藍(lán)天眾成環(huán)保工程有限公司利用水泥窯協(xié)同處置替代燃料應(yīng)用思路

1. 前言

在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)宣布將采取更加有力的措施，力爭(zhēng)CO₂排放在2030年前達(dá)到峰值，并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。

水泥行業(yè)是碳密集型產(chǎn)業(yè)，CO₂排放約占全球總量的5%。在此形勢(shì)下，正在研討和起草的水泥行業(yè)“十四五”節(jié)能減排評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)必然更加嚴(yán)格，水泥行業(yè)將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

藍(lán)天眾成環(huán)保工程有限公司作為行業(yè)內(nèi)專業(yè)的環(huán)保工程服務(wù)商和優(yōu)秀的固體廢棄物運(yùn)營(yíng)商，成立伊始一直致力于水泥窯協(xié)同處置固廢解決方案的技術(shù)研發(fā)、裝備制造和工程總包。針對(duì)我國(guó)原生態(tài)生活垃圾成分復(fù)雜、熱值偏低、含水率高的現(xiàn)狀，藍(lán)天眾成通過(guò)不懈努力，集成、優(yōu)化、創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)了全新的“機(jī)械生物法預(yù)處理+熱盤(pán)爐焚燒”固廢處置技術(shù)路線。

本文旨在通過(guò)藍(lán)天眾成多年在固廢處置領(lǐng)域的積累，從專業(yè)理論和技術(shù)實(shí)踐多角度，對(duì)各類潛在替代燃料進(jìn)行識(shí)別，提出以一種供應(yīng)穩(wěn)定的廢棄物作為主要原料，搭配其它高熱值廢棄物的替代燃料應(yīng)用思路。以多元化的原料供應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)單一原料的不足。開(kāi)發(fā)多種替代燃料共處理工藝，合理選擇預(yù)處理目標(biāo)值，從而提高效率、降低成本。

2. 替代燃料的來(lái)源與選擇

水泥工業(yè)使用的替代燃料大多來(lái)源于生物質(zhì)和工業(yè)、商業(yè)、市政廢棄物。選擇替代燃料，應(yīng)首先通過(guò)市政和工業(yè)部門(mén)了解水泥廠鄰近區(qū)域內(nèi)的資源數(shù)量，然后結(jié)合收集、運(yùn)輸、貯存、預(yù)處理、環(huán)境保護(hù)成本及對(duì)水泥生產(chǎn)的影響程度等因素，來(lái)綜合評(píng)估哪些廢棄物可以作為替代燃料的原料。

2.1. 潛在替代燃料

廢棄物按危險(xiǎn)程度可分為危險(xiǎn)廢棄物和非危險(xiǎn)廢棄物。盡管許多危險(xiǎn)廢棄物具有可觀的熱值，且預(yù)處理技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，但危險(xiǎn)廢棄物易對(duì)人員健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，環(huán)境評(píng)價(jià)和審查難度大，項(xiàng)目周期長(zhǎng)。另外從政策方向看，國(guó)家鼓勵(lì)產(chǎn)廢單位通過(guò)技改實(shí)現(xiàn)廢棄物減量化，這既符合環(huán)境利益也符合企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益，長(zhǎng)遠(yuǎn)看危險(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)生量將會(huì)持續(xù)減少。

因此，以實(shí)現(xiàn)燃料替代率為目的的項(xiàng)目應(yīng)更加關(guān)注將非危險(xiǎn)固體廢棄物及生物質(zhì)作為替代燃料的原料。與危險(xiǎn)廢棄物相比，這些潛在原料具有較高的熱值、穩(wěn)定的質(zhì)量和相對(duì)容易保證的連續(xù)供應(yīng)。包括：廢舊輪胎、城市固體廢棄物（MSW）、廢紙、廢塑料、污泥、農(nóng)作物（綠色垃圾、廢木料、果殼、稻殼、秸稈等）、廢電解池（SPL）、肉骨粉（MBM）、含油土壤、廢溶劑及廢油等。

