高替代燃料技术在水泥工艺设计中的应用实践

当下，碳达峰、碳中和成为热词。水泥行业是二氧化碳的排放大户，使用替代燃料在减少水泥企业碳排放方面有着巨大作用。在水泥企业碳减排方法中，使用替代燃料占12%。我国采用替代燃料的时间短，燃料种类少，燃料替代率很低，根据推算，2019年底最高约为3.2%，还有人说至2020年底仅为2%，第二代新型干法水泥示范线主要经济技术指标达标要求替代燃料率≥40%，而国外一些国家和地区燃料替代率已达80%以上。水泥行业的碳减排任重道远，使用替代燃料作为碳减排路径之一潜力显著，在水泥烧成系统中推广使用高替代燃料技术是非常紧迫且必要的。1、替代燃料的特性本文所涉及项目要处理的替代燃料包含粗绒毛类废物、碎轮胎、碎木头、整汽车轮胎、整卡车轮胎、细绒毛类废物、动物肉、种子、干污泥、废溶剂、废油等十余种，各种替代燃料的理化特性和元素分析见表1和表2。由表1和表2可知，所用替代燃料的低位热值为14~28GJ/t，粒度在100mm以下，水分在20%以下，是分类较好、成分和粒度比较均匀、热值较高的替代燃料，非常适合用作水泥烧成系统的替代燃料。为减少替代燃料使用对水泥烧成系统及污染物排放的影响，在将替代燃料喂入水泥烧成系统时，要综合考虑每种替代燃料的配比和用量。2、替代燃料工艺设计方案通过分析所用替代燃料的理化特性及烧成系统的特点，为提高各种替代燃料的燃尽率及热能利用率，集成适用于各类替代燃料的处置装备系统，通过接收、储存、输送、喂料等工序，将各种替代燃料按照下面的技术路径分别喂入水泥烧成系统，各种替代燃料的工艺设计方案见图1。图1替代燃料的处置工艺设计方案表1替代燃料的热值和物理特性表2替代燃料的化学分析%（1）粗的替代燃料喂入分解炉：喂入分解炉的替代燃料主要是粗绒毛类废物、碎轮胎、碎木头，最大尺寸100mm。这些替代燃料每种都有单独的卸车坑，通过自动行车抓斗喂入相应的出料料斗，再通过两条管状皮带机，较重的碎轮胎和碎木头经锁风阀门喂入分解炉中部，较轻的粗绒毛类废物喂入转子秤，再气力输送至分解炉下部。（2）整轮胎喂入窑尾烟室：最大直径1 080mm整个的汽车或卡车轮胎用铲车喂入带活动底板的料斗，经过一系列辊子输送机、轮胎分离器、勾式提升机及锁风阀门等，喂入窑尾烟室。（3）细的替代燃料喂入窑头主燃烧器：喂入窑头主燃烧器的替代燃料有绒毛类废物（细）、动物肉、种子等，最大尺寸30mm。窑头主燃烧器为多通道燃烧器，替代燃料分类喂入对应的通道。细绒毛类废物与动物肉、种子混入拉链机喂入转子秤，再气力输送喂入窑头主燃烧器。同时设计了一套管道式烘干系统，利用窑尾余热，将细绒毛类废物的水分从15%降到5%，增加了替代燃料的使用量和使用效果，提高了燃料替代率。（4）干污泥与石油焦一起进入煤磨，再通过煤粉仓分别输送至水泥窑尾分解炉燃烧器及窑头主燃烧器。（5）废溶剂通过一系列阀组、泵等喂入水泥窑尾分解炉燃烧器及窑头主燃烧器。（6）废油通过一系列阀组、泵等喂入水泥窑头主燃烧器。为提高替代燃料的燃烧效果，自主研发了全替代燃料分解炉，见图2，可实现分解炉燃料替代率100%，其主要技术特征有：图2全替代燃料分解炉（1）根据燃料特性在垂直和水平两个维度上多点分散喂料，强化燃料在炉内的分散和燃烧；（2）采用大炉容设计，加大燃料燃烧空间；（3）分解炉喂料采用多点分料设计，在炉内形成高温区，加快难燃燃料的燃烧。