国内水泥窑替代燃料的研究现状.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 1 4国内水泥窑替代燃料的研究现状秦楠楠,王 娣,张春艳,李丹丹,朱水强(中信重工工程技术有限责任公司,洛阳4 7 1 0 3 9)摘 要:水泥窑协同处置固废是解决工业固废和生活垃圾主要途径之一。大部分固废具有一定的热值,可作为水泥窑替代燃料。文章简述了生物质燃料、工业废料、废旧轮胎、生活垃圾和污泥作为国内水泥窑替代燃料的研究现状,表明固废作为水泥窑替代燃料的应用前景是十分广阔的。同时提出目前水泥窑替代燃料存在的问题和解决途径。关键词:水泥窑;固废;替代燃料R e s e a r c hS t a t u so fC e m e n tK i l nA l t e r n a t i v eF u e l i nC h i n aQ I NN a n-n a n,WANGD i,ZHANGC h u n-y a n,L ID a n-d a n,ZHUS h u i-q i a n g(C i t i cH e a v yI n d u s t r i e sE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yC o,L t d,L u o y a n g4 7 1 0 3 9,C h i n a)A b s t r a c t:C e m e n tk i l nc o l l a b o r a t i v ed i s p o s a l o f s o l i dw a s t ew a so n eo f t h em a i nw a y s t os o l v e i n d u s t r i a l s o l i dw a s t ea n dh o u s e h o l dw a s t e.M o s to f t h es o l i dw a s t eh a dc e r t a i nc a l o r i f i cv a l u ea n dc a nb eu s e da ss u b s t i t u t ef u e l f o rc e m e n tk i l n.I nt h i sp a p e r,t h er e s e a r c hs t a t u so fb i o m a s sf u e l,i n d u s t r i a lw a s t e,w a s t et i r e,h o u s e h o l dw a s t ea n ds l u d g ea st h es u b s t i t u t e f u e l o f c e m e n tk i l n i nC h i n aw a sb r i e f l yd e s c r i b e d.I ts h o w e dt h a t t h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fs o l i dw a s t ea st h es u b s t i t u t e f u e l o f c e m e n tk i l nw a sv e r yb r o a d.A n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n ds o l u t i o n so f r e p l a c i n gf u e l i nc e m e n tk i l n sa r ep r o p o s e d.K e yw o r d s:c e m e n tk i l n;s o l i dw a s t e;a l t e r n a t i v e f u e l收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 7.作者简介:秦楠楠(1 9 9 3-),硕士.E-m a i l:q i n 9 9 3 9 1 51 6 3.c o m随着我国的经济迅速发展,工业和生活产生的固体废弃物污染引发的环境问题也日益显著,因此变废为宝大势所趋。中国环境报1显示,2 0 2 2年2 6 1个大、中城市一般工业固体废弃物产量为2 3.8 3亿万t。其中,综合利用量1 4.6 5亿t,处置量7.0 8亿t,贮存量1.9 7亿t,倾倒丢弃量5 7.8 5万t。水泥窑协同处置固废是综合利用的主要途径之一,将各种可燃废料作为替代燃料,有望实现水泥熟料生产对化石能源的“零消耗”。