（1）廢舊輪胎

輪胎主要由橡膠（48%）、炭黑（22%）、金屬（15%）、添加劑（8%）、織物（5%）、氧化鋅（1%）、硫（1%）組成，熱值約為38MJ·kg^-1。

整個(gè)輪胎的燃燒需要很長(zhǎng)的停留時(shí)間才能完全燃盡。在國(guó)外有些水泥廠中，輪胎會(huì)整體焚燒，大部分是在回轉(zhuǎn)窯中完成的。更常見(jiàn)的是，將它們破碎，產(chǎn)生輪胎塊或碎屑，并在分解爐中與煤共同焚燒。但是，從工藝和經(jīng)濟(jì)角度上它們不能被很好地破碎。丹麥FLSmidth公司提供的熱盤(pán)爐燃燒裝置，可對(duì)舊輪胎進(jìn)行高效焚燒。

（2）生活垃圾

利用水泥窯的熱風(fēng)焚燒垃圾技術(shù)不用外加燃料，可節(jié)約分解爐燃料，符合我國(guó)國(guó)情。垃圾處理過(guò)程中產(chǎn)生的爐渣、垃圾滲濾液、廢氣均得到妥善處理，相比填埋方式處理垃圾節(jié)省了大量土地資源，替代了部分燃料，實(shí)現(xiàn)污染物零排放，屬于典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。

鑒于中國(guó)的城市生活垃圾將以每年8-10%的速度增長(zhǎng)，因此，增加水泥行業(yè)垃圾協(xié)同處理量應(yīng)該會(huì)引起政策制定者的興趣。中國(guó)正在尋求解決其城市垃圾問(wèn)題的方案。因此，在目前改革的節(jié)點(diǎn)下，中國(guó)的水泥行業(yè)可能會(huì)越來(lái)越多地用垃圾替代煤炭。

以國(guó)內(nèi)某二線城市生活垃圾作為參考，生活垃圾由廚余（45%）、紙類（9.97%）、竹木（1.3%）、織物（2.26%）、橡塑（18.24%）、渣石（19.56%）、玻璃（2.63%）、金屬（0.54%）組成，平均含水率50.71%，濕基高位發(fā)熱量5050kJ·kg^-1，制成RDF燃料后熱值可達(dá)21MJ·kg^-1，是非常理想的替代燃料原料。

（3）生物質(zhì)

水泥廠利用的生物質(zhì)類型在很大程度上是尚未開(kāi)發(fā)的可再生能源，其變化基于當(dāng)?shù)胤N植/可利用的農(nóng)作物。 例如，稻殼，榛子殼，椰子殼，玉米秸稈，咖啡莢和棕櫚果殼是目前在水泥窯中燃燒的多種生物質(zhì)。生物質(zhì)燃料被認(rèn)為是碳中性的，因?yàn)槿紵^(guò)程中釋放的碳在生長(zhǎng)階段被物種從大氣中帶走。

使用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)殘余物的主要挑戰(zhàn)包括相對(duì)較低的熱值（可能導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定）和可用性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)農(nóng)業(yè)殘余物都是季節(jié)性的（并非全年可用）。

（4）市政污泥

市政污水廠在污水處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥，常規(guī)的處理方法主要是填埋或作為有機(jī)肥料，但都存在不容忽視的環(huán)境問(wèn)題。污泥最佳處理方式是作為水泥窯的替代燃料（Manser A.G.R. 1996），這已經(jīng)是學(xué)界與行業(yè)的共識(shí)。

不同類型污泥的熱值存在差異，通常在9-29MJ·kg^-1之間，熱值最低的是厭氧消化污泥，而活性污泥和原污泥一般熱值較高。

在一些國(guó)家，污泥用于水泥生產(chǎn)。污泥通常與煤一起以預(yù)干燥的形式燃燒。預(yù)干燥的污泥更易于存儲(chǔ)，運(yùn)輸和進(jìn)料。然而，它含有高含量的SiO₂，Al₂O₃和Fe₂O₃，如果使用過(guò)量，可能會(huì)影響水泥的質(zhì)量。

