高替代燃料技术在水泥工艺设计中的应用实践.pdf

-18-2023.No.90前言当下，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%1，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1428 GJ/t，粒度在100 mm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。表1替代燃料的热值和物理特性类别Qnet，ad/（GJ/t）粒度/mm水分/%密度/（t/m3）粗绒毛类废物1680%60，100%100150.1碎轮胎2880%60，100%10020.5碎木头1480%60，100%100200.30.5整汽车轮胎286500.14整卡车轮胎281 0800.16细绒毛类废物193012.30.1动物肉19.610120.7种子16.9102.90.5干污泥141014.40.74废溶剂161废油417.00.9 表2替代燃料的化学分析%类别AadSClSiO2Al2O3Fe2O3CaO P2O5粗绒毛类废物150.4514215碎轮胎181.60.0617碎木头90.040.03整汽车轮胎181.60.0617整卡车轮胎181.60.0617细绒毛类废物150.450.94215动物肉200.50.6520.20.297种子0.08干污泥0.26废溶剂0.5废油0.04（1）粗的替代燃料喂入分解炉：喂入分解炉的替高替代燃料技术在水泥工艺设计中的应用实践姚秀丽，邓玉华，李润国，张秒，李学忠（中材建设有限公司，北京100176）摘要：随着经济的发展，农业废物、工业废物和生活垃圾量日益增加，对环境造成了严重的污染。本文结合项目实际，根据不同替代燃料的理化特性及水泥烧成系统的特点，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，采用多点喂料方式将各种替代燃料分别喂入分解炉中部、分解炉底部、窑尾烟室、窑头主燃烧器，开发了全替代燃料分解炉及轻质替代燃料立式烘干系统，设计的燃料替代率高达80%，实现各种废弃物的再利用，降低环境污染。关键词：高替代燃料技术；多点喂料；全替代燃料分解炉；轻质替代燃料立式烘干系统；碳减排中图分类号：TQ172.625文献标志码：B文章编号：1002-9877（2023）09-0018-04DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.09.0042023.No.9-19-姚秀丽，等：高替代燃料技术在水泥工艺设计中的应用实践代燃料主要是粗绒毛类废物、碎轮胎、碎木头，最大尺寸100 mm。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1 080 mm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30 mm。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：CO消除区燃尽区三次风次进风口二级燃烧器三次风主进风口强贫氧区一级燃烧器替代燃料喂入口1替代燃料喂入口2贫氧燃烧区图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。带活动底板的料斗卸车料斗泵送罐车箱式储库皮带秤煤磨阀组、泵阀组、泵废油废溶剂石油焦干污泥种子动物肉整轮胎碎轮胎碎木头粗绒毛类废物卸车坑碎轮胎卸车坑碎木头卸车坑细绒毛类废物粗绒毛类废物行车抓斗提升机轮胎分离器窑尾煤粉仓窑头煤粉仓气力输送气力输送气力输送种子仓动物肉仓辊子输送机粗绒毛类废物出料料斗碎轮胎出料料斗碎木头出料料斗勾式提升机粗绒毛类废物皮带秤碎轮胎皮带秤碎木头皮带秤螺旋输送机管道式烘干系统螺旋输送机辊子输送机管状皮带机管状皮带机分解炉底部分解炉中部锁风阀门窑尾烟室转子秤锁风阀门拉链机分解炉燃烧器转子秤窑头主燃烧器图1替代燃料的处置工艺设计方案-20-2023.No.9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2。部分现场照片见图3。