高替代燃料技術(shù)在水泥工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

當(dāng)下，碳達(dá)峰、碳中和成為熱詞。水泥行業(yè)是二氧化碳的排放大戶，使用替代燃料在減少水泥企業(yè)碳排放方面有著巨大作用。在水泥企業(yè)碳減排方法中，使用替代燃料占12%。我國(guó)采用替代燃料的時(shí)間短，燃料種類少，燃料替代率很低，根據(jù)推算，2019年底最高約為3.2%，還有人說(shuō)至2020年底僅為2%，第二代新型干法水泥示范線主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)要求替代燃料率≥40%，而國(guó)外一些國(guó)家和地區(qū)燃料替代率已達(dá)80%以上。水泥行業(yè)的碳減排任重道遠(yuǎn)，使用替代燃料作為碳減排路徑之一潛力顯著，在水泥燒成系統(tǒng)中推廣使用高替代燃料技術(shù)是非常緊迫且必要的。1、替代燃料的特性本文所涉及項(xiàng)目要處理的替代燃料包含粗絨毛類廢物、碎輪胎、碎木頭、整汽車輪胎、整卡車輪胎、細(xì)絨毛類廢物、動(dòng)物肉、種子、干污泥、廢溶劑、廢油等十余種，各種替代燃料的理化特性和元素分析見(jiàn)表1和表2。由表1和表2可知，所用替代燃料的低位熱值為14~28GJ/t，粒度在100mm以下，水分在20%以下，是分類較好、成分和粒度比較均勻、熱值較高的替代燃料，非常適合用作水泥燒成系統(tǒng)的替代燃料。為減少替代燃料使用對(duì)水泥燒成系統(tǒng)及污染物排放的影響，在將替代燃料喂入水泥燒成系統(tǒng)時(shí)，要綜合考慮每種替代燃料的配比和用量。2、替代燃料工藝設(shè)計(jì)方案通過(guò)分析所用替代燃料的理化特性及燒成系統(tǒng)的特點(diǎn)，為提高各種替代燃料的燃盡率及熱能利用率，集成適用于各類替代燃料的處置裝備系統(tǒng)，通過(guò)接收、儲(chǔ)存、輸送、喂料等工序，將各種替代燃料按照下面的技術(shù)路徑分別喂入水泥燒成系統(tǒng)，各種替代燃料的工藝設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。圖1替代燃料的處置工藝設(shè)計(jì)方案表1替代燃料的熱值和物理特性表2替代燃料的化學(xué)分析%（1）粗的替代燃料喂入分解爐：喂入分解爐的替代燃料主要是粗絨毛類廢物、碎輪胎、碎木頭，最大尺寸100mm。這些替代燃料每種都有單獨(dú)的卸車坑，通過(guò)自動(dòng)行車抓斗喂入相應(yīng)的出料料斗，再通過(guò)兩條管狀皮帶機(jī)，較重的碎輪胎和碎木頭經(jīng)鎖風(fēng)閥門喂入分解爐中部，較輕的粗絨毛類廢物喂入轉(zhuǎn)子秤，再氣力輸送至分解爐下部。（2）整輪胎喂入窯尾煙室：最大直徑1?080mm整個(gè)的汽車或卡車輪胎用鏟車喂入帶活動(dòng)底板的料斗，經(jīng)過(guò)一系列輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)、輪胎分離器、勾式提升機(jī)及鎖風(fēng)閥門等，喂入窯尾煙室。（3）細(xì)的替代燃料喂入窯頭主燃燒器：喂入窯頭主燃燒器的替代燃料有絨毛類廢物（細(xì)）、動(dòng)物肉、種子等，最大尺寸30mm。窯頭主燃燒器為多通道燃燒器，替代燃料分類喂入對(duì)應(yīng)的通道。細(xì)絨毛類廢物與動(dòng)物肉、種子混入拉鏈機(jī)喂入轉(zhuǎn)子秤，再氣力輸送喂入窯頭主燃燒器。同時(shí)設(shè)計(jì)了一套管道式烘干系統(tǒng)，利用窯尾余熱，將細(xì)絨毛類廢物的水分從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）干污泥與石油焦一起進(jìn)入煤磨，再通過(guò)煤粉倉(cāng)分別輸送至水泥窯尾分解爐燃燒器及窯頭主燃燒器。（5）廢溶劑通過(guò)一系列閥組、泵等喂入水泥窯尾分解爐燃燒器及窯頭主燃燒器。（6）廢油通過(guò)一系列閥組、泵等喂入水泥窯頭主燃燒器。為提高替代燃料的燃燒效果，自主研發(fā)了全替代燃料分解爐，見(jiàn)圖2，可實(shí)現(xiàn)分解爐燃料替代率100%，其主要技術(shù)特征有：圖2全替代燃料分解爐（1）根據(jù)燃料特性在垂直和水平兩個(gè)維度上多點(diǎn)分散喂料，強(qiáng)化燃料在爐內(nèi)的分散和燃燒；（2）采用大爐容設(shè)計(jì)，加大燃料燃燒空間；（3）分解爐喂料采用多點(diǎn)分料設(shè)計(jì)，在爐內(nèi)形成高溫區(qū)，加快難燃燃料的燃燒。針對(duì)部分輕質(zhì)替代燃料水分較高，開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)替代燃料立式烘干系統(tǒng)，使用窯尾廢氣作為熱源烘干輕質(zhì)替代燃料。