水泥窑复合替代燃料的设计与应用研究

引言

众所周知，水泥窑生产过程中原料主要来源于石灰石，通过高温煅烧分解后生成CO2，另外就是燃煤作为水泥窑熟料煅烧环节的主要供热资源，在高温加热过程中燃料排放出大量的CO2，也是水泥窑生产熟料释放二氧化碳的主要来源，因石灰石作为水泥窑熟料煅烧的主要钙质原料，钙质原料替代主要可通过电石渣、镁渣等原料实现，但受工艺设计的影响及设备改造的投入，在钙质材料替代使用上，比例微乎其微，那么随着碳排放的核查及低碳产品的设计延伸，燃料替代成为水泥窑企业降低碳排放的唯一出路，本文通过对燃料调研、复配后形成一种用于水泥窑燃料替代的资源。主要应用生物燃料与气化残渣复配可作为替代燃料，利用气化残渣自身的水分在应用中更好地粘结成粒，既弥补了生物质燃料生产过程中的粉尘污染也解决了秸秆储存与运输难题，同时推动气化残渣的有效使用，降低环境污染。

近年来，虽然生物质能发电不如光伏发电、风力发电瞩目，但是实际上我国在生物质能发电方面也在不断发展。2024年一季度，全国生物质发电新增装机63万千瓦，累计装机达4477万千瓦，同比增长7%。生物质发电量518亿千瓦时，同比增长6%。随着我国“双碳”目标正式纳入经济社会发展和生态文明建设整体布局，我国经济社会发展全面向绿色转型，具有“零碳”能源属性、原料资源丰富且能量密度较高的生物质能源与材料产业发展也迎来了新的历史性机遇[1]。

国内替代燃料调研及存在问题

本次调研方向主要有水泥窑熟料煅烧现用无烟煤、煤矸石、烘干煤泥、湿煤泥、化工企业气化残渣、PVC电石项目除尘灰、轮胎颗粒、生物质颗粒等。受地域煤炭资源不同，水泥窑为控制燃煤成本结合工艺情况选择性价比较为优越的热值，例如在榆林地区及周边企业水泥窑煅烧主要采取6000kcal燃煤进行煅烧，内蒙区域主要采用5500kcal燃煤，同时运距偏远地区使用热值更高情况。无烟煤资源较为丰富，分别有露天开采与井下挖采工艺，根据不同煤层结构，使用开采工艺不同，通常检测井下开采原煤收到基低位发热量明显高于露天开采；煤矸石就是在形成过程当中，由于沉积速度不同，在煤层上下沉积着的泥沙层，随煤层所在的地层不同，煤矸石中含有各种不同的岩石，煤矸石灰份中一半以上的因素为SiO2、Al2O3，其中SiO2的含量波动在37%~68%，Al2O3的含量平均波动在11%~36%。多为露天开采，岩层剥离料，收到基低位发热量一般在1800kcal左右，热值相对较低；煤泥主要为煤经过粉碎，洗煤选煤过程中，有大量的煤颗粒参与，一定细度的煤粉和水形成煤泥。一般情况下，都是产出尾煤时会有很多煤泥生成。如动力煤洗煤厂的洗选煤泥、煤炭水力输送后产出的煤泥，这种煤泥有的比原煤质量都好，数量少时还能掺到成品煤中。由于煤的品质不同，洗煤选煤产生煤泥的品质上有较大差别，浮选工艺的抽出率只有30%～40%，这种煤泥灰分比较低，品质和中煤比较接近；部分企业浮选的抽出率可达70%～80%，水浮选尾煤的灰分就较高，品质和矸石接近。由于煤泥含税率较高，使用较为困难，故形成部分烘干煤泥的项目建设，通过高温脱水工艺降低煤泥水分，提高煤泥热量。烘干后煤泥收到基低位发热量为3300kcal；化工企业气化残渣、PVC电石项目除尘灰由于化工企业燃煤指标较高，品质较好，含热废渣热量较为稳定；生物质颗粒主要是利用农业废弃物作为原料，经过粉碎、混合、烘干、挤压等工艺制成的颗粒状的产品，是一种可直接燃烧的新型清洁燃料。生物质燃料按原材料来源分类包括锯末、秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳，热值较煤矸石稳定，具有成本低廉附加值高、应用性强、绿色能源清洁环保等特点，享有“绿煤”的美誉。同时减少一次性能源消耗，实现降低二氧化碳的排放，并增加了农业附加值，提高农民收入，符合国家产业政策，具有较好的经济效益和社会效益[2]，具体调研数据见表1。

水泥窑复合燃料的设计方法

水泥企业一般燃料资源主要以5500kcal无烟煤为主，燃料替代主要为合理的4000kcal燃煤及及低热的煤矸石。4000kcal主要用于水泥窑系统煅烧应用，可搭配不同比例的5500kcal无烟煤分别用于熟料煅烧头、尾煤使用。在不同区域4000kcal低热燃煤受运距成本影响，导致4000kcal燃煤性价比较低，导致近年来低热煤矸石燃料替代利用率大幅上升，水泥窑企业低热替代燃料主要应用于生料配料系统，通过计量秤及合理的配合比通过生料磨粉磨后进入预热器期间提供部分热源，从而可降低水泥窑尾煤使用比例。生物质颗粒主要分为未成型秸秆、挤压成型后秸秆颗粒与秸秆燃料生产过程中的除尘渣，按照规格分类可分为直径8mm，6mm、10mm、12mm、20mm、60mm等多规格的颗粒状产品。未成型秸秆热量3500~3800kcal，挤压后热量相对保持4000kcal，除尘渣热值较低1800kcal左右，可用于取暖、供热、炊事、气化燃烧、烘干、干燥、发电等。因生料中过高的热量在生料粉磨及进入预热器后存在爆燃的安全风险，本次设计方案主要以水泥窑企业生料配料系统热值需求2000kcal替代燃料进行设计，具体通过以下复配方案开展试验，因各区域煤种结构不同，本次复配方案设计未考虑煤中硫含量的测算。气化残渣主要为煤化工行业生产过程中，水煤浆进入德士古气化炉气化燃烧后，尾渣经水急冷后进入沉渣桶，过滤后作为气化渣排出。据不完全统计，仅鄂尔多斯地区，该类渣每年排出量就有200多万吨，堆存后为黑色粉状，土地占压、扬尘污染、水系污染问题突出，严重影响地方生态环境。目前的处置方式以填埋为主，企业每年需投入大量资金进行气化渣的处理。

水泥窑复合替代燃料的试生产及应用

首先通过破碎后，对5500kcal无烟煤与低热煤矸石利用计量装置或混料器复配，复配后主要优势为水分较低，下料顺畅，热值稳定，但受燃煤价格变动，在燃料替代的成本测算中未能发挥优势。通过4000kcal低热煤与煤矸石复配后使用成本大幅度降低，具有较好的使用优势，本次复配为考虑低热燃煤与煤矸石硫含量的测算，因不同区域低热煤与煤矸石硫含量较高，复配后会造成水泥窑系统结皮堵塞等情况。干煤泥为通过对煤泥高温脱水工艺降低煤泥水分，提高煤泥热量，不同比例与煤矸石复配后使用成本大幅度降低的同时各项指标优势明显突出，因市场中煤泥均为脱硫煤泥，且自然晾晒或高温脱水后的水份降低约7%，少量地掺入煤矸石中在提升热量的情况下，性价比明显提高，也是水泥窑企业替代燃料的较好选择。综上试验方案，可看出水泥窑熟料煅烧是煤炭资源消耗重大客户，也是我国将面临节能减排的重点行业，作为农业大国，生物燃料资源丰富，是一种较好的生物质能源，生物质成型燃料是一种清洁、低碳的可再生能源，经济实惠，对环境无污染，是一种优质的环保燃料，热值稳定，取代了传统的化石能源。将生物质燃料与气化残渣结合替代水泥窑传统煤燃料，具有燃烧后污染少、灰质掺入熟料生产、减少排放等优势，是推进水泥行业“低碳、环保、减排”，促进秸秆高效综合利用的有效途径。但由于单纯秸秆存在热值定性差、不易储存、喂料输送等问题，秸秆破碎时产生大量的秸秆粉尘，区别于水泥窑原料粉尘，该粉尘为轻质粉尘，具有难收集，不易清灰的特性，秸秆纤维粉尘易黏刺在滤袋上，不易清理[3]，所以在有效使用的情况下需寻找水分较高的气化残渣燃料进行搅拌挤压成颗粒状。

结语

生物燃料与气化渣复配应用为成本最优方案，且利用价值更高，利用气化残渣自身的水分在应用中更好的黏结成粒，也是燃料替代中降低碳排放的主要途径，同时在环境治理方面做出贡献。生物燃料作为农作物产物，在良田回收后到处都是，特别是对玉米秸秆来说，目前来讲，较为常用的主要为揉搓加工、青贮等，作为牛、羊等的主要饲料。然而作为牛、羊食用后的剩余秸秆，农牧民主要采取集中焚烧的方法处理，会产生大量的有害气体和颗粒物，有效利用生物质燃料具有成本低廉附加值高，与气化残渣结合后密度大、储运方便、效率高且节能、应用广泛。结合上述复配方案生物燃料与气化残渣可作为最优选择方案，既弥补了生物质燃料生产过程中的粉尘污染也解决了秸秆储存与运输难题。在满足环境治理的同时解决了生物质燃料不足，同时推动气化残渣的有效使用，在当前环境承载力日趋严峻的形势下，进行气化渣综合利用，完成固废减量化、处置无害化、消纳规模化、利用高值化，全方位化解资源环境矛盾成为当务之急，更符合国家产业政策，具有较好的经济效益和社会效益。