针对部分轻质替代燃料水分较高，开发出轻质替代燃料立式烘干系统，使用窑尾废气作为热源烘干轻质替代燃料。该烘干系统采用立式管道设计，仅为一段直径与长度特定的管道，烘干后的轻质替代燃料进入旋风除尘器，再接袋式收尘器对烘干气流中残余的物料进行二次收集，烘干后的轻质替代燃料被收集后输送至计量及喂料系统喂入窑头主燃烧器燃烧，较大颗粒的轻质替代燃料和较重的杂质从立式烘干系统底部排出，烘干后的废气通过废气风机再引回烧成系统。部分替代燃料（绒毛类废物、动物肉等）会将大量的氯离子带入烧成系统，根据氯、硫、K、Na的含量，设计旁路放风系统的放风率为12%。同时，旁路气体导致VOC、CO、NOx、SO2以及其他有害气体的排放量增加，旁路气体被引接至冷却机系统用做冷却机的冷却气体，在冷却机的热回收区再次作为二次风以及三次风进入烧成系统。部分现场照片见图3。图3部分现场照片通过上述替代燃料工艺设计方案，各种替代燃料的喂入位置、年用量及热量占比见表3，整个水泥烧成系统的燃料替代率达到了80%以上，达到了预期目标。表3各种替代燃料的喂入位置、年用量及热量占比3、应用预期效果本文所涉及项目是我公司承建的在水泥生产线应用替代燃料的总承包项目，项目已于2022年1月17日点火投产。设计的燃料替代率80%以上，其中窑尾替代率54%以上，窑头替代率26%以上，但受替代燃料供应限制，实际燃料替代率在60%~70%。依据《水泥单位产品能源消耗限额》准入值计算的碳排放，熟料生产的碳排放因子约为0.852tCO2/t熟料，水泥生产产生的CO2排放有将近35%是由于化石燃料的燃烧排放产生的，如果用替代燃料部分或全部替代煤、柴油、天然气等，无疑对减少水泥生产CO2排放有很大帮助。在建筑材料工业碳减排、碳中和核算中，易燃的可再生能源和废弃物碳排放视为零。该项目水泥生产线规模2 500t/d，实现每吨熟料减碳241kg，碳减排28%，每年可减少二氧化碳排放19.88万t，按欧洲碳交易平均价格60欧元/t计，预计每年可产生约1 190万欧元的碳减排收益。采用替代燃料在减少二氧化碳排放的同时，还可以无害化处置城市废弃物，降低了环境污染，具有重要的社会意义。4、经验启示（1）替代燃料需进行分类、预处理，根据其物理和化学特性，需要从接收、储存、输送、喂料四个环节分类采用对应的技术路径处理。（2）分解炉设计、替代燃料喂料点布置，需按替代燃料比重、颗粒形状等特性，分类从分解炉中部、下部、窑尾烟室喂入；炉容设计需采用大炉容设计，提高替代燃料停留时间，为提高替代燃料燃烬率及替代率创造条件。（3）窑头替代燃料喂入设计，采用多通道燃烧器，选用高热值替代燃料，对于高水分替代燃料，可以通过烘干提高入窑替代燃料净热值，保证窑内有较高火焰温度，为提高燃料替代率和保证熟料质量创造条件。（4）输送用皮带机容易漏料，推荐用拉链机、铰刀等封闭设备，若使用皮带机，需要是封闭式的，最小带宽为1 000mm，若使用铰刀，必须为无轴铰刀，以避免物料缠绕在轴上。（5）在项目的实际运行中，水泥企业要确保替代燃料来料的稳定性和质量的均衡性，从而最大限度地减少替代燃料波动对水泥烧成系统和水泥熟料质量的影响。总之，在设计替代燃料输送及喂料系统时，一定要考虑替