（5）其它

除了上述廢棄物外，還有其他可供選擇的替代燃料，如大件垃圾、工業(yè)垃圾、獸骨粉、廢舊地毯、廢塑料、輕工業(yè)廢料、廢舊太陽(yáng)能電池板、報(bào)廢風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、廢電解池、園林綠化垃圾、河流漂浮物、畜禽糞便等等。如果企業(yè)已獲得危險(xiǎn)廢棄物經(jīng)營(yíng)許可，那么可以選擇的潛在替代燃料還會(huì)更多。

2.2. 在水泥生產(chǎn)中使用替代燃料的好處

隨著燃煤價(jià)格不斷上漲，水泥生產(chǎn)企業(yè)正在努力降低其生產(chǎn)成本，以追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種有效方法是使用替代燃料。

另外，“雙碳”新形勢(shì)下，減少向大氣中的排放物及其對(duì)環(huán)境的積極影響是替代燃料燃燒的主要好處。在窯尾煙氣通過(guò)的分解爐中，由于再燃燒反應(yīng)，NOx排放量一定程度上減少。此外，與專用焚化爐相比，水泥窯系統(tǒng)中燃燒廢棄物時(shí)，二氧化碳排放量相應(yīng)減少，從而緩解了企業(yè)節(jié)煤減碳的壓力，并大大提升了社會(huì)效益。

2.3. 協(xié)同處置替代燃料的主要考慮因素和挑戰(zhàn)

在水泥廠燃燒替代燃料的潛在好處是眾多的。但是，如果規(guī)劃不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致更高的排放量，或者未按照最佳實(shí)踐充分利用排放量，則可能出現(xiàn)相反的情況。

與常規(guī)燃料相比，水泥生產(chǎn)中使用的替代燃料具有不同的特性。轉(zhuǎn)換燃料提出了一些挑戰(zhàn)，為了成功應(yīng)用，必須解決這些挑戰(zhàn)。所使用的燃料類型可能會(huì)引入一些復(fù)雜成分，這些成分可能會(huì)影響水泥材料的物化反應(yīng)并影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，使用一種燃料受水泥質(zhì)量，耐火材料壽命，氣流和料流或?qū)Υ髿獾臐撛谂欧诺榷喾N因素約束。

主要的挑戰(zhàn)包括熱量分布不佳，分解爐操作不穩(wěn)定，預(yù)熱器旋風(fēng)分離器堵塞，窯尾內(nèi)堆積物，更高的排放量和粉塵。

3. 替代燃料的應(yīng)用思路

(1) 將所有可燃廢棄物納入考慮范圍

很少有文獻(xiàn)報(bào)道在水泥窯系統(tǒng)中，不同替代燃料混合時(shí)采用某個(gè)固定的最佳配比，這是由替代燃料的來(lái)源復(fù)雜造成的。對(duì)于一條規(guī)模為5000t/d以上的水泥窯，以上文討論過(guò)的替代燃料來(lái)看，基本不存在不能消納的問(wèn)題。鑒于目前的實(shí)際情況，可以將一切可收集到的高熱值固體廢棄物納入考慮范圍，而暫不考慮各種替代燃料的配比問(wèn)題。

(2) 盡可能實(shí)現(xiàn)多種廢棄物共處理以降低成本。

目前，沒(méi)有哪一種預(yù)處理工藝能夠適用于所有廢棄物。被廣泛用于協(xié)同處置危險(xiǎn)廢棄物項(xiàng)目中的SMP（破碎-混合-泵送）工藝，雖然可以投加各種相態(tài)的廢棄物，但其預(yù)處理的核心原則只是將各種廢棄物通過(guò)破碎和液固混合使其滿足泵送的要求而已，僅僅解決了半固態(tài)廢棄物輸送問(wèn)題。而對(duì)于降低含水率、提高熱值、改善燃燒特性，降低對(duì)熟料煅燒的影響等沒(méi)有過(guò)多考慮。

