蓝天众成环保工程有限公司利用水泥窑协同处置替代燃料应用思路

1. 前言

在第75届联合国大会上，中国宣布将采取更加有力的措施，力争CO₂排放在2030年前达到峰值，并在2060年实现碳中和。

水泥行业是碳密集型产业，CO₂排放约占全球总量的5%。在此形势下，正在研讨和起草的水泥行业“十四五”节能减排评测标准必然更加严格，水泥行业将面临更加严峻的挑战。

蓝天众成环保工程有限公司作为行业内专业的环保工程服务商和优秀的固体废弃物运营商，成立伊始一直致力于水泥窑协同处置固废解决方案的技术研发、装备制造和工程总包。针对我国原生态生活垃圾成分复杂、热值偏低、含水率高的现状，蓝天众成通过不懈努力，集成、优化、创新，开创了全新的“机械生物法预处理+热盘炉焚烧”固废处置技术路线。

本文旨在通过蓝天众成多年在固废处置领域的积累，从专业理论和技术实践多角度，对各类潜在替代燃料进行识别，提出以一种供应稳定的废弃物作为主要原料，搭配其它高热值废弃物的替代燃料应用思路。以多元化的原料供应来弥补单一原料的不足。开发多种替代燃料共处理工艺，合理选择预处理目标值，从而提高效率、降低成本。

2. 替代燃料的来源与选择

水泥工业使用的替代燃料大多来源于生物质和工业、商业、市政废弃物。选择替代燃料，应首先通过市政和工业部门了解水泥厂邻近区域内的资源数量，然后结合收集、运输、贮存、预处理、环境保护成本及对水泥生产的影响程度等因素，来综合评估哪些废弃物可以作为替代燃料的原料。

2.1. 潜在替代燃料

废弃物按危险程度可分为危险废弃物和非危险废弃物。尽管许多危险废弃物具有可观的热值，且预处理技术简单、成熟，但危险废弃物易对人员健康和环境产生危害，环境评价和审查难度大，项目周期长。另外从政策方向看，国家鼓励产废单位通过技改实现废弃物减量化，这既符合环境利益也符合企业经济利益，长远看危险废弃物的产生量将会持续减少。

因此，以实现燃料替代率为目的的项目应更加关注将非危险固体废弃物及生物质作为替代燃料的原料。与危险废弃物相比，这些潜在原料具有较高的热值、稳定的质量和相对容易保证的连续供应。包括：废旧轮胎、城市固体废弃物（MSW）、废纸、废塑料、污泥、农作物（绿色垃圾、废木料、果壳、稻壳、秸秆等）、废电解池（SPL）、肉骨粉（MBM）、含油土壤、废溶剂及废油等。

（1）废旧轮胎

轮胎主要由橡胶（48%）、炭黑（22%）、金属（15%）、添加剂（8%）、织物（5%）、氧化锌（1%）、硫（1%）组成，热值约为38MJ·kg^-1。

整个轮胎的燃烧需要很长的停留时间才能完全燃尽。在国外有些水泥厂中，轮胎会整体焚烧，大部分是在回转窑中完成的。更常见的是，将它们破碎，产生轮胎块或碎屑，并在分解炉中与煤共同焚烧。但是，从工艺和经济角度上它们不能被很好地破碎。丹麦FLSmidth公司提供的热盘炉燃烧装置，可对旧轮胎进行高效焚烧。

（2）生活垃圾

利用水泥窑的热风焚烧垃圾技术不用外加燃料，可节约分解炉燃料，符合我国国情。垃圾处理过程中产生的炉渣、垃圾渗滤液、废气均得到妥善处理，相比填埋方式处理垃圾节省了大量土地资源，替代了部分燃料，实现污染物零排放，属于典型的循环经济模式。

鉴于中国的城市生活垃圾将以每年8-10%的速度增长，因此，增加水泥行业垃圾协同处理量应该会引起政策制定者的兴趣。中国正在寻求解决其城市垃圾问题的方案。因此，在目前改革的节点下，中国的水泥行业可能会越来越多地用垃圾替代煤炭。

以国内某二线城市生活垃圾作为参考，生活垃圾由厨余（45%）、纸类（9.97%）、竹木（1.3%）、织物（2.26%）、橡塑（18.24%）、渣石（19.56%）、玻璃（2.63%）、金属（0.54%）组成，平均含水率50.71%，湿基高位发热量5050kJ·kg^-1，制成RDF燃料后热值可达21MJ·kg^-1，是非常理想的替代燃料原料。

（3）生物质

水泥厂利用的生物质类型在很大程度上是尚未开发的可再生能源，其变化基于当地种植/可利用的农作物。 例如，稻壳，榛子壳，椰子壳，玉米秸秆，咖啡荚和棕榈果壳是目前在水泥窑中燃烧的多种生物质。生物质燃料被认为是碳中性的，因为燃烧过程中释放的碳在生长阶段被物种从大气中带走。

使用农业生物质残余物的主要挑战包括相对较低的热值（可能导致火焰不稳定）和可用性，因为大多数农业残余物都是季节性的（并非全年可用）。

（4）市政污泥

市政污水厂在污水处理过程中会产生大量污泥，常规的处理方法主要是填埋或作为有机肥料，但都存在不容忽视的环境问题。污泥最佳处理方式是作为水泥窑的替代燃料（Manser A.G.R. 1996），这已经是学界与行业的共识。

不同类型污泥的热值存在差异，通常在9-29MJ·kg^-1之间，热值最低的是厌氧消化污泥，而活性污泥和原污泥一般热值较高。

在一些国家，污泥用于水泥生产。污泥通常与煤一起以预干燥的形式燃烧。预干燥的污泥更易于存储，运输和进料。然而，它含有高含量的SiO₂，Al₂O₃和Fe₂O₃，如果使用过量，可能会影响水泥的质量。

