其替代比例受到Fe2O3含量的限制，增加替代比例会导致熟料中C3S成分降低、C2S成分升高，从而降低早期强度。矿物添加剂的测试显示，当调整F和SO3含量以保持相当的可燃性时，将燃烧温度从1450°C降至1350°C是可行的；但若进一步降至1300°C，则需要增加氟的添加量，导致水泥凝固过程变慢且抗压强度降低。最有用的筛选指标包括游离石灰含量、相组成、熔融相关参数以及水泥性能。仅靠低游离石灰含量并不足以确定一条有利的低温生产路径，因为即使可燃性满足要求，也可能伴随熟料中铝酸钙含量的减少或 cement 性能下降。虽然本研究未涉及定量CO2当量分析，但预计低温熟料生产可以降低热能耗，未来工作应将当前筛选框架与能源和排放分析相结合，以更直接地量化这一效益。总体而言，现有文献支持将低温熟料生产的可行性分为三个等级：有利、有条件可行和受限。根据所选的矿物添加剂测试结果，1350°C可以被视为最现实的低温生产条件；而1300°C则应被视为一个受限的下限案例，而非普遍适用的熟料生产目标。