通過(guò)有預(yù)見(jiàn)性的局部改造及合理的布置，使物理性質(zhì)相似的幾種固體廢棄物共用一套預(yù)處理工藝或其中的某些設(shè)備，是完全可行的。比如廢舊輪胎與大件垃圾共用上料、破碎、除鐵等設(shè)備；秸稈與一些商業(yè)垃圾共用打碎、稱重、貯存等設(shè)備等；大多數(shù)輸送設(shè)備可以滿足絕大部分預(yù)處理半成品的需要；而外掛式的預(yù)燃爐則幾乎能夠投加全部類型的廢棄物。

一般來(lái)講，在一套預(yù)處理工藝中，越靠近末端的設(shè)備使用率越高。這些設(shè)備能夠滿足大多數(shù)廢棄物的需要。在原料供應(yīng)不確定或市場(chǎng)波動(dòng)頻繁的情況下，暫時(shí)無(wú)法確定預(yù)處理工藝，可以考慮先從這些能確定的和必需的設(shè)備開(kāi)始，而后再根據(jù)市場(chǎng)情況，在預(yù)留好的場(chǎng)地中添加所需要的設(shè)備。

(3) 降低預(yù)處理要求

理想的預(yù)處理工藝應(yīng)以較低的成本獲得適當(dāng)?shù)念A(yù)處理產(chǎn)物，以幾何尺寸來(lái)說(shuō)，通常越小的目標(biāo)尺寸意味著越高的預(yù)處理成本，大尺寸則相反。但大尺寸燃料因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般無(wú)法在分解爐中完全燃盡。增加一個(gè)能夠控制燃料輸送速度的額外的燃燒空間，已被證實(shí)可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。這些產(chǎn)品能夠降低大尺寸燃料對(duì)熟料煅燒系統(tǒng)的影響，從而降低對(duì)預(yù)處理的要求，對(duì)于許多固體廢棄物而言，這能夠明顯的降低預(yù)處理成本。

4. 藍(lán)天眾成替代燃料焚燒技術(shù)

引入替代燃料會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。這些材料可能具有與化石燃料完全不同的特性。它們可能發(fā)粘、蓬松、潮濕并在粒徑和重量上波動(dòng)，或者由于可用性的原因，您可能需要在具有不同特性的不同類型的燃料之間進(jìn)行切換。它們的燃燒會(huì)不同，在窯爐中會(huì)有不同的反應(yīng)，并可能要求您采取其他措施以確保穩(wěn)定的熟料質(zhì)量。有很多可變因素在起作用，這就是為什么您需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的合作伙伴在您身邊的原因。

憑借多年在固廢處置和替代燃料領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，以及在國(guó)內(nèi)服務(wù)于包括海螺、中聯(lián)、華潤(rùn)、金隅、紅獅等大客戶在內(nèi)的，10余條項(xiàng)目成功案例，藍(lán)天眾成提供了一系列解決方案，使水泥制造商能夠增加對(duì)替代燃料的替代率。

4.1. 機(jī)械生物法預(yù)處理原生態(tài)生活垃圾技術(shù)路線（MBT）

2014年， 在經(jīng)過(guò)多年的固廢協(xié)同處置探索后，華潤(rùn)水泥、藍(lán)天眾成及丹麥?zhǔn)访芩挂肓藷岜P(pán)爐裝備并根據(jù)我國(guó)固廢的特點(diǎn)，首創(chuàng)國(guó)內(nèi)“機(jī)械生物法預(yù)處理+熱盤(pán)爐協(xié)同處置”工藝，利用水泥窯對(duì)生活垃圾等固體廢棄物進(jìn)行協(xié)同處置，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的“無(wú)害化、減容化、資源化、集約化”處理。

