生物质秸秆作为替代燃料在水泥工厂的应用

　　水泥工业是煤炭资源消耗大户，是我国节能减排的重点行业之一，水泥窑利用生物质燃料可以减少煤的用量及NOx排放。中国作为农业大国，秸秆等资源丰富，其能源密度为14.0~17.6MJ/kg，是一种较好的生物质能源，将生物质秸秆替代水泥窑传统煤燃料，具有燃烧后污染少、灰质掺入水泥生产、减少排放等优势，是推进水泥行业“低碳、环保、减排”，促进秸秆高效综合利用的有效途径。但由于秸秆存在热值低导致替代率低、水泥窑燃烧稳定性差、不易储存、喂料输送等问题，在水泥厂中应用还不成熟。本文以HLZY水泥工厂为例，介绍秸秆作为替代燃料的工艺流程，布置特点及应用情况。

秸秆在水泥窑的应用技术

　　1.1 对水泥窑系统影响分析

　　秸秆作为替代燃料在水泥窑使用后，烧成系统的热耗和工况都会产生一定变化，其主要几个影响因素如下：

　　因素1：替代燃料中较高的水分含量，相比于煤粉，秸秆中更高的水分含量意味着替代燃料收到基低位热值会降低，且秸秆中水分的蒸发会增加单位熟料的烟气量。

　　因素2：与煤粉相比，秸秆喂入分解炉的尺寸相对较大，这导致其燃烧速度较煤粉慢很多。在相同的控制参数下，秸秆燃烧产生的CO浓度会更高，导致预热器系统拉风，使出口的热损失增加。

　　因素3：替代燃料使用时更多的冷风带入。秸秆由于尺寸相对较大，当采用气力输送时，固气比会更低，输送空气量相对更大;如果采用机械输送，在喂入分解炉等位置时，需要在喂料通道设置翻板阀，由于漏风导致热耗增加。

　　因素4：替代燃料中较高的灰分含量。生物质替代燃料灰分分析数据表1显示，灰分含量中最多的为SiO₂或CaO，可作原料加入。秸秆作为替代燃烧焚烧后的灰分只有5%~10%，理论原料占比0.6%左右，对生料、熟料的化学成分及率值变化有微小的影响。

　　秸秆燃料中硫含量很低，但碱金属尤其是钾元素含量较高，氯元素含量也超过煤。且其较差的燃烧特性引起局部CO浓度升高，导致硫挥发循环加剧，再叠加上氯的作用，容易出现结皮、结圈等不正常现象，挥发循环扰乱窑的正常运转，导致单位熟料热耗增加。

　　1.2 秸秆前端预处理

　　原生的秸秆经打包作业，送入水泥工厂，要求入厂水分不高于20%，秸秆捆包利用叉车搬运堆存在堆棚内，设计储量应满足水泥窑3d的使用量。生产时用叉车或抓斗机将物料推入板链机水平上料段，通过控制推料速度，进入破碎机破碎。

　　HLZY项目通过对稻草秸秆原料开展破碎测试，最终选择2台生物质单轴细碎机，实现一级破碎粒径到50mm，满足人分解炉要求。秸秆破碎单位电耗约10kWh/t，对比两级双轴剪切破碎机下降40%。

　　破碎后的物料进入缓冲仓满足对水泥窑稳定给料的要求，为解决生物质秸秆储存易搭桥堵料的问题，缓冲仓必须特殊设计。目前国内生物质电厂多采用(图1a)所示料仓，料仓本体采用方形倒锥结构，不易搭桥，仓底有一排卸料螺旋铰刀，可稳定连续出料，缺点是仓容较小(100m²)，电耗较高。HLZY项目引进国外技术，料仓配置可升降的刮板卸料装置，从料堆顶部强制取料(图1b)，实现替代燃料储存、卸料一体化功能，每个仓容可设计到1000m²，可满足水泥窑4h的连续生产要求。

图1 秸秆缓冲仓设计方案

　　1.3 秸秆入分解炉方案

　　结合秸秆的燃烧特性，秸秆入分解炉采用直燃方案，在分解炉上部靠近C下料点位置新增替代燃料喷点，与窑轴线三次风侧夹角为20°，与原上部两个燃烧器共同组成上部燃烧系统。利用热工计算和CFD数值模拟等技术手段对生物质替代燃料处置进行研究和分析，既保证燃料的充分燃烧，又不会出现高温结皮风险，确保烧成系统的稳定运行，见图2。

图2 CFD数值模拟结果

　　秸秆入窑前计量采用转子秤和强制回转下料系统，避免物料搭桥堵塞，保证下料系统的稳定性。转子秤出料口配置三通分料阀实现1台转子秤对应2点喂料，减少了设备投资。秸秆入窑采用气力输送，并采用罗茨风机供风，配置风量按3.5kg/m空气设计。表2为常见替代燃料喂料方案对比表。

　　1.4 旁路放风系统

　　通过窑系统有害组分挥发凝聚循环模型的建立和计算，结合秸秆灰成分实际情况，HLZY项目设置了一套窑尾旁路放风系统(窑风量的3%)，将循环富集的氯离子等有害物质，排出熟料烧成系统之外，解决替代燃料易挥发物导致分解炉结皮问题，保证水泥生产线的稳定运行。收集的窑灰通过计量稳定掺入窑头冷却机处理。

项目应用情况及问题分析

　　2.1 项目运行指标

　　项目于2020年11月份建成投运，经性能检测，生物质秸秆最大喂料量达25.68t/h，生物质燃料热耗替代率41.04%，满足设计目标。

　　生产在运行过程由于秸秆外水水分和挥发份较高，进入分解炉燃烧氧气需求量增加，炉内阶段性CO浓度>0.1%，为了确保工况稳定运行，系统高温风机转速比投运前上升10~20r/min;C, 出口氧含量由1.5%下降至1.0%，C,筒出口NOx较投运前下降20~30ppm。

　　2.2 破碎和收尘系统存在的问题

　　新鲜稻草秸秆水分大，韧性高，成捆后不易破碎，需要剪切力很大，HLZY项目采用的单轴高速细破碎机，秸秆原料水分进厂未控制，出现大捆包卡停机的现象，目前采用装载机拆包作业后投入破碎系统，影响了整个破碎系统产量和生产效率。后续项目需要做好原料调研，进厂为大捆包时有必要采用双段破碎，一段采用大剪切力的双轴剪切破将成捆秸秆打散。

　　秸秆破碎时产生大量的秸秆粉尘，区别于水泥工厂原料粉尘，该粉尘为轻质粉尘，具有难收集，不易清灰的特性，常规收尘器采用覆膜滤袋时，秸秆纤维粉尘易黏刺在滤袋，不易清下，同时该部分粉尘混合部分粗秸秆和土灰在收尘器灰斗易搭桥架空，无法从锁风阀卸出。因此收尘器选型尽量采用低过滤风速，离线式，滤袋采用抗静电、加厚的硅油防粘结、易清灰的品种，收尘器灰斗下料口不能设计过小，必要时增加拨杆装置防架空。

结论

　　通过合理的破碎、储存及输送等预处理方案和入水泥窑分解炉技术，生物质秸秆是可以作为优良替代燃料在水泥窑上使用，且灰分可作为替代原料进行利用，不会形成二次残渣，实现了资源和能源的复合利用。一条5000t/d干法水泥生产线，一年可使用大约15万t的秸秆作为替代燃料，平均每2.5t秸秆替代1t标准煤，年节约6万t标准煤，可减排CO219.7万t/年，使用生物质燃料是水泥行业实现碳达峰目标的一种有效途径。