2 0 2 2年1 2月2 1日,生态环境部发布 国家重点推广的低碳技术目录(第四批)的通知2,其中“生活垃圾生态化前处理和水泥窑协同处置技术”名列燃料及原材料替代类技术中。文章从生物质燃料、工业废料、生活垃圾、废旧轮胎和污泥等水泥窑替代燃料的研究现状进行阐述,来探究替代燃料目前存在的问题及解决途径。1 替代燃料的研究现状1.1 生物质燃料我国生物质材料丰富,作为替代燃料使用,可减少氮氧化物、硫氧化物、有害气体和废渣的产生。生物质也具备碳中性(生长消耗的C O2与燃烧排放相同),是全球公认的“零排放”绿色能源。抗生素菌渣主要是抗生素药物提取工序产生的固废,其热值为1 2.5M J/k g左右。李强3在河北某水泥企业使用水泥窑焚烧菌渣,使用菌渣作为替代燃料,水泥生产线设计能力为50 0 0t/d,每小时处理危废4t,其产生热值能替代2t实物煤,对熟料生产无明显影响。轩红钟4以某公司生物质替代燃料项目为例,通过对稻草、秸秆等处理,输送至分解炉喂料点,经过试95建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期验,生物质燃料喂料量达到2 5.6 8t/h,热耗替代率为4 1.0 4%,降低标煤使用量为4 1.8 0k g/(tc l)。任勇等5在东南亚水泥项目,使用稻壳替代部分原煤作为水泥熟料燃料的应用,减少了煤炭使用;对熟料烧成和熟料质量影响都在可控范围内;系统S O2和NOx排放值下降明显。张宗见等6使用秸秆作为替代燃料在水泥工业中使用,通过设计一种双燃料互补系统,在分解炉同时使用化石燃料和生物质燃料,结果表明生物质燃料热耗替代率4 0%,C F D(C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s,计算流体动力学)模拟结果显示分解炉近壁面温度分布均匀,对烧成系统运行无影响。蔡正7使用生物质园林垃圾(树枝、木材等)作为水泥窑替代燃料。结果表明,其各项理化指标均满足T/C I C0 4 92 0 2 1 水泥窑用固体替代燃料 相关要求,可作为替代燃料在分解炉中使用。赵璐涵8将松木与褐煤掺混作为水泥工业燃料使用,结果表明,松木掺混比为4 0%时,热解油产率达到最大值1 9.8 8%,热值为3 3.6 8 7M J/k g,比烟煤高出1 7.3 4%,且燃烧时间短,燃烧性能优越,可作为高品质的水泥工业替代燃料。1.2 工业废料石油焦是 原 有 经 蒸 馏 将 轻 重 质 油 分 离 后,重 质 油 再 经 热 裂 的 过 程 转 化 的 产 品,其 热 值 大 约 为80 0 0k c a l/k g。翟宝9在水泥中使用石油焦作为替代燃料,掺入比例为4 5%,水泥窑工况良好、熟料质量稳定。徐玉成等1 0在某水泥熟料生产线上使用1 0 0%的高硫石油焦,通过对石油焦的粉磨破碎处理,严格控制其含硫量,采取一系列的设计措施,项目完成各项考核。油漆渣具有一定热值,属于可燃性工业废物。黄丽霖等1 1利用某水泥窑协同处置油漆渣可燃废物,控制油漆渣粒在4 0mm以内,熟料质量符合标准。含油污泥是石油石化生产过程中产生的一种含油固体废弃物,具有一定热值。邓皓等1 2利用水泥窑处理含油污泥,其灰分可作为水泥生产的替代原料。且含油污泥平均热值达1 7.6M J/k g,可作为替代燃料使用。黄敏锐1 3使用含油污泥作为水泥窑替代燃料进行研究,产能为50 0 0t/d水泥生产线。当含油污泥在煤粉的掺入比例为1 4%时,标煤的用量相应减少,掺入方式和掺入量对水泥产品的质量影响很小。煤矸石是采煤和洗煤中排放的固体废弃物,其灰分与水泥生料相似,且具有一定热值。赵艳等1 4以某50 0 0t/d水泥生产线为例,使用煤矸石代替部分燃料,工业分析热值为76 7 0k J/k g,经过对生产线调试,发现煤矸石最佳添加量为3 0%时,效果最好。范立强等1 5对某45 0 0t/d熟料水泥生产线进行改造,利用部分煤矸石替代煤粉。使用的煤矸石发热量为50 0 0k J/k g左右,水泥窑分解炉用煤量为1 9.8t/h,技改完成后,煤矸石用于分解炉的替代量为6.2t/h,替代率为3 1%,生产指标正常。纺织边角料具有物料单一、热值高、灰分低、含水率低等优点,可作为替代燃料使用。蔡正1 6使用废纺作为替代燃料应用于水泥窑,其热值高,热转化效率高,试验证明1.7 4t替代燃料可以节约1t煤。赵欣1 7使用废纺、废皮革、塑料为主要原料作为替代燃料,减少了0.6 9t/h煤粉,可降低3.3 7%的水泥回转窑的煤炭用量,各项生产指标影响较小。造纸厂的废渣主要是制浆和污水处理的杂质。李栋才等1 8将造纸厂废渣作为水泥窑替代燃料使用,通过对废渣的脱水、筛选、挤压制作成燃料棒,水分降低到1 5%,每3t燃料棒可替代1t成品煤粉。张思才等1 9通过在25 0 0t/d的生产线上使用替代燃料,主要是皮毛、粗糙混合物(碎轮胎、碎木屑、汽车碎塑料等)等,替代燃料占比为7 8.8%,而传统化石燃料只有2 1.2%,由于废物中可能含有大量氯离子,设计1 2%的旁路放风系统,对水泥熟料质量无明显影响。1.3 废旧轮胎汽车轮胎材料的主要成分为5 0%的橡胶、2 5%的炭黑、1 5%的钢丝、1 0%的硫氧化锌和硫助剂等,其工业分析热值为3 7.1M J/k g。曹向东等2 0利用汽车废旧轮胎作为水泥窑替代燃料进行试验,选择三个入窑位置:烟室、分解炉、预燃室,试验结果表明,轮胎破碎粒径1 03 0mm,入窑位置在预燃室,和煤粉燃烧更接近,平均1t轮胎替代标煤0.9 5t,在掺加轮胎碎片后对熟料质量无明显影响。王新频等2 1利用A s p e nP l u s软件建立水泥工业预分解窑22 0 0t/d系统的工艺模型,模拟水泥窑协同处置废旧轮胎,模拟结果显示8 2%煤+1 8%废旧轮胎的燃料,可以将熟料热耗降到3M J/k g左右,减少C O2排放量,且对熟料生产几乎无影响。06建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期蔡正7利用废旧轮胎作为替代燃料,结果表明,其热值与煤粉相近,同时超过了T/C I C0 4 92 0 2 1 水泥窑用固体替代燃料 中窑头、窑尾用固体替代燃料全硫2.0%的要求。1.4 生活垃圾水泥窑协同处置生活垃圾技术从基本原理上分为两类:第一类为制备成垃圾衍生燃料(R D F)入水泥窑处置,通过脱水、破碎、筛分等工艺将生活垃圾中可燃成分制成R D F替代部分燃煤,在水泥窑高温区焚烧;第二类将生活垃圾经脱水、破碎等预处理后,使用新增加配套焚烧设备对其焚烧,产生的废气及废渣进入水泥窑。陈晓东等2 2在32 0 0t/d新型干法生产线进行了1 0 0t/d生活垃圾气化炉的建设与运行,垃圾处置量为4.5t/h。在生料投料量基本无变化的情况下,分解炉的用煤量略有下降,且对产品质量几乎无影响。李春萍等2 3将热值为1 25 0 0k J/k g以上的矿化垃圾投入32 0 0t/d的新型干法窑,作为替代燃料使用。结果表明:经过脱水且粒径为1 0 0mm左右的垃圾,投加量为2.5t/h时对水泥窑系统影响较小。1t垃圾能够替代0.5t煤粉,表明矿化垃圾可用作替代燃料使用。王新频等2 1利用A s p e nP l u s软件建立水泥工业预分解窑22 0 0t/d系统的工艺模型,模拟水泥窑协同处置生活垃圾。结果显示,生活垃圾作为替代燃料,其热量替代率达到3 0%时,C O2排放量降低4.7%。李岚等2 4处理餐厨和粪便方法,是采用“预处理+联合厌氧消化”工艺,通过水泥窑焚烧系统,使其产生沼气作为替代燃料返回焚烧炉,灰分可作为熟料成分。1.5 污泥污泥含水率是影响污泥作为水泥熟料和替代燃料的主要因素,经过干化处理后的污泥,有机物含量较高,具有较高的发热量,可以替代水泥窑的部分燃料,含水率在3 8%左右的干化污泥热值在29 0 0k c a l/k g以上。黄川等2 5利用城市污泥作为水泥行业替代燃料,通过新增烘干预处理系统,污泥干化所需热量可利用现有熟料生产线预处理窑尾余热。干燥污泥发热量较高,为8.6 01 6.0 2M J/k g,污泥与煤粉掺量不超过4 0%时,混合燃料的燃烧稳定性较好。李可欣2 6对污泥不同含水率的发热量进行研究,确定污泥用作替代燃料的含水率为1 0%3 0%。干燥污泥平均发热量为1 3.6 9k J/k g,发热量相对较高,污泥在煤粉中的添加量不宜超过4 0%。张小雄等2 7在广州某水泥60 0 0t/d的生产线上,新建一座日处理污泥6 0 0t(含水率8 0%)的干化处置中心,将污泥干燥后(含水率3 0%)作为燃料进行焚烧,平均热值为1 3.7 9M J/k g,焚烧废渣替代黏土作为硅质、铝质原料,处理污泥后没有影响水泥熟料质量。2 结 语近年来,在“双碳”背景下,国家大力发展绿色循环经济,水泥行业为解决废料垃圾的环境问题,降低化石燃料的使用,使用大量固废作为替代燃料。但是,目前面临的问题2 8,2 9仍是制约替代燃料发展的关键:a.政府还未出台完整的替代燃料补贴政策,部分水泥企业对于使用替代燃料动力不足。b.热值较高的替代燃料固废分布分散,预处理回收利用不科学,专门从事替代燃料回收利用的企业较少。c.具有燃料价值的废料中含有可能对水泥质量产生危害的物质成分,目前还没有建立完善的标准体系来应对替代燃料中的有害成分。d.水泥窑利用废物垃圾作为替代燃料的处理量有限,不足以处理全部废料垃圾。随着国家和水泥科研院所以及企业对于替代燃料的研究和认识越来越深,我国的水泥窑替代燃料方向会越来越明确,将会逐步建立科学的替代燃料使用体系和专业化的回收制备企业,替代燃料技术和市场将会更加成熟和科学化,助力我国完成减排目标。