其工藝過(guò)程的突出特點(diǎn)在于采用一級(jí)破碎和機(jī)械倒運(yùn)形成有利于生物干化的孔隙織構(gòu)，利用生物干化過(guò)程實(shí)現(xiàn)生活垃圾水分的游離轉(zhuǎn)移，然后采用機(jī)械擠壓方式脫出生活垃圾的外表水，從而實(shí)現(xiàn)生活垃圾的固液有效分離。通過(guò)本機(jī)械生物法預(yù)處理生產(chǎn)的產(chǎn)品適用于水泥窯協(xié)同焚燒處置或爐排爐焚燒處置。本發(fā)明通過(guò)與焚燒系統(tǒng)有機(jī)銜接，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)處理過(guò)程的無(wú)害化、清潔化，并完成垃圾品質(zhì)的提升，實(shí)現(xiàn)資源化、減量化、無(wú)害化利用。

4.2. 旁路放風(fēng)高效除氯系統(tǒng)

水泥窯在協(xié)同處置固廢的過(guò)程中，由于固廢中含有較多的有害成分，對(duì)水泥窯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果，其中氯、硫元素就是影響最大的成分。在協(xié)同處置廢棄物的生產(chǎn)線中，由于氯元素含量偏高導(dǎo)致水泥窯的結(jié)皮和堵塞，影響安全運(yùn)行和熟料產(chǎn)質(zhì)量，影響人身安全健康，甚至嚴(yán)重危及到企業(yè)的生存和發(fā)展。

藍(lán)天眾成高效除氯系統(tǒng)，除氯效率高達(dá)90%以上（10%放風(fēng)量）。獨(dú)特的取風(fēng)口設(shè)計(jì)，降低了窯氣的抽取風(fēng)速，更易捕獲氣體中的細(xì)顆粒，除氯效率大為提升；抽取的窯氣在驟冷混合室與冷卻風(fēng)機(jī)鼓入的冷風(fēng)混合至350℃左右，經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)一步過(guò)濾，粗顆粒返回窯系統(tǒng)，大大降低了旁路灰的排放量；再經(jīng)空氣冷卻器冷卻至200℃左右，最后經(jīng)過(guò)袋式收塵器（收塵效率99.99%）凈化，最后由新設(shè)旁路放風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)（變頻調(diào)速）排放匯入三次風(fēng)管內(nèi)（結(jié)合窯尾布置的在線燃燒裝置，三次風(fēng)首先經(jīng)過(guò)在線預(yù)燃爐，再匯入分解爐，有效減少了該操作對(duì)系統(tǒng)工藝的影響，同時(shí)解決了放風(fēng)廢氣進(jìn)入窯尾廢氣系統(tǒng)排放，造成的氮氧化物和硫化物超標(biāo)情況）進(jìn)行后續(xù)廢氣處理，使得窯尾廢氣氮氧化物達(dá)標(biāo)排放。粉塵經(jīng)倉(cāng)式泵或罐車輸送至水泥配料站的配料倉(cāng)，經(jīng)過(guò)配比后隨水泥混合材和熟料一起，粉磨后成為水泥。

4.3. 在線焚燒裝置

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始研究并應(yīng)用水泥窯爐協(xié)同處置廢輪胎等，在20世紀(jì)70年代已開(kāi)始應(yīng)用危險(xiǎn)廢棄物、城市生活垃圾和城市污泥等廢棄物，而且發(fā)展很快，如德國(guó)現(xiàn)在基本沒(méi)有不燒替代燃料的水泥企業(yè)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家替代燃料的替代率一般都達(dá)到了30%～90%，有些水泥企業(yè)已達(dá)到了100%，即全部燒替代燃料。在協(xié)同處置技術(shù)方面發(fā)展也很迅速，由以前廢棄物熱能利用率只能達(dá)到25%～35%較低的離線式處置技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的熱能利用率可達(dá)80%以上甚至100%的在線式，處置技術(shù)，如丹麥艾法史密斯（F·L·Smidth）公司的熱盤(pán)爐燃燒裝置（HOTDISC Combustion Device）和以德國(guó)伯利休斯（Polysius）公司為代表的階梯爐燃燒裝置。