粗替代燃料行车堆棚行车抓斗 管带机输送至预热器整轮胎输送系统 细绒毛类废物立式烘干系统窑头多通道燃烧器图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、年用量及热量占比类别喂入位置年用量/t热值占比/%粗绒毛类废物分解炉底部55 00031.34碎轮胎分解炉中部10 50010.47碎木头分解炉中部25 00012.46整汽车、卡车轮胎窑尾烟室6 6006.58细绒毛类废物窑头主燃烧器18 00012.18动物肉窑头主燃烧器4 5003.14种子窑头主燃烧器4 5002.71干污泥分解炉燃烧器窑头主燃烧器2 0001.00废溶剂分解炉燃烧器窑头主燃烧器5000.28废油窑头主燃烧器2000.293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0.852 tCO2/t熟料3，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零4。该项目水泥生产线规模2 500 t/d，实现每吨熟料减碳241 kg，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1 000 mm，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，一2023.No.9-21-钨冶炼固体废物（以下简称钨渣）一般指碱煮法冶炼钨过程中产生的钨冶炼渣。钨渣主要由金属和非金属氧化物组成，含锰、镍、砷、铅、铬等重金属，我国钨冶炼行业虽发展迅速，但是针对每年产生的大量钨渣仍然是以堆放为主，长期堆存不仅占用大量的土地资源，同时伴生的重金属元素对环境还存在着潜在的污染风险，2016版的 国家危险废物名录 中，“仲钨酸铵生产过程中碱分解产生的碱煮渣”（钨渣）已经被列入到危险废物范围内，导致我国钨冶炼行业面临空前的环保压力和挑战。尤其我国作为世界第一的钨储量、产量及出口国，更应合理处置钨渣，如若处置不当会对生态环境及人身健康造成严重危害。在环境保护和资源化利用的双重压力下，如何实现对钨渣的减量化、资源化和无害化处置，对我国钨冶炼产业的可持续发展具有重大意义。目前，较多的研究仅从钨渣的再提炼及资源化利用入手，并未彻底消除钨渣的潜在危险。本文充分利用水泥窑协同处置危险废物“吃干榨净”及钨渣在水泥窑中处置过程豁免的技术优势，开展钨渣作为水泥生产钙质替代原料的探索处置研究，在资源最大化利用，消除钨渣作为危险废物的危险特性的同时，探讨了钨渣作为替代石灰石原材料对水泥品质的影响，明确钨渣的质量特征，以期为水泥窑协同处置钨渣的技术提供依据和指导。1试验材料与方法1.1试验材料钨渣为洛阳栾川钼业集团股份有限公司提供，采用随机采样方式对钨渣进行采样。利用取样铲随机在一辆车上进行十次单点取样，每车取样不超过1 kg，以五车为一组，然后将每车采取的样品充分混合，每组样品作为一个份样，为保证数据的均一性及合理性，取十组进行分批次检测。1.2检测方法钨渣热值分析采用GB/T 2122008煤的工业分析方法 测定；水分检测采用减重法；常规化学分析参照GB/T 1762008水泥化学分析方法 和DZG 022011岩石矿物分析。2结果与分析2.1钨渣理化特性钨渣成分检测结果见表1。水泥窑协同处置钨渣的生产试验方磊，马长鹏（中国海螺环保控股有限公司，安徽芜湖241000）摘要：结合水泥窑运行及水泥质量分析，研究了钨渣替代部分钙质原料处置后对水泥熟料磷含量、碱含量、凝结时间及强度的影响。结果表明：控制掺加比例在5%以内，虽一定程度上延迟了水泥的凝结，但对3 d及28 d强度有较大的正向贡献，同时减少了碳排放。关键词：水泥窑协同处置；钨渣；替代原料；水泥强度中图分类号：TQ172.9；TQ172.44文献标志码：B文章编号：1002-9877（2023）09-0021-03DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.09.005定要考虑替代燃料的特点，避免结拱和堵料的发生。实际选择设备时，除了注意不同设备的适应性外，还要考虑设备一些细节设计，所以要选用专业且有输送此类物料经验的厂家。5展望面对日益严峻的各种垃圾问题，水泥行业替代燃料处置技术将会得到进一步发展，更好地实现各种废弃物的再利用，减少二氧化碳排放，降低环境污染。参考文献：1江旭昌.我国水泥工业当前应大力发展“替代燃料”产业J.新世纪水泥导报，2021（6）：18-23.2张思才，刘永强，高海岗.可替代燃料在新型干法水泥熟料生产中的研究与应用J.河南建材，2018（1）：60-61.3马娇媚，徐磊，隋明洁.水泥生产过程碳排放影响因素分析J.水泥技术，2021（5）：28-35.4中国建筑材料联合会.建筑材料工业二氧化碳排放核算方法J.江苏建材，2021（2）：77-79.（编辑王新频）欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀欀