王俊杰,楊華偉,2,湛月平,3,柴 禎,蔡 軍,3,4,朱治平,3,4

(1.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 煤炭高效低碳利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190;2.煤靈活燃燒與熱轉(zhuǎn)化山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西大同 037000;3.山西省煤炭清潔高效燃燒與氣化工程研究中心,山西 大同 037000;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

水泥工業(yè)是支撐工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料行業(yè),長(zhǎng)期以來(lái)肩負(fù)著“大國(guó)基石”的重要職責(zé),已經(jīng)成為衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。2021年全球水泥產(chǎn)量達(dá)到44億t[1],而我國(guó)當(dāng)年水泥產(chǎn)量約為23.8億t,占比達(dá)54%,占世界首位。水泥工業(yè)雖然是支撐國(guó)家發(fā)展的支柱性行業(yè),但同時(shí)也是典型的能源資源承載性行業(yè)。目前,我國(guó)水泥工業(yè)煤炭消耗量近2億t標(biāo)準(zhǔn)煤,約占建材行業(yè)煤炭消耗總量的70%和全國(guó)煤炭消費(fèi)總量的6%。除高耗能外,水泥工業(yè)也是碳排放大戶。根據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布的報(bào)告[2],2021年全球能源領(lǐng)域CO2排放量約363億t,其中水泥工業(yè)碳排放量約占8%。根據(jù)中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)發(fā)布的報(bào)告[3],2020年我國(guó)水泥工業(yè)CO2碳排放約12.3億t,約占當(dāng)年全國(guó)碳排放總量的12.4%,占比遠(yuǎn)高于國(guó)際平均水平。高耗能、高碳排放已成為制約我國(guó)水泥行業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的重要瓶頸,在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略和能耗雙控目標(biāo)下,水泥工業(yè)面臨巨大的節(jié)煤與減碳?jí)毫Α?/p>

水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放主要來(lái)自化石燃料燃燒(燃燒碳排放)以及碳酸鹽分解(工藝碳排放),發(fā)展原/燃料替代技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)碳中和的有效途徑[4]。國(guó)家部委及相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)近年來(lái)發(fā)布的各類文件,都將原/燃料替代技術(shù)作為水泥工業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向[5-9]。原料替代可解決水泥行業(yè)工藝碳排放問(wèn)題,同時(shí)降低熟料燒成熱耗,但可應(yīng)用的替代原料種類和體量有限,且受地域分布限制。燃料替代則因其種類多、來(lái)源廣的優(yōu)勢(shì)具備廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ),被認(rèn)為是水泥行業(yè)可行性最高的減碳方法。在所有替代燃料中,生物質(zhì)替代燃料以其碳中性特點(diǎn)最具低碳優(yōu)勢(shì),受到水泥行業(yè)的廣泛關(guān)注。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[10]:截至2020年,我國(guó)秸稈理論資源量約8.29億t,可利用的林業(yè)廢棄物總量約3.5億t,生物質(zhì)資源作為能源利用的開(kāi)發(fā)潛力約為4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤;秸稈燃料化利用量為8 821.5萬(wàn)t,林業(yè)廢棄物能源化利用量?jī)H為960.4萬(wàn)t。從可開(kāi)發(fā)潛力與實(shí)際能源化利用的現(xiàn)實(shí)情況對(duì)比來(lái)看,生物質(zhì)作為替代燃料使用的潛力巨大,受到國(guó)內(nèi)外水泥企業(yè)的高度關(guān)注,減少碳排放的同時(shí)還能降低煤炭消耗,減少對(duì)化石能源的依賴,生物質(zhì)替代燃料的規(guī)模化應(yīng)用對(duì)水泥工業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義。

1 生物質(zhì)燃料的分類及特點(diǎn)

2006年聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)發(fā)布的國(guó)家溫室氣體清單指南規(guī)定:生物質(zhì)燃料是指由生物組成的或近期由生物衍生的有機(jī)物,以及從這些材料中產(chǎn)生的產(chǎn)品、副產(chǎn)品和廢物(不包括泥炭)。水泥可持續(xù)發(fā)展倡議行動(dòng)組織(Cement Sustainability Initiative,CSI)[11]和“中國(guó)水泥生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南”[12]給出了水泥行業(yè)常用含生物碳燃料默認(rèn)的碳排放因子,見(jiàn)表1。目前,水泥行業(yè)廣泛使用的含生物碳燃料包括干化污泥、紙、動(dòng)物粉骨粉、農(nóng)林業(yè)廢物、紡織廢物等。下面結(jié)合水泥生產(chǎn)工藝,對(duì)生物質(zhì)燃料特性及其應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行闡述。

表1 水泥行業(yè)常用含生物碳燃料及其碳排放因子[11-12]Table 1 Carbon emission factor of biomass fuels used in cement industry[11-12]

1)生物質(zhì)燃料工業(yè)和元素分析與煙煤差異大。典型生物質(zhì)燃料的工業(yè)和元素分析結(jié)果見(jiàn)表2。與水泥企業(yè)通常使用的煙煤相比,生物質(zhì)燃料具有水分高、揮發(fā)分含量高、固定碳含量低的特點(diǎn),熱值通常在10～15 MJ/kg。根據(jù)GB 50295—2016《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》,水泥熟料煅燒用煤的低位發(fā)熱量應(yīng)不低于23 MJ/kg,水分不高于15.0%。生物質(zhì)燃料通常無(wú)法滿足上述要求,導(dǎo)致其無(wú)法直接用于回轉(zhuǎn)窯。當(dāng)生物質(zhì)燃料應(yīng)用于分解爐時(shí),也往往存在燃燒速度慢、燃盡率低或局部爆燃等問(wèn)題。

表2 典型生物質(zhì)燃料的工業(yè)和元素分析結(jié)果[13-16]Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of typical biomass fuels[13-16]

2)單位發(fā)熱量對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的煙氣量大。生物質(zhì)燃料較高的水分含量導(dǎo)致其單位發(fā)熱量產(chǎn)生的煙氣量更大。以表2數(shù)據(jù)為例,假定玉米秸稈100%替代煙煤,會(huì)導(dǎo)致單位熟料產(chǎn)生的煙氣量增加約0.15 m3/kg熟料,約占預(yù)熱器出口煙氣量的10%。煙氣量的增加會(huì)對(duì)預(yù)熱器系統(tǒng)的阻力、出口溫度、高溫風(fēng)機(jī)能力產(chǎn)生較大影響,這也是水泥窯爐使用包括生物質(zhì)在內(nèi)的替代燃料后,單位產(chǎn)品熱耗增加的主要原因[17]。此外,大部分生物質(zhì)燃料水分較高而熱值較低,導(dǎo)致其單位發(fā)熱量所需的理論空氣量高于煤粉。當(dāng)生物質(zhì)燃料應(yīng)用于水泥窯爐時(shí)需關(guān)注其對(duì)二、三次風(fēng)量以及篦冷機(jī)運(yùn)行的影響。

3)容積密度小。生物質(zhì)燃料結(jié)構(gòu)疏松、容積密度小,常用的生物質(zhì)燃料容積密度在20～250 kg/m3,見(jiàn)表3[18]。生物質(zhì)燃料用于水泥窯爐,對(duì)喂料裝置的密封性、穩(wěn)定性提出了較高要求。密封性能不良時(shí)易產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象,導(dǎo)致熟料燒成熱耗增加[19]。另外,過(guò)小的容積密度使得生物質(zhì)燃料的能量密度較低,增加了燃料的運(yùn)輸成本[20]。

表3 部分典型生物質(zhì)燃料容積密度參考值[18]Table 3 Bulk density of some typical biomass fuels[18]

4)尺寸大且形態(tài)多樣。水泥窯爐燃用煤粉粒徑一般要求75 μm篩余不超過(guò)揮發(fā)分的50%(如若煤粉揮發(fā)分為30%,則其粒徑要求75 μm篩余不超過(guò)15%)。經(jīng)破碎后的生物質(zhì)燃料尺寸通常在80 mm以上,且形態(tài)有長(zhǎng)條狀、薄片狀、球狀等。較大的尺寸限制了燃料燃燒的水分蒸發(fā)速度、傳熱速度,以及擴(kuò)散控制燃燒中氧化劑、氧化產(chǎn)物的擴(kuò)散速度等。另外,部分尺寸過(guò)大的生物質(zhì)燃料在喂入分解爐后可能直接落入煙室,從而對(duì)熟料質(zhì)量及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

5)堿金屬含量高。表4反映了某煤種與生物質(zhì)燃料灰分組成的對(duì)比情況[21]。與煤相比,生物質(zhì)的堿含量更高,灰熔融溫度更低,帶入水泥窯爐中不僅自身易熔融,在窯爐內(nèi)的循環(huán)富集還易引起局部堿結(jié)皮[22],熟料中堿含量升高也易導(dǎo)致熟料早期強(qiáng)度增大而后期強(qiáng)度降低。除堿含量外,部分生物質(zhì)的其他微量元素含量偏高,可能會(huì)對(duì)熟料質(zhì)量造成影響,如甘蔗渣中的磷含量較高(0.7%～1.0%)[23],秸稈類生物質(zhì)燃料中的氯含量較高[24]。

表4 不同燃料的灰分組成[21]Table 4 Ash composition of different fuels[21] %

6)特性波動(dòng)大。生物質(zhì)燃料通常具有周期性、區(qū)域性和季節(jié)性特征,導(dǎo)致水泥企業(yè)收集到的生物質(zhì)燃料種類及所含熱量因收集時(shí)間、地點(diǎn)、季節(jié)差異而產(chǎn)生較大波動(dòng)。較大波動(dòng)會(huì)降低水泥窯產(chǎn)量,增加系統(tǒng)熱耗,影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及耐火材料壽命。

2 生物質(zhì)燃料在水泥行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外水泥企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外部分地區(qū),如歐洲水泥企業(yè)規(guī)?；蒙镔|(zhì)等替代燃料已有30 a以上的歷史,包括生物質(zhì)在內(nèi)的替代燃料收集、加工預(yù)處理及在水泥行業(yè)的應(yīng)用均相對(duì)比較成熟,整體熱量替代率(Thermal Substitution Ratio,RTS)較高,與此相對(duì)應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也較為完善。

2.1.1 國(guó)外替代燃料標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外建立了較為完善的替代燃料(含生物質(zhì)燃料)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(EN)發(fā)布了系列固體回收燃料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如ISO 21645《固體回收燃料-取樣方法》、EN 15415《固體回收燃料-粒度分布的測(cè)定》等。內(nèi)容涵蓋了包括生物質(zhì)燃料在內(nèi)的固體回收燃料各個(gè)方面,如基本定義、取樣方法、樣品制備、參數(shù)檢測(cè)(包括水分、粒度分布、密度、灰熔融溫度、橋接性、機(jī)械耐久性、生物質(zhì)含量、各元素含量、工業(yè)分析和熱值等)、質(zhì)量管理、選型規(guī)范等。完善的標(biāo)準(zhǔn)能夠保證制備出來(lái)的生物質(zhì)等替代燃料符合技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)要求,為固體回收燃料的規(guī)范化制備、水泥企業(yè)的高效使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1.2 國(guó)外水泥企業(yè)應(yīng)用生物質(zhì)燃料的情況

全球水泥和混凝土協(xié)會(huì)(Global Cement and Concrete Association,GCCA)“校準(zhǔn)數(shù)據(jù)”(Get the Number Right,GNR)項(xiàng)目所收集到的全球800多家水泥企業(yè)數(shù)據(jù)顯示:2020年全球水泥行業(yè)熱量消耗中化石燃料占比80.9%,替代燃料和混合廢物占比12.4%,生物質(zhì)燃料占比6.7%。不同年份替代燃料和混合廢物、生物質(zhì)燃料的RTS變化如圖1所示,替代燃料和混合廢物的RTS由1990年1.7%增至2020年12.4%,生物質(zhì)燃料由0.3%增至6.7%。根據(jù)GNR數(shù)據(jù),2019年部分國(guó)家水泥行業(yè)所用燃料占比如圖2所示,其中國(guó)家順序按化石燃料占比由高到低排列?；剂险急茸钚〉膰?guó)家是奧地利,占比22%。捷克、德國(guó)和波蘭等國(guó)家生物質(zhì)燃料占比較高,均超過(guò)了22%。大部分國(guó)家生物質(zhì)燃料占比小于替代化石和混合廢物占比,但資源豐富的菲律賓、巴西的生物質(zhì)燃料占比是替代化石和混合廢物占比的1.5倍和1.2倍。綜合來(lái)看,德國(guó)的生物質(zhì)燃料、替代化石和混合廢物占比之和達(dá)70%以上,處于全球最先進(jìn)水平之列,其中生物質(zhì)燃料占比達(dá)22.3%。據(jù)GNR最新數(shù)據(jù),2020年歐盟替代燃料和混合廢物占比35.3%、生物質(zhì)燃料占比17.0%、化石燃料占比47.7%;北美替代燃料和混合廢物占比11.8%、生物質(zhì)燃料占比2.5%、化石燃料占比85.7%。

圖1 全球水泥行業(yè)替代燃料RTS變化Fig.1 RTS trend of alternative fuels for the global cement industry

根據(jù)GNR數(shù)據(jù),全球水泥行業(yè)燃用不同種類生物質(zhì)燃料占比如圖3所示。其中,農(nóng)業(yè)廢物、有機(jī)廢物、紡織廢物占比最大,達(dá)32%;其次是動(dòng)物粉,占比20%;木材、未經(jīng)防腐處理的鋸末占比16%。

圖3 2020年全球水泥行業(yè)燃用不同種類生物質(zhì)的占比Fig.3 Distribution of biomass fuels used in cement industry in 2020

全球部分水泥生產(chǎn)集團(tuán)在生物質(zhì)燃料、替代化石和混合廢物方面的RTS如圖4所示[25-29]。RTS最高的水泥企業(yè)為CRH,2021年達(dá)33.0%,其中生物質(zhì)燃料RTS為9.6%,替代化石和混合廢物RTS為23.4%。生物質(zhì)燃料RTS最高的水泥企業(yè)為Cemex,2021年達(dá)10.7%。圖4數(shù)據(jù)均為上述跨國(guó)水泥集團(tuán)的全球平均水平,其在歐洲地區(qū)的RTS則顯著高于全球平均水平,如CRH歐洲水泥工廠替代燃料總RTS超50%,Holcim則達(dá)到了61%。此外,全球各大集團(tuán)都設(shè)定了宏偉的燃料替代率目標(biāo),如到2030年,Heidelberg Materials燃料替代率目標(biāo)為45%,Holcim為37%,Cemex則為55%以上。

圖4 全球部分水泥集團(tuán)2020/2021年替代燃料RTS[25-29]Fig.4 Alternative fuels RTS of some cement manufacture groups in 2020/2021[25-29]

2.2 國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)水泥企業(yè)使用包括生物質(zhì)在內(nèi)的替代燃料起步較晚,利用水泥窯大規(guī)模處置生活垃圾可燃物、長(zhǎng)江漂浮物等替代燃料始于2010年前后,起步階段以生活垃圾、污泥等低熱值物料為主[30-32]。近年來(lái),我國(guó)水泥企業(yè)積極利用包括生物質(zhì)在內(nèi)的各類替代燃料。2020年,樅陽(yáng)海螺投運(yùn)了國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)首套生物質(zhì)替代燃料系統(tǒng),年處理秸稈15萬(wàn)t,節(jié)約標(biāo)煤5萬(wàn)t[33]。根據(jù)《2021年水泥行業(yè)清潔生產(chǎn)發(fā)展報(bào)告》[34],我國(guó)水泥窯協(xié)同處置替代燃料的水泥線占比不超3%,RTS約2%,較國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大差距。

2.2.1 國(guó)內(nèi)替代燃料標(biāo)準(zhǔn)

圍繞固體生物質(zhì)燃料,國(guó)內(nèi)也發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 28730《固體生物質(zhì)燃料樣品制備方法》。內(nèi)容涵蓋了生物質(zhì)燃料的術(shù)語(yǔ)、樣品制備、參數(shù)檢測(cè)(包括水分、灰熔融溫度、元素分析、工業(yè)分析和熱值等)。此外,還為水泥窯協(xié)同處置生活垃圾等固體廢物設(shè)定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 30760《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》,為水泥企業(yè)積極利用包括生物質(zhì)在內(nèi)的各類替代燃料提供了相關(guān)規(guī)范。除國(guó)標(biāo)外,2021-1790T-JC《水泥窯用生活垃圾預(yù)處理可燃物制備技術(shù)規(guī)范》、2022CBCAJH005《用于水泥工業(yè)的生物質(zhì)燃料》、T/CIC 049—2021《水泥窯用固體替代燃料》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)也正起草或已發(fā)布,進(jìn)一步完善了水泥窯用生物質(zhì)等替代燃料的技術(shù)規(guī)范。

與國(guó)外系列標(biāo)準(zhǔn)相比,我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在取樣方法、部分參數(shù)檢測(cè)(如樣品尺寸、橋接性能、微量元素等)、安全處理和儲(chǔ)存等方面仍不夠完備且對(duì)企業(yè)的指導(dǎo)性不足,導(dǎo)致部分水泥企業(yè)在采購(gòu)生物質(zhì)等替代燃料時(shí)缺少依據(jù),使用時(shí)又不能掌握規(guī)范化的檢測(cè)分析方法,影響生物質(zhì)等替代燃料的規(guī)模化使用。

2.2.2 國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)應(yīng)用生物質(zhì)燃料的情況

近年來(lái),生物質(zhì)燃料在水泥行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì),國(guó)內(nèi)大型水泥集團(tuán),如海螺水泥、金隅冀東、華潤(rùn)水泥、華新水泥、葛洲壩水泥等均布局含生物碳燃料替代化石燃料項(xiàng)目,涉及秸稈、稻殼、廢紡、污泥、輪胎、糠醛渣等,我國(guó)部分水泥企業(yè)使用含生物碳燃料的情況見(jiàn)表5。

表5 我國(guó)部分水泥企業(yè)使用含生物碳燃料的情況Table 5 Use of bio-carbon fuels in some Chinses cement companies

生物質(zhì)燃料的使用有助于降低企業(yè)單位熟料產(chǎn)品綜合煤耗和CO2排放量;同時(shí),大部分生物質(zhì)燃料N含量較低,有助于降低NOx排放。由于生物質(zhì)燃料應(yīng)用于我國(guó)水泥窯的時(shí)間較晚,目前用量有限且很多項(xiàng)目處于工業(yè)試驗(yàn)階段。隨著越來(lái)越多水泥企業(yè)關(guān)注生物質(zhì)替代燃料,未來(lái)規(guī)模將會(huì)快速增加,單條生產(chǎn)線用量也會(huì)顯著增大。從國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況看,生物質(zhì)燃料對(duì)水泥生產(chǎn)帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)如下:

1)輸送與喂料不穩(wěn)定。生物質(zhì)燃料總體容重較小,對(duì)系統(tǒng)輸送能力提出了較高要求;此外,輸送、喂料時(shí)易發(fā)生纏繞、堵料、不下料等情況,導(dǎo)致漏風(fēng)增加,波動(dòng)增大。

2)與現(xiàn)有熱工系統(tǒng)不適應(yīng),熱量利用效率低。在使用干化污泥、廢舊輪胎等生物質(zhì)燃料時(shí),由于其燃燒及熱量釋放速度與現(xiàn)有熱工系統(tǒng)不適應(yīng),導(dǎo)致實(shí)際RTS較理論值明顯偏低,表現(xiàn)為不完全燃燒、CO含量增高、窯爐出現(xiàn)結(jié)皮等。

3)對(duì)熟料產(chǎn)量和質(zhì)量存在影響。根據(jù)生物質(zhì)燃料的差異表現(xiàn)為熟料中氯、堿等有害元素含量增加,或因不完全燃燒影響入窯生料分解率、熟料煅燒氣氛等,導(dǎo)致窯電流下滑、產(chǎn)量降低、熟料f-CaO含量增加等,此時(shí)需根據(jù)生物質(zhì)燃料帶入成分的變化對(duì)生料配料及窯爐操作參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

上述現(xiàn)象均會(huì)隨生物質(zhì)燃料處置量的增加而表現(xiàn)得更為明顯。

3 生物質(zhì)燃料預(yù)處理技術(shù)

如前所述,生物質(zhì)燃料形態(tài)多樣、水分含量高,如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給料及完全燃燒是其應(yīng)用于水泥窯爐面臨的主要挑戰(zhàn)。為此,需要對(duì)喂入窯爐前的生物質(zhì)燃料進(jìn)行預(yù)處理,常用的方法包括機(jī)械預(yù)處理和高溫燃燒預(yù)處理。

3.1 機(jī)械預(yù)處理

機(jī)械預(yù)處理指對(duì)入爐前的生物質(zhì)進(jìn)行烘干(可選)、破碎、篩分、均化等處理。國(guó)外特別是歐盟,在生物質(zhì)等替代燃料的預(yù)處理技術(shù)方面非常成熟,制定了嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),形成了非常完備的替代燃料預(yù)處理產(chǎn)業(yè)鏈,涌現(xiàn)出了很多從事替代燃料收集、機(jī)械預(yù)處理、成品出售的專業(yè)公司。替代燃料的破碎,即一次尺寸縮減,通常采用單軸破碎機(jī)、雙軸破碎機(jī)、四軸破碎機(jī)等;粉碎,即二次尺寸縮減,通常采用粉碎機(jī);此外,還可組合使用上述設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)多級(jí)尺寸縮減。篩分設(shè)備通常包括風(fēng)選、振動(dòng)篩、圓盤篩分機(jī)等。常用的烘干設(shè)備有帶式烘干機(jī)和轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)等。

國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)在生物質(zhì)替代燃料利用方面仍處于起步階段,使用生物質(zhì)作為替代燃料的生產(chǎn)線并不多,且生物質(zhì)燃料的預(yù)處理比較簡(jiǎn)單。對(duì)于秸稈、谷殼、樹(shù)枝、樹(shù)皮以及木板等生物質(zhì)燃料,經(jīng)簡(jiǎn)單破碎后進(jìn)廠,大部分企業(yè)經(jīng)堆放直接喂入水泥窯爐;少量企業(yè)首先對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行晾曬或堆存發(fā)酵等,以去除部分水分,再通過(guò)破碎機(jī)破碎至一定粒度,然后輸送至儲(chǔ)庫(kù)儲(chǔ)存,計(jì)量后再喂入水泥窯爐。考慮經(jīng)濟(jì)性,破碎后的生物質(zhì)燃料最大尺寸通常在100 mm以上。除此,生物質(zhì)燃料也可以被壓制成型后使用,解決輸送喂料問(wèn)題,但成本相對(duì)較高。

3.2 高溫燃燒預(yù)處理

高溫燃燒預(yù)處理指替代燃料在進(jìn)入分解爐前先經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚?產(chǎn)生的高溫氣體、灰燼、未燃盡物等再送入水泥窯爐。國(guó)內(nèi)外企業(yè)開(kāi)發(fā)了多種高溫燃燒預(yù)處理外掛爐裝備,包括熱盤爐、階梯爐及回轉(zhuǎn)式焚燒爐。

熱盤爐由丹麥艾法史密斯(FLSmidth)公司開(kāi)發(fā),采用盤式旋轉(zhuǎn)的方式將喂入的替代燃料進(jìn)行烘干、焚燒。熱盤爐內(nèi)通入水泥窯系統(tǒng)三次風(fēng)以供替代燃料燃燒[42]。通過(guò)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)替代燃料在熱盤爐內(nèi)的停留時(shí)間,控制替代燃料的處置量及燃燒效率。生料接入熱盤爐,用以控制熱盤爐內(nèi)的溫度。

階梯爐最早由德國(guó)蒂森克虜伯(Thyssenkrupp)公司開(kāi)發(fā)。階梯爐呈臺(tái)階狀,替代燃料從階梯爐上部由喂料鉸刀喂入,三次風(fēng)由階梯爐頂部進(jìn)入,對(duì)替代燃料進(jìn)行烘干和助燃。每個(gè)臺(tái)階處布置一定數(shù)量的空氣炮,通過(guò)空氣炮作用將替代燃料打散到下一階臺(tái)階繼續(xù)燃燒[43]。生料接入階梯爐頂部,用以控制階梯爐內(nèi)溫度。

回轉(zhuǎn)式焚燒爐最早由德國(guó)洪堡(KHD)公司開(kāi)發(fā)。替代燃料喂入帶有一定傾斜角度的回轉(zhuǎn)式焚燒爐,在焚燒爐內(nèi)與高溫三次風(fēng)混合,并連續(xù)翻轉(zhuǎn)焚燒,回轉(zhuǎn)的爐體可保證替代燃料與熱空氣充分接觸,燃燒完全。

上述高溫燃燒預(yù)處理技術(shù)可以提高替代燃料的整體燃盡率,進(jìn)而增加RTS并降低對(duì)水泥窯系統(tǒng)的影響。受限于技術(shù)特點(diǎn),熱盤爐、階梯爐和回轉(zhuǎn)式焚燒爐主要用于處理生活垃圾、輪胎、污泥等重質(zhì)替代燃料。對(duì)于輕質(zhì)燃料,適應(yīng)性受到一定限制。為此,中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所團(tuán)隊(duì)針對(duì)生物質(zhì)等輕質(zhì)替代燃料開(kāi)發(fā)了活化爐技術(shù)。破碎后的生物質(zhì)燃料由輸送裝置喂入循環(huán)流化床活化爐,在氣化劑(兼做氧化劑)流態(tài)化作用下發(fā)生活化反應(yīng),從而使替代燃料得到高溫活化改性,在活化爐出口獲得由高活性半焦顆粒與煤氣組成的高溫氣固混合燃料。經(jīng)高溫活化改性后的替代燃料,其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化,半焦顆粒的比表面積大幅提高,碳活性位數(shù)量顯著增加,燃燒反應(yīng)活性顯著提升,在進(jìn)入分解爐或回轉(zhuǎn)窯后能快速燃燒,突破了常規(guī)的加熱(干燥)、著火和燃燒的三段式燃燒過(guò)程,使得燃料在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒。熱盤爐、階梯爐、回轉(zhuǎn)式焚燒爐及活化爐的技術(shù)特點(diǎn)比較見(jiàn)表6。

表6 不同外掛爐技術(shù)特點(diǎn)比較Table 6 Comparison on the technical characteristics of different external furnaces

4 生物質(zhì)燃料應(yīng)用過(guò)程中面臨的問(wèn)題及解決思路

1)相關(guān)理論研究對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不足。工業(yè)規(guī)模用生物質(zhì)燃料的尺寸較大且水分含量高,但在試驗(yàn)研究時(shí),受限于試驗(yàn)條件,通常會(huì)對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行研磨、烘干、篩分等處理,繼而再對(duì)處理后的樣品進(jìn)行分析[44-49]。所得樣品的尺寸、水分與實(shí)際使用的生物質(zhì)燃料存在較大區(qū)別,導(dǎo)致研究所得結(jié)論對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不足。另外,大量試驗(yàn)研究采用燃料用量非常少的差熱-熱重分析方法對(duì)生物質(zhì)的燃燒特性進(jìn)行研究[45,48,50-54],這和實(shí)際應(yīng)用差別較大。數(shù)值模擬方面,部分研究以研磨、烘干、篩分后的生物質(zhì)尺寸、工業(yè)分析結(jié)果等作為輸入的邊界條件,與實(shí)際應(yīng)用的生物質(zhì)燃料差異較大。如GUO等[55]對(duì)煤粉和不同種類生物質(zhì)在分解爐內(nèi)混燒進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,生物質(zhì)顆粒粒徑固定200 μm。另外,受限于計(jì)算時(shí)間,部分研究假定生物質(zhì)燃料顆粒為球形[56-57],實(shí)際使用的顆粒形態(tài)與球形差異較大,導(dǎo)致研究結(jié)果無(wú)法指導(dǎo)工程實(shí)踐。

對(duì)于該問(wèn)題,應(yīng)積極開(kāi)展規(guī)模較大的中試研究,使其貼近工程實(shí)際,如采用接近工業(yè)實(shí)際情況的生物質(zhì)燃料開(kāi)展試驗(yàn)研究,以反映生物質(zhì)燃料特征[14,58-59]。針對(duì)部分CFD模擬與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象,可通過(guò)形狀因子(Shape Factor)對(duì)生物質(zhì)顆粒進(jìn)行簡(jiǎn)化[60-62],如根據(jù)實(shí)際情況將生物質(zhì)顆粒簡(jiǎn)化為圓柱形、薄片形等;或可通過(guò)人工分選、風(fēng)選、二維成像、單顆粒稱重等獲得不同組成、不同終端風(fēng)速下生物質(zhì)顆粒的形狀、質(zhì)量分布特征,并將這些參數(shù)作為CFD模擬的輸入條件[63-64],從而獲得可反映生物質(zhì)特征的數(shù)值模擬結(jié)果,為工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2)生物質(zhì)燃料喂入熱量存在較大波動(dòng)。生物質(zhì)燃料喂入熱量的波動(dòng)來(lái)源于燃料自身熱值的波動(dòng)及喂料量的波動(dòng)。生物質(zhì)燃料特性波動(dòng)大,導(dǎo)致水泥企業(yè)使用的生物質(zhì)燃料組成、密度、熱值和水分含量等隨收集時(shí)間、地點(diǎn)而產(chǎn)生較大波動(dòng)。另外,水泥企業(yè)通常同時(shí)使用多種生物質(zhì)燃料,如木材和稻殼、廢紡和秸稈等,導(dǎo)致喂入窯爐的生物質(zhì)燃料自身存在較大波動(dòng)。在喂料環(huán)節(jié),生物質(zhì)燃料因結(jié)構(gòu)疏松、水分高、纖維韌性高,易出現(xiàn)物料纏繞、堵塞等,導(dǎo)致喂入的燃料量存在波動(dòng)。

為此,應(yīng)規(guī)范生物質(zhì)燃料收集與預(yù)處理流程,建立相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。由政府相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)定替代燃料熱值、有害元素含量等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,使水泥企業(yè)可以購(gòu)買到熱值、成分相對(duì)穩(wěn)定的替代燃料。歐洲已經(jīng)建立了成熟的替代燃料產(chǎn)業(yè)鏈,由專業(yè)化公司將城市生活垃圾和各種工農(nóng)業(yè)可燃廢物在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)約束下經(jīng)預(yù)處理制成垃圾衍生燃料(RDF)、固體回收燃料(SFR)等產(chǎn)品,再出售給水泥企業(yè)。針對(duì)生物質(zhì)燃料季節(jié)性強(qiáng)、區(qū)域分布廣等特點(diǎn),水泥企業(yè)或相關(guān)收購(gòu)單位可結(jié)合自身情況建立相關(guān)的生物質(zhì)燃料收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存模型,在保證燃料供應(yīng)量的前提下降低收購(gòu)成本、提高燃料質(zhì)量穩(wěn)定性。在替代燃料處理環(huán)節(jié),應(yīng)強(qiáng)化不同種類替代燃料的混合[65]。在喂料環(huán)節(jié),可使用專門為替代燃料開(kāi)發(fā)的計(jì)量設(shè)備,從而獲得較高的計(jì)量精度。

3)生物質(zhì)燃料帶入水泥窯系統(tǒng)大量水分,影響熱量利用效率。由表2可知,生物質(zhì)燃料水分含量通常較高,水分蒸發(fā)潛熱及帶來(lái)的煙氣量增加會(huì)影響熱量利用效率。水泥企業(yè)擁有大量溫度在100～120 ℃的低溫廢氣熱源,目前這些廢氣通常直接排放。

針對(duì)水泥生產(chǎn)工藝特征,亟需開(kāi)發(fā)高效利用水泥窯爐余熱的生物質(zhì)烘干設(shè)備。德國(guó)Stela公司開(kāi)發(fā)的利用水泥余熱的替代燃料帶式烘干機(jī)自2012年起就成功應(yīng)用于國(guó)外水泥企業(yè)[66],并在我國(guó)臺(tái)泥(貴港)水泥有限公司投運(yùn)[67]。該裝置利用窯頭廢熱來(lái)烘干生物質(zhì)燃料,預(yù)計(jì)可用于烘干最高水分含量為55%的木屑、樹(shù)皮以及廢紡等,處理量可到21 t/h,烘干后出料量12.4 t/h。

4)部分生物質(zhì)直接投加至分解爐,與現(xiàn)有水泥熱工系統(tǒng)不適應(yīng)。根據(jù)燃燒特性,應(yīng)用于水泥窯爐的生物質(zhì)燃料可分為兩類。第1類為尺寸小、水分含量低、比表面積大的生物質(zhì)燃料,如稻殼、破碎后的秸稈、樹(shù)葉等。這類生物質(zhì)燃料喂入窯爐后,因揮發(fā)分含量高,易在喂入點(diǎn)附近產(chǎn)生爆燃,導(dǎo)致局部溫度升高[22,68]。第2類為尺寸大、水分高、比表面積小的生物質(zhì)燃料,如樹(shù)枝、木材、糠醛渣等。這類生物質(zhì)燃料喂入窯爐后,因其水分蒸發(fā)、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞速度較慢,燃料燃盡所需時(shí)間更長(zhǎng),導(dǎo)致其在有限容積內(nèi)的燃盡率不理想[69-70]。水分含量高的生物質(zhì)燃料在進(jìn)入水泥窯爐后,因水分蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致局部區(qū)域溫度下降,進(jìn)而影響原有化石燃料的燃燒以及生料的分解等。

為此,需根據(jù)生物質(zhì)燃料種類進(jìn)行相應(yīng)處理,如針對(duì)第1類燃料,通過(guò)CFD模擬[51,71],優(yōu)化其喂入分解爐的相對(duì)位置,在保證燃盡率、生料分解率的同時(shí),消除局部高溫。對(duì)于第2類燃料,可采用循環(huán)流化床活化爐作為高溫燃燒預(yù)處理裝備。循環(huán)流化床是一種流態(tài)化反應(yīng)器,具有燃料適應(yīng)范圍廣的優(yōu)點(diǎn),適用于包括生物質(zhì)燃料在內(nèi)的多種替代燃料。因其物料循環(huán)倍率高,顆粒停留時(shí)間長(zhǎng),傳熱傳質(zhì)迅速,可使粒徑較大、水分較高的替代燃料迅速升溫,特別適合處理不同尺寸、形狀和熱值的生物質(zhì)燃料[72]。循環(huán)流化床目前已成為生物質(zhì)直燃發(fā)電的主力,覆蓋了中溫中壓、中溫次高壓、高溫高壓、高溫超高壓再熱等各類鍋爐[73]。

5)生物質(zhì)燃料對(duì)熟料產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。在利用水泥窯處置生物質(zhì)燃料時(shí),生物質(zhì)燃料中的部分堿金屬會(huì)被帶入到熟料中。國(guó)標(biāo)要求低堿水泥的堿含量(以鈉當(dāng)量計(jì)算)小于0.6%。對(duì)于生料堿含量較低的地區(qū),理論可利用的生物質(zhì)燃料規(guī)模較大;對(duì)于堿含量較高的企業(yè)來(lái)說(shuō),則要嚴(yán)格限制生物質(zhì)燃料的使用量或通過(guò)旁路放風(fēng)將部分堿排出系統(tǒng)[51]。

另外,生物質(zhì)燃料灰中的SiO2含量一般較高,當(dāng)生物質(zhì)燃料用量較大時(shí),如果不改變生料配料,易導(dǎo)致熟料中SiO2及SM(硅酸率)升高,液相量減少,影響熟料強(qiáng)度。

對(duì)于替代燃料使用后熟料產(chǎn)質(zhì)量的管控,國(guó)外普遍投運(yùn)了智能化實(shí)驗(yàn)室、智能控制系統(tǒng)等,通過(guò)自動(dòng)采樣、自動(dòng)送樣、自動(dòng)檢測(cè)與分析、自動(dòng)配料等手段保持熟料質(zhì)量的穩(wěn)定[74-75]。通過(guò)自動(dòng)調(diào)整包括化石燃料、替代燃料在內(nèi)的燃料喂入量及不同燃料之間的比例等,保持窯爐的穩(wěn)定運(yùn)行。目前,國(guó)內(nèi)部分水泥企業(yè)建立了智能化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了生料、熟料等自動(dòng)取樣、送樣和檢測(cè)分析,提高了生產(chǎn)檢驗(yàn)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性,有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性[76-77]。不過(guò),適用于水泥行業(yè)生物質(zhì)等替代燃料的智能/專家控制系統(tǒng)卻鮮有報(bào)道,亟需開(kāi)發(fā)在保持窯爐穩(wěn)定運(yùn)行的情況下對(duì)多種燃料實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的智能/專家控制模塊/系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

水泥工業(yè)是我國(guó)碳減排的重要戰(zhàn)場(chǎng),關(guān)乎“3060”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前,生物質(zhì)替代燃料在我國(guó)水泥工業(yè)雖未得到大規(guī)模的應(yīng)用,但是憑借其碳中性以及資源豐富性優(yōu)勢(shì),生物質(zhì)替代燃料必將在水泥行業(yè)展示出強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景,從而為我國(guó)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出重要貢獻(xiàn)。為此,提出如下建議:

1)開(kāi)展更為貼近工程應(yīng)用的研究。以工程用生物質(zhì)燃料為對(duì)象,開(kāi)展規(guī)模較大的中試研究和CFD模擬,揭示生物質(zhì)燃料的燃燒特性,優(yōu)化其加入水泥窯爐的相對(duì)位置、形狀尺寸等參數(shù)。

2)完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,建立完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。圍繞生物質(zhì)等替代燃料的收集、制作、儲(chǔ)運(yùn)及在水泥行業(yè)的應(yīng)用等環(huán)節(jié),完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,促進(jìn)生物質(zhì)等替代燃料的商品化。

3)促進(jìn)與水泥窯系統(tǒng)的融合。針對(duì)生物質(zhì)燃料特點(diǎn),圍繞輸送計(jì)量、余熱烘干、穩(wěn)定喂料、燃燒優(yōu)化、智能控制等環(huán)節(jié),開(kāi)展應(yīng)用優(yōu)化研究,提高生物質(zhì)燃料的熱量替代率和利用效率,降低對(duì)水泥窯系統(tǒng)的影響。