（1）熱盤(pán)爐是一種帶有緩慢旋轉(zhuǎn)爐盤(pán)的燃燒裝置，2002年第一臺(tái)應(yīng)用于挪威海德堡水泥，在全球范圍內(nèi)已有40多個(gè)業(yè)績(jī)（國(guó)內(nèi)超過(guò)10個(gè)業(yè)績(jī)），其優(yōu)勢(shì)主要有：

廢棄物的熱能利用率高，可達(dá)100%；

廢棄物的處置能力強(qiáng)，5000t/d水泥生產(chǎn)線可處置500t/d綜合固廢；

對(duì)不同性狀的廢棄物適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)各種形狀（塊狀、粒狀、團(tuán)狀或膏狀；輕質(zhì)或重質(zhì)（最大可處理1.2m直徑輪胎）；難燃或易燃）的廢棄物都適用；

調(diào)控靈活，運(yùn)行穩(wěn)定，可通過(guò)爐體配套噴煤管、C4熱生料控制爐內(nèi)操作溫度，根據(jù)廢棄物焚燒的難易程度，廢棄物在熱盤(pán)爐內(nèi)的停留時(shí)間可在3～45min范圍內(nèi)靈活調(diào)控，能保證廢棄物充分燃盡；

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，無(wú)額外電能（圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)很慢，功率很?。┖蜔崮芟模?/p>

保證環(huán)境安全，污染物零排放。

（2）階梯爐是一種固定臺(tái)階燃燒室，其特點(diǎn)如下：

廢棄物至于多級(jí)臺(tái)階上，三次風(fēng)從固廢表面通過(guò)；

適用于生活垃圾及衍生品（RDF）等預(yù)處理工藝較精細(xì)的廢棄物；

通過(guò)調(diào)整空氣炮噴吹，以控制燃燒室內(nèi)固廢灼燒減量情況，以穩(wěn)窯系統(tǒng)工況；

5. 總結(jié)

（1）我國(guó)水泥行業(yè)應(yīng)用替代燃料仍處于起步階段，擁有廣闊的應(yīng)用前景，有條件的企業(yè)應(yīng)積極開(kāi)展替代燃料的研究與應(yīng)用，盡快補(bǔ)全我國(guó)水泥工業(yè)的這塊“短板”，助力“十四五”節(jié)能減排目標(biāo)的達(dá)成。對(duì)于企業(yè)乃至水泥集團(tuán)而言都具有重大的戰(zhàn)略意義和歷史意義。

（2）替代燃料原料來(lái)源不確定，市場(chǎng)有波動(dòng)是幾乎所有水泥企業(yè)所面臨的問(wèn)題。所以應(yīng)將一切能收集到的可燃廢棄物納入考慮范圍，以多元化的原料供應(yīng)來(lái)彌補(bǔ)單一原料的不足。有條件的話，應(yīng)優(yōu)先尋找一種能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)的廢棄物作為替代燃料的主要原料，使熱量替代率TSR獲得一個(gè)最低保障。

（3）重點(diǎn)開(kāi)發(fā)多種替代燃料共處理工藝，合理選擇預(yù)處理目標(biāo)值，從而提高效率、降低成本。

（4）在原料“類多、量少”或來(lái)源不確定的情況下，可首先建設(shè)共用性高的設(shè)備，并預(yù)留預(yù)處理場(chǎng)地，未來(lái)根據(jù)情況增加預(yù)處理設(shè)備。既滿足現(xiàn)階段我國(guó)替代燃料原料的供應(yīng)環(huán)境，在將來(lái)市場(chǎng)或政策發(fā)生變化時(shí)，項(xiàng)目可以擴(kuò)展，技術(shù)轉(zhuǎn)向靈活。