参考文献1 全球排行榜网.2 0 2 2年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报E B/O L.h t t p:/ww w.m e i h u 5.c o m/f i l e/8 1 0 0 5.h t-m l,2 0 2 2-0 9-2 0.16建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期2 生态环境部网.国家重点推广的低碳技术目录(第四批)的通知E B/O L.h t t p s:/ww w.m e e.g o v.c n/x x g k 2 0 1 8/x x g k/x x g k 0 6/2 0 2 2 1 2/t 2 0 2 2 1 2 2 1_1 0 0 8 4 2 4.h t m l,2 0 2 2-1 2-2 1.3 李 强.菌渣作为替代燃料在水泥生产中的应用J.水泥,2 0 2 0(7):1 1-1 4.4 轩红钟.农林生物质替代燃料技术在水泥窑炉系统的应用J.中国水泥,2 0 2 1(9):8 3-8 4.5 任 勇,鲍文华.生物质燃料(稻壳)在水泥生产线的应用J.中国水泥,2 0 2 1(8):7 5-7 7.6 张宗见,轩红钟.生物质替代燃料对水泥熟料烧成系统的影响分析J.水泥工程,2 0 2 1(1):2 8-3 0.7 蔡 正.水泥窑用固体替代燃料对比分析J.水泥工程,2 0 2 2(6):6 5-6 8.8 赵璐涵.褐煤与松木共热解半焦用作水泥窑替代燃料的基础研究D.武汉:武汉科技大学,2 0 2 0.9 翟 宝.石油焦作为新型替代燃料在水泥窑应用的探讨J.江苏建材,2 0 2 1(6):2 4-2 6.1 0徐玉成,李安平.高硫石油焦作水泥替代燃料J.中国水泥,2 0 0 9(2):6 8-7 1.1 1黄丽霖,杨 帆.水泥窑协同处置油漆渣可燃废物的生产应用J.水泥,2 0 1 8(4):1 8-1 9.1 2邓 皓,王蓉沙.水泥窑协同处置含油污泥J.环境工程学报,2 0 1 4,8(1 1):4 9 4 9-4 9 5 4.1 3黄敏锐.典型污泥类废物水泥窑协同处置技术研究D.杭州:浙江工商大学,2 0 1 6.1 4赵 艳,温 平.石煤作燃料在50 0 0t/d生产线上的应用J.水泥,2 0 1 0(2):3.1 5范立强,王丙旭.浅谈煤矸石替代部分燃料在水泥企业的应用J.建材发展导向,2 0 1 6,1 4(1 6):5 4-5 6.1 6蔡 正.水泥窑协同处置废纺作替代燃料的试验研究J.水泥工程,2 0 2 2(5):1 7-1 8.1 7赵 欣.水泥回转窑应用工业固废替代燃料的节煤效果研究J.皮革制作与环保科技,2 0 2 2,3(1 2):1 8 9-1 9 2.1 8李栋才,胡 晓.水泥窑协同处置造纸厂一般工业固废的研究J.江西化工,2 0 1 9(5):1 0 9-1 1 2.1 9张思才,刘永强.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,2 0 1 8(1):6 0-6 1.2 0曹向东,黄 岚.废旧轮胎和大件垃圾作水泥窑替代燃料的研究J.水泥,2 0 2 1(7):1 6-1 9.2 1王新频.水泥窑协同处置固体废物对熟料率值和污染物排放的影响J.新世纪水泥导报,2 0 1 8,2 4(4):5-9.2 2陈晓东,李 威.生活垃圾气化水泥窑协同处置技术研究及应用J.中国水泥,2 0 1 6(4):7 4-7 7.2 3李春萍,詹永利.矿化垃圾筛上物替代水泥窑燃料的工业性试验研究J.水泥,2 0 1 2(3):9-1 3.2 4李 岚,赵家良.餐厨垃圾与生活垃圾焚烧协同处置的工程应用J.现代化工,2 0 2 2,4 2(2):1 9-2 4.2 5黄 川,李 彤.城市污泥用作水泥行业替代燃料的可行性分析J.安全与环境学报,2 0 1 8,1 8(3):1 1 4 4-1 1 4 9.2 6李可欣.污泥用作水泥工业替代燃料合理工艺J.城市地理,2 0 1 7(1 4):1 5 7.2 7张小雄,陈文和.利用水泥窑协同处置城市污水处理厂污泥J.中国水泥,2 0 1 1(2):5 1-5 4.2 8李鹏鹏,任强强.面向双碳的低碳水泥原料/燃料替代技术综述J.洁净煤技术,2 0 2 2,2 8(8):3 5-4 2.2 9张 江,王加军.水泥窑协同处置技术实现行业碳减排面临的问题及建议J.中国水泥,2 0 2 1(6):9 2-9 4.26建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期