水泥窑使用不同替代燃料的研究

水泥窑使用不同替代燃料的研究

水泥窑使用替代燃料是水泥行业实现节能降碳的重要途径。本文以某水泥公司4500t/d新型干法水泥窑为研究对象，详细介绍了生物质颗粒、橡胶粉、废旧塑料、废旧衣服和生物质粉末等不同种类替代燃料的使用效果和存在问题。研究结果表明，生物质粉末因其易燃性好、热值利用率高等特点，在实际应用中对窑的影响相对较小。

水泥窑使用替代燃料的必要性

替代燃料指的是利用非危险废物类可燃烧废物为主要原料，通过预处理、除杂、破碎、筛分、分选等工艺制备而得，以直接或间接形式为各类用能单元提供热能的燃料。水泥窑替代燃料来源主要包括废布料、秸秆、稻壳、废旧轮胎、废塑料、废橡胶、橡胶粉、竹炭、炭黑等。

为加快推进工业绿色低碳转型，切实做好工业领域碳达峰工作，《工业领域碳达峰实施方案》要求，到2025年规模以上工业单位增加值能耗较2020年下降13.5%，单位工业增加值CO2排放下降幅度大于全社会下降幅度，重点行业CO2排放强度明显下降；《水泥行业节能降碳改造升级实施指南》指出，积极开展水泥行业节能低碳技术发展路线研究，加大技术攻关力度，支持和鼓励水泥单位利用自有设施、场地实施余热利用、替代燃料等，减少对化石能源的利用。

我国固体废物资源丰富，将其作为燃料代替传统工艺中的化石燃料，不仅可以实现固体废物的资源化利用，缓解城市固废围城的高压态势，同时也能助力水泥厂等高能耗企业节能减排、绿色转型。同时，受国家“节能、降耗、减碳”政策影响，水泥企业能耗指标管控形势日益严峻，使用替代燃料或将成为水泥企业节能降碳的一个重要手段。

水泥窑处置替代燃料工艺方案

某水泥公司4500t/d的新型干法水泥窑，配套建设了替代燃料预处理及入窑处置系统。主要方案：制备替代燃料的废布料、废塑料、废旧橡胶等原材料进厂后，贮存在新建车间内，分别堆放储存；各类物料经过破碎机等预处理措施后，最终出料粒度<100mm，满足后续的计量和入分解炉输送要求；经过破碎后的物料经皮带输送至窑尾预热器塔架内；在预热器塔内设置了一套计量、暂存仓等设施，最终将替代燃料通过溜管、锁风翻板阀设备喂入分解炉进行焚烧处置。替代燃料入炉工艺见图1。

不同种类替代燃料使用分析

几种替代燃料

某水泥公司通过对不同种类替代燃料的成分及燃烧试验情况进行检测，并在保证窑况稳定的前提下，将不同种类替代燃料投加至该公司4500t/d的新型干法水泥窑内，以了解不同种类替代燃料对水泥生产线运行的影响。

成分情况

热值、水分、硫、氯的检测方法按照GB/T176—2017《水泥化学分析方法》的要求执行。检测结果见表1。

燃烧试验

燃烧试验参照检测方法GB/T39833—2021《煤的燃烧特性测定方法—维炉法》的要求执行。检测结果见表2。

运行分析

该水泥公司测试阶段，熟料氯离子本底值约0.035%，内控标准为0.05%，从氯离子来看，投加空间为0.015%，部分替代燃料因氯离子较高，在实际使用过程中，较大影响了替代燃料的投加。另外，因替代燃料投加系统未设置预燃炉，采用直接进入分解炉的方式，也限制了替代燃料投加。

投加生物质颗粒时

粒径分布在0.5~2.5cm，含水量（8.8%）、氯离子（1.17%）均较高，通过理论计算，生物质颗粒投加台时为2.5t/h，对熟料氯离子提升约为0.015%，达到该公司的内控标准。

在实际投加过程中，当投加台时提到2.5t/h时，烟室、分解炉锥部等处结皮清理频次明显提升，通过取样检测，部分熟料样品氯含量最大可达0.055%，超内控标准，且系统CO较高，平均在0.3%0.5%，窑减产510t/h，熟料工序电耗均有所上升。通过对熟料、替代燃料的多次检测和分析，可能存在部分有机氯的挥发，生物质颗粒中实际氯含量要远超1.17%。当台时稳定在1.5t/h时，水泥生产线的各项生产指标可控，对窑台产稍有影响，通过统计投加前后对比，每小时可替代煤粉0.75t。

投加生物质颗粒时，受含水量及氯离子的影响，按照理论限值投加时，对窑的工况影响较大，使用生物质颗粒产生的经济效益被工序电耗上升等覆盖；逐步降低投加台时，熟料生产趋于稳定。每吨生物质颗粒可替代煤粉0.50t，替代燃料热值利用效率为77%。

