高替代燃料技術(shù)在水泥工藝設計中的應用實踐

當下，碳達峰、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%。我國采用替代燃料的時間短，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%，還有人說至2020年底僅為2%，第二代新型干法水泥示范線主要經(jīng)濟技術(shù)指標達標要求替代燃料率≥40%，而國外一些國家和地區(qū)燃料替代率已達80%以上。水泥行業(yè)的碳減排任重道遠，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、細絨毛類廢物、動物肉、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，要綜合考慮每種替代燃料的配比和用量。2、替代燃料工藝設計方案通過分析所用替代燃料的理化特性及燒成系統(tǒng)的特點，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)，通過接收、儲存、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計方案見圖1。圖1替代燃料的處置工藝設計方案表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的卸車坑，通過自動行車抓斗喂入相應的出料料斗，再通過兩條管狀皮帶機，較重的碎輪胎和碎木頭經(jīng)鎖風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整個的汽車或卡車輪胎用鏟車喂入帶活動底板的料斗，經(jīng)過一系列輥子輸送機、輪胎分離器、勾式提升機及鎖風閥門等，喂入窯尾煙室。（3）細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）、動物肉、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應的通道。細絨毛類廢物與動物肉、種子混入拉鏈機喂入轉(zhuǎn)子秤，再氣力輸送喂入窯頭主燃燒器。同時設計了一套管道式烘干系統(tǒng)，利用窯尾余熱，將細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入煤磨，再通過煤粉倉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，見圖2，可實現(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維度上多點分散喂料，強化燃料在爐內(nèi)的分散和燃燒；（2）采用大爐容設計，加大燃料燃燒空間；（3）分解爐喂料采用多點分料設計，在爐內(nèi)形成高溫區(qū)，加快難燃燃料的燃燒。針對部分輕質(zhì)替代燃料水分較高，開發(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)采用立式管道設計，僅為一段直徑與長度特定的管道，烘干后的輕質(zhì)替代燃料進入旋風除塵器，再接袋式收塵器對烘干氣流中殘余的物料進行二次收集，烘干后的輕質(zhì)替代燃料被收集后輸送至計量及喂料系統(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，烘干后的廢氣通過廢氣風機再引回燒成系統(tǒng)。部分替代燃料（絨毛類廢物、動物肉等）會將大量的氯離子帶入燒成系統(tǒng)，根據(jù)氯、硫、K、Na的含量，設計旁路放風系統(tǒng)的放風率為12%。同時，旁路氣體導致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系統(tǒng)用做冷卻機的冷卻氣體，在冷卻機的熱回收區(qū)再次作為二次風以及三次風進入燒成系統(tǒng)。部分現(xiàn)場照片見圖3。圖3部分現(xiàn)場照片通過上述替代燃料工藝設計方案，各種替代燃料的喂入位置、年用量及熱量占比見表3，整個水泥燒成系統(tǒng)的燃料替代率達到了80%以上，達到了預期目標。表3各種替代燃料的喂入位置、年用量及熱量占比3、應用預期效果本文所涉及項目是我公司承建的在水泥生產(chǎn)線應用替代燃料的總承包項目，項目已于2022年1月17日點火投產(chǎn)。設計的燃料替代率80%以上，其中窯尾替代率54%以上，窯頭替代率26%以上，但受替代燃料供應限制，實際燃料替代率在60%~70%。依據(jù)《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》準入值計算的碳排放，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，無疑對減少水泥生產(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。該項目水泥生產(chǎn)線規(guī)模2?500t/d，實現(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t，按歐洲碳交易平均價格60歐元/t計，預計每年可產(chǎn)生約1?190萬歐元的碳減排收益。采用替代燃料在減少二氧化碳排放的同時，還可以無害化處置城市廢棄物，降低了環(huán)境污染，具有重要的社會意義。4、經(jīng)驗啟示（1）替代燃料需進行分類、預處理，根據(jù)其物理和化學特性，需要從接收、儲存、輸送、喂料四個環(huán)節(jié)分類采用對應的技術(shù)路徑處理。（2）分解爐設計、替代燃料喂料點布置，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；爐容設計需采用大爐容設計，提高替代燃料停留時間，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計，采用多通道燃燒器，選用高熱值替代燃料，對于高水分替代燃料，可以通過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）輸送用皮帶機容易漏料，推薦用拉鏈機、鉸刀等封閉設備，若使用皮帶機，需要是封閉式的，最小帶寬為1?000mm，若使用鉸刀，必須為無軸鉸刀，以避免物料纏繞在軸上。（5）在項目的實際運行中，水泥企業(yè)要確保替代燃料來料的穩(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對水泥燒成系統(tǒng)和水泥熟料質(zhì)量的影響?？傊?，在設計替代燃料輸送及喂料系統(tǒng)時，一定要考慮替