該烘干系統(tǒng)采用立式管道設(shè)計(jì)，僅為一段直徑與長(zhǎng)度特定的管道，烘干后的輕質(zhì)替代燃料進(jìn)入旋風(fēng)除塵器，再接袋式收塵器對(duì)烘干氣流中殘余的物料進(jìn)行二次收集，烘干后的輕質(zhì)替代燃料被收集后輸送至計(jì)量及喂料系統(tǒng)喂入窯頭主燃燒器燃燒，較大顆粒的輕質(zhì)替代燃料和較重的雜質(zhì)從立式烘干系統(tǒng)底部排出，烘干后的廢氣通過(guò)廢氣風(fēng)機(jī)再引回?zé)上到y(tǒng)。部分替代燃料（絨毛類廢物、動(dòng)物肉等）會(huì)將大量的氯離子帶入燒成系統(tǒng)，根據(jù)氯、硫、K、Na的含量，設(shè)計(jì)旁路放風(fēng)系統(tǒng)的放風(fēng)率為12%。同時(shí)，旁路氣體導(dǎo)致VOC、CO、NOx、SO2以及其他有害氣體的排放量增加，旁路氣體被引接至冷卻機(jī)系統(tǒng)用做冷卻機(jī)的冷卻氣體，在冷卻機(jī)的熱回收區(qū)再次作為二次風(fēng)以及三次風(fēng)進(jìn)入燒成系統(tǒng)。部分現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。圖3部分現(xiàn)場(chǎng)照片通過(guò)上述替代燃料工藝設(shè)計(jì)方案，各種替代燃料的喂入位置、年用量及熱量占比見(jiàn)表3，整個(gè)水泥燒成系統(tǒng)的燃料替代率達(dá)到了80%以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。表3各種替代燃料的喂入位置、年用量及熱量占比3、應(yīng)用預(yù)期效果本文所涉及項(xiàng)目是我公司承建的在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用替代燃料的總承包項(xiàng)目，項(xiàng)目已于2022年1月17日點(diǎn)火投產(chǎn)。設(shè)計(jì)的燃料替代率80%以上，其中窯尾替代率54%以上，窯頭替代率26%以上，但受替代燃料供應(yīng)限制，實(shí)際燃料替代率在60%~70%。依據(jù)《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》準(zhǔn)入值計(jì)算的碳排放，熟料生產(chǎn)的碳排放因子約為0.852tCO2/t熟料，水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2排放有將近35%是由于化石燃料的燃燒排放產(chǎn)生的，如果用替代燃料部分或全部替代煤、柴油、天然氣等，無(wú)疑對(duì)減少水泥生產(chǎn)CO2排放有很大幫助。在建筑材料工業(yè)碳減排、碳中和核算中，易燃的可再生能源和廢棄物碳排放視為零。該項(xiàng)目水泥生產(chǎn)線規(guī)模2?500t/d，實(shí)現(xiàn)每噸熟料減碳241kg，碳減排28%，每年可減少二氧化碳排放19.88萬(wàn)t，按歐洲碳交易平均價(jià)格60歐元/t計(jì)，預(yù)計(jì)每年可產(chǎn)生約1?190萬(wàn)歐元的碳減排收益。采用替代燃料在減少二氧化碳排放的同時(shí)，還可以無(wú)害化處置城市廢棄物，降低了環(huán)境污染，具有重要的社會(huì)意義。4、經(jīng)驗(yàn)啟示（1）替代燃料需進(jìn)行分類、預(yù)處理，根據(jù)其物理和化學(xué)特性，需要從接收、儲(chǔ)存、輸送、喂料四個(gè)環(huán)節(jié)分類采用對(duì)應(yīng)的技術(shù)路徑處理。（2）分解爐設(shè)計(jì)、替代燃料喂料點(diǎn)布置，需按替代燃料比重、顆粒形狀等特性，分類從分解爐中部、下部、窯尾煙室喂入；爐容設(shè)計(jì)需采用大爐容設(shè)計(jì)，提高替代燃料停留時(shí)間，為提高替代燃料燃燼率及替代率創(chuàng)造條件。（3）窯頭替代燃料喂入設(shè)計(jì)，采用多通道燃燒器，選用高熱值替代燃料，對(duì)于高水分替代燃料，可以通過(guò)烘干提高入窯替代燃料凈熱值，保證窯內(nèi)有較高火焰溫度，為提高燃料替代率和保證熟料質(zhì)量創(chuàng)造條件。（4）輸送用皮帶機(jī)容易漏料，推薦用拉鏈機(jī)、鉸刀等封閉設(shè)備，若使用皮帶機(jī)，需要是封閉式的，最小帶寬為1?000mm，若使用鉸刀，必須為無(wú)軸鉸刀，以避免物料纏繞在軸上。（5）在項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行中，水泥企業(yè)要確保替代燃料來(lái)料的穩(wěn)定性和質(zhì)量的均衡性，從而最大限度地減少替代燃料波動(dòng)對(duì)水泥燒成系統(tǒng)和水泥熟料質(zhì)量的影響?？傊谠O(shè)計(jì)替代燃料輸送及喂料系統(tǒng)時(shí)，一定要考慮替