投加橡胶粉时

物料为粉状，从检测成分来看，水分含量较低，投加台时主要受到硫含量的影响。因橡胶粉来源不足，且橡胶粉采购成本高（高达2000元/t），假定橡胶粉热值利用率100%，其效益性价比也是远低于煤粉。为观察橡胶粉对水泥窑生产的影响，将台时稳定在1.0t/h试验了一段时间，试验期间窑台产、分解炉出口CO及窑电流较未投加之前均波动不大，窑工况较稳定；通过统计投加前后对比，每小时可替代煤粉1.29t。

投加橡胶粉时，理论投加上限主要受制于硫含量，同时因橡胶粉热值高，其细度不能与煤粉相比，也限制了橡胶粉的投加。每吨橡胶粉可替代煤粉1.29t，替代燃料热值利用效率为92%。

投加废旧塑料时

粒径控制在5cm以内，氯离子含量较高（2.04%），通过理论计算，废旧塑料投加台时为1.5t/h，对熟料氯离子提升约为0.015%，达到该公司的内控标准。

通过对废旧塑料灰渣率检测以及考虑有机氯的挥发，推测废旧塑料实际氯含量可能超过5%，在实际投加过程中，废旧塑料投加台时控制在0.5t/h，分解炉出口CO较正常情况下提升0.3%左右，窑台产也出现波动，最高降幅可达5t/h，并在分解炉局部出现爆燃现象，现场结皮清理频次加大，系统稳定性较差。通过统计投加前后对比，每小时可替代煤粉0.26t。

投加废旧塑料时，其台产较低的情况下，对窑的影响依旧很明显，在实际使用过程中，可考虑搭配其他种类的替代燃料共同使用。每吨废旧塑料可替代煤粉0.52t，替代燃料热值利用效率为69%。

投加废旧衣服时

物料为条状，在预处理及输送阶段易缠绕螺旋铰刀等设备，给处理带来了一定的困难，经过现场增设打散等措施，台时可稳定在2.0t/h。废旧衣服的投加，对窑台产约有2~3t/h的影响，分解炉出口CO较正常情况下有所波动，整体来看，窑工况较为稳定。通过统计投加前后对比，每小时可替代煤粉1.4t。

投加废旧衣服时，按照2t/h的台时，对窑的影响相对较小，当台时提高到3~4t/h时，输送阶段缠堵的情况增多，对窑的影响程度加剧。每吨废旧衣服可替代煤粉0.70t，替代燃料热值利用效率为80%。

投加生物质粉末时

物料为粉状，从检测成分来看，生物质粉末投加台时为2.5t/h，对熟料氯离子提升约为0.015%，达到该公司的内控标准。其实际投加台时与使用生物质颗粒相似，但是可以看出生物质粉末较生物质颗粒燃烧特性更好，从窑况来看，使用生物质粉末对窑的影响更小，对窑台产几乎没有影响。通过统计投加前后对比，每小时可替代煤粉0.86t。

投加生物质粉末时，理论投加上限主要受制于氯含量，相同条件下，粉末状物料较颗粒状物料对窑况影响更小。每吨生物质粉末可替代煤粉0.57t，替代燃料热值利用效率为86%。

运行中存在的问题

（1）输送系统需要进一步优化。该公司现场采用中间仓的形式对替代燃料进行暂存并输送至分解炉内处置，当使用废旧衣服等松散物料时，易出现架仓现象，现场通过不断优化拨料、打散的方式，架仓现象得到改善。

（2）有害元素成分不均匀。理论上来说，当采用同一种类的替代燃料时，有害元素相对可控，但是在实际使用过程中，不同批次，甚至同一批次的物料有害元素波动性都较大，限制了配伍作用的发挥。现场通过对原料供应厂家提高相关参数的要求，情况有所好转。

（3）未设置预燃炉。项目未设置预燃炉，替代燃料使用过程中，在有害元素可控的前提下，投加台时仍得不到有效提升，主要是体现在替代燃料的燃烧性较煤粉要差，导致分解炉出口CO波动大；同时可能会出现未燃尽的替代燃料在旋风筒内继续燃烧的现象，导致替代燃料的热值利用率不高。

（4）未设置除氯系统。在几种替代燃料使用过程中，生物质粉末因其易燃等特性，对水泥窑的影响相对较小，但是含氯较高，导致其台时受限。处置替代燃料项目，应考虑设置除氯系统，提高水泥窑对不同种类的替代燃料的适应性。

总结

通过不同种类替代燃料的使用，了解其对水泥生产的影响，在选用替代燃料时，应侧重考虑物料尺寸、有害元素、易燃性、效益等要素；物料尺寸较小的生物质粉末在投加过程中，对窑的影响相对较小，且热值利用率相对较高；有害元素较高的废旧塑料对熟料质量及窑况影响较大；橡胶粉因其效益性价比远低于煤粉，在实际使用过程中，也不会选择橡胶粉作替代燃料。

提高替代燃料在水泥生产中的使用比例符合水泥生产的发展趋势，研究替代燃料理化性质对水泥生产的影响，以及提升替代燃料热值利用效率，最大限度地为水泥生产降本增效。