德國水泥工業(yè)使用代用燃料概況

1 序

水泥工業(yè)是高投資和高能耗的產(chǎn)業(yè)。為適應(yīng)市場競爭，近30年來，德國水泥工業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新，使用免稅甚至補貼的經(jīng)過處置的工業(yè)和商業(yè)廢棄物，以降低生產(chǎn)費用，其使用量逐年增大，平均能耗代用率從1987年的4.1%增至2014年的63.4%。

德國水泥工業(yè)使用代用燃料最初的動力是降低燃料費用。通過多年的努力，有些水泥廠燃料費用降至為“零”，有些還會增加收入。另外，使用代用燃料還可以利用廢棄物所含熱量，減少石化燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量，避免廢棄物填埋占地所產(chǎn)生的水和農(nóng)作物污染，有利于環(huán)境保護?，F(xiàn)水泥工業(yè)已發(fā)展為環(huán)境保護系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

水泥窯用代用燃料種類甚多，早期大多使用熱值高、性能穩(wěn)定的石油焦、廢輪胎和廢機油。近年來逐漸增加工、商業(yè)廢棄物中的廢塑料、紙張、紡織纖維等，以及污水污泥、城市生活垃圾等。上述廢棄物經(jīng)處置、篩選、混合及成球后，可作為水泥窯和分解爐燃燒器燃料，且已形成主流。

代用燃料在使用過程中，堿、氯、硫、磷等有害化合物易產(chǎn)生堿硫、堿氯循環(huán)，影響熟料的產(chǎn)質(zhì)量，增加對窯筒體及耐火磚的化學(xué)侵蝕。

使用代用燃料的水泥廠必須配備完善的處置裝置，所處置的廢棄物必須保持熱值等性能和供應(yīng)數(shù)量長期穩(wěn)定，才能保持穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 德國水泥工業(yè)概況

2014年，德國水泥產(chǎn)量為3 100萬噸，占世界總量的0.74%，排名第15位。

德國水泥企業(yè)由22家中等規(guī)模水泥公司和跨國水泥公司所組成，共有55座水泥廠和粉磨站，所在地見圖1。水泥工業(yè)基本概況見表1。

2014年，53條生產(chǎn)線共計生產(chǎn)2 400萬噸熟料。已建的水泥生產(chǎn)裝備中，有39條帶預(yù)熱器的生產(chǎn)線，6條為立波爾窯生產(chǎn)線，8條為立窯生產(chǎn)線。預(yù)熱器窯中，9條為帶三次風(fēng)管的預(yù)分解生產(chǎn)線，3條為管路分解生產(chǎn)線。每臺窯的平均熟料產(chǎn)量為2 355t/d。年消耗生料約4 200萬噸，年熱能消耗為9 250萬吉焦（表2）。

表1 德國水泥基本數(shù)據(jù)

水泥在生產(chǎn)過程中主要消耗的是熱能和電能，多年來，德國一直通過技術(shù)優(yōu)化降低生產(chǎn)能耗。上世紀50年代初，德國水泥工業(yè)主要為濕法生產(chǎn)，平均單位熟料熱耗稍低于7 000kJ/kg。60年代轉(zhuǎn)為干法生產(chǎn)為主，平均單位熟料熱耗有較大幅度下降。目前，德國水泥工業(yè)約有93.8%產(chǎn)能的回轉(zhuǎn)窯為預(yù)熱器、預(yù)分解窯，近15年來，年平均熟料熱耗大致為2 700～3 000kJ/t（圖2）。

表2 德國水泥工業(yè)有關(guān)數(shù)據(jù)（2014年）

3 燃料

80年代中期，水泥廠開始試驗使用家庭廢棄物作煅燒熟料的代用燃料，在成功的基礎(chǔ)上，擴大為工業(yè)、商業(yè)和環(huán)保廢棄物燃料。德國水泥工廠協(xié)會（VDZ）從1987年開始對水泥廠使用代用燃料進行統(tǒng)計，歷年的平均熱量代用率見圖3。

由圖3的代用燃料平均熱利用率可以看出，一些水泥廠已從初始的拒絕使用到目前接近100%使用,代用燃料在歐洲的利用率最高，圖4為2013年各國水泥工業(yè)利用廢棄物燃料平均熱利用率（有選擇性的），最高為奧地利，＞70%。

表3為水泥廠使用的常規(guī)燃料和代用燃料的種類，包括固體、液體和氣體燃料。

由于對煅燒水泥熟料所使用的代用燃料熱值及其成分均有要求，水泥廠在使用工、商業(yè)廢料前，需要經(jīng)過處置，才能滿足水泥窯燃料的需求，為此各水泥廠均需建立廢料管理系統(tǒng)，將廢棄物處置后才能供水泥廠使用。

圖2 歷年德國水泥熟料生產(chǎn)熱耗（1987年以前為西德、以后為全德熟料熱耗）

圖3 依據(jù)熱量代用率統(tǒng)計的德國水泥工業(yè)平均年使用代用燃料量

有些工業(yè)廢棄物成分較均勻且熱值高，可直接作代用燃料；有些廢棄物成分不均，需經(jīng)處置后，將高熱值的廢料分離出來才可作代用燃料；有些則需將高熱值和低熱值工業(yè)廢棄物搭配使用。所以要根據(jù)所在地廢棄物狀況來決定處置的流程和所需的裝備。

圖4 各國水泥工業(yè)廢棄物燃料平均利用率

表3 水泥廠使用的常規(guī)燃料和代用燃料的種類

圖5為16年來德國水泥工業(yè)使用工業(yè)廢棄物作代用燃料的演變情況。1998年德國水泥廠使用78.2萬噸代用燃料。2014年增至310萬噸，相當于58.678百萬吉焦的熱量，約267萬噸褐煤或200萬噸無煙煤。

水泥工業(yè)使用的代用燃料中，主要為工、商業(yè)的廢塑料、紙、紙板以及少部分紡織纖維等。經(jīng)混合和均化后，制成熱值約23MJ/kg的可供燃料器用的小顆粒代用燃料（圖6），2014年，此類代用燃料占總量的42.8%。

在代用燃料中，熱值較為穩(wěn)定的有：肉骨料（約1 800MJ/kg）和廢輪胎（約2 800MJ/kg），分別制成球粒和切成碎片后入窯燃燒。

2005年德國明令禁止使用城市生活垃圾和污泥填地或作為農(nóng)業(yè)肥料。從2004年至今，上述兩種熱值約8～11MJ/kg的代用燃料的用量逐年增加。

2014年水泥工業(yè)使用的燃料總熱量為9 250萬吉焦。常規(guī)燃料約占36.6%。其中，褐煤占21.1%，約89萬噸；煙煤占9.6%，約31萬噸；石油焦占4.5%；油占0.9%；天然氣占0.5%。同年代用燃料的熱代用率為63.4%，為5 860萬吉焦。

4 使用代用燃料的動力

水泥工業(yè)屬于高耗能的產(chǎn)業(yè)。為減少煅燒熟料所消耗的燃料費用，德國水泥企業(yè)通過技術(shù)優(yōu)化，使用免稅甚至補貼的代用燃料，以降低生產(chǎn)費用，這就是水泥廠使用代用燃料的主要動力。從實踐來看，一些水泥廠使用代用燃料后，燃料費用為“零”，有些還會增加收入（圖7）。

水泥工業(yè)使用代用燃料除燃料費用下降外，還有如下優(yōu)點：

可利用廢棄物所含能量，減少石化燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量。

有利于環(huán)境保護，如避免廢棄物填埋占地及產(chǎn)生的水污染。

開發(fā)了利用工、商業(yè)廢棄物的一批專用裝備。增加了水泥產(chǎn)品的商業(yè)競爭力。

圖5 德國水泥工業(yè)歷年使用各種代用燃料演變情況

圖6 各種工、商業(yè)廢棄物經(jīng)混合后，制成的小顆粒代用燃料

圖7 使用代用燃料后熟料煅燒燃料費用歷年降低情況

由于水泥廠大量使用工業(yè)廢棄物作燃料，德國所興建的很多處置工商業(yè)廢棄物的基礎(chǔ)設(shè)施都按水泥生產(chǎn)需求建設(shè)，促使水泥工業(yè)成為廢棄物處置的重要環(huán)節(jié)。

在水泥工業(yè)使用工商業(yè)廢棄物作代用燃料的長期實踐中出現(xiàn)了一些問題，主要有：

（1）工商業(yè)廢料中，含有相當數(shù)量的堿氯、堿硫以及磷等影響水泥生產(chǎn)的化合物，在生產(chǎn)過程中增加了堿氯硫循環(huán)，在一定程度上影響了熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。減緩的辦法是在易結(jié)皮的部位設(shè)置空氣炮，若堿氯含量過多，則需設(shè)置旁路放風(fēng)裝置，所回收的含堿、氯、硫的粉塵，部分可作肥料，部分經(jīng)處置后可作原料。

（2）廢燃料熱值通常較正常燃料低，且含水量高。煅燒熟料時，產(chǎn)生的廢氣量多，在一定程度上增加了熟料的熱耗，降低了產(chǎn)量。

（3）代用燃料中的堿、氯、硫含量增加了窯內(nèi)耐火磚、窯筒體、金屬部件所承受的熱化學(xué)應(yīng)力，易使窯筒體、一些金屬部件腐蝕和耐火磚損壞，相應(yīng)地縮短了窯運轉(zhuǎn)周期，增加了維護費用。

上述情況表明，水泥窯使用工、商業(yè)廢棄物時，必須結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行。利用量必須予以控制，不能過多影響熟料產(chǎn)質(zhì)量及熱耗。

6 結(jié)語

德國水泥工業(yè)使用代用燃料，可以大幅降低燃料費用。歷經(jīng)30年的努力，至2014年，德國水泥工業(yè)平均熱量代用量已達63.4%，目前，有些企業(yè)燃料費用已降至零以下。代用燃料品種為工業(yè)、商業(yè)、環(huán)保所產(chǎn)生的各種廢棄燃料。水泥工業(yè)已成為廢棄物處置工業(yè)的重要部分，對環(huán)境保護作出了重大貢獻。

水泥廠處置廢料作代用燃料的優(yōu)點是：可利用品種多，且熱量可利用，殘渣可作熟料成分，有助于減少使用和保存天然礦物燃料。缺點是在一定程度上影響了生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，代用量有所限制。

水泥廠使用的代用燃料的熱值、性能及數(shù)量必須滿足水泥廠長期使用的要求，保證生產(chǎn)運行平穩(wěn)和產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

陳友德編譯自

No.2/2015 Cement International