（5）其它

除了上述废弃物外，还有其他可供选择的替代燃料，如大件垃圾、工业垃圾、兽骨粉、废旧地毯、废塑料、轻工业废料、废旧太阳能电池板、报废风力发电机叶片、废电解池、园林绿化垃圾、河流漂浮物、畜禽粪便等等。如果企业已获得危险废弃物经营许可，那么可以选择的潜在替代燃料还会更多。

2.2. 在水泥生产中使用替代燃料的好处

随着燃煤价格不断上涨，水泥生产企业正在努力降低其生产成本，以追求经济效益最大化，实现这一目标的一种有效方法是使用替代燃料。

另外，“双碳”新形势下，减少向大气中的排放物及其对环境的积极影响是替代燃料燃烧的主要好处。在窑尾烟气通过的分解炉中，由于再燃烧反应，NOx排放量一定程度上减少。此外，与专用焚化炉相比，水泥窑系统中燃烧废弃物时，二氧化碳排放量相应减少，从而缓解了企业节煤减碳的压力，并大大提升了社会效益。

2.3. 协同处置替代燃料的主要考虑因素和挑战

在水泥厂燃烧替代燃料的潜在好处是众多的。但是，如果规划不当会导致更高的排放量，或者未按照最佳实践充分利用排放量，则可能出现相反的情况。

与常规燃料相比，水泥生产中使用的替代燃料具有不同的特性。转换燃料提出了一些挑战，为了成功应用，必须解决这些挑战。所使用的燃料类型可能会引入一些复杂成分，这些成分可能会影响水泥材料的物化反应并影响系统的运行。因此，使用一种燃料受水泥质量，耐火材料寿命，气流和料流或对大气的潜在排放等多种因素约束。

主要的挑战包括热量分布不佳，分解炉操作不稳定，预热器旋风分离器堵塞，窑尾内堆积物，更高的排放量和粉尘。

3. 替代燃料的应用思路

(1) 将所有可燃废弃物纳入考虑范围

很少有文献报道在水泥窑系统中，不同替代燃料混合时采用某个固定的最佳配比，这是由替代燃料的来源复杂造成的。对于一条规模为5000t/d以上的水泥窑，以上文讨论过的替代燃料来看，基本不存在不能消纳的问题。鉴于目前的实际情况，可以将一切可收集到的高热值固体废弃物纳入考虑范围，而暂不考虑各种替代燃料的配比问题。

(2) 尽可能实现多种废弃物共处理以降低成本。

目前，没有哪一种预处理工艺能够适用于所有废弃物。被广泛用于协同处置危险废弃物项目中的SMP（破碎-混合-泵送）工艺，虽然可以投加各种相态的废弃物，但其预处理的核心原则只是将各种废弃物通过破碎和液固混合使其满足泵送的要求而已，仅仅解决了半固态废弃物输送问题。而对于降低含水率、提高热值、改善燃烧特性，降低对熟料煅烧的影响等没有过多考虑。

通过有预见性的局部改造及合理的布置，使物理性质相似的几种固体废弃物共用一套预处理工艺或其中的某些设备，是完全可行的。比如废旧轮胎与大件垃圾共用上料、破碎、除铁等设备；秸秆与一些商业垃圾共用打碎、称重、贮存等设备等；大多数输送设备可以满足绝大部分预处理半成品的需要；而外挂式的预燃炉则几乎能够投加全部类型的废弃物。

一般来讲，在一套预处理工艺中，越靠近末端的设备使用率越高。这些设备能够满足大多数废弃物的需要。在原料供应不确定或市场波动频繁的情况下，暂时无法确定预处理工艺，可以考虑先从这些能确定的和必需的设备开始，而后再根据市场情况，在预留好的场地中添加所需要的设备。

(3) 降低预处理要求

理想的预处理工艺应以较低的成本获得适当的预处理产物，以几何尺寸来说，通常越小的目标尺寸意味着越高的预处理成本，大尺寸则相反。但大尺寸燃料因为反应时间较长，一般无法在分解炉中完全燃尽。增加一个能够控制燃料输送速度的额外的燃烧空间，已被证实可以很好的解决这个问题。这些产品能够降低大尺寸燃料对熟料煅烧系统的影响，从而降低对预处理的要求，对于许多固体废弃物而言，这能够明显的降低预处理成本。

4. 蓝天众成替代燃料焚烧技术

引入替代燃料会对整个生产产生影响。这些材料可能具有与化石燃料完全不同的特性。它们可能发粘、蓬松、潮湿并在粒径和重量上波动，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类型的燃料之间进行切换。它们的燃烧会不同，在窑炉中会有不同的反应，并可能要求您采取其他措施以确保稳定的熟料质量。有很多可变因素在起作用，这就是为什么您需要一个经验丰富的合作伙伴在您身边的原因。

凭借多年在固废处置和替代燃料领域的经验，以及在国内服务于包括海螺、中联、华润、金隅、红狮等大客户在内的，10余条项目成功案例，蓝天众成提供了一系列解决方案，使水泥制造商能够增加对替代燃料的替代率。

4.1. 机械生物法预处理原生态生活垃圾技术路线（MBT）

2014年， 在经过多年的固废协同处置探索后，华润水泥、蓝天众成及丹麦史密斯引入了热盘炉装备并根据我国固废的特点，首创国内“机械生物法预处理+热盘炉协同处置”工艺，利用水泥窑对生活垃圾等固体废弃物进行协同处置，实现固体废弃物的“无害化、减容化、资源化、集约化”处理。

其工艺过程的突出特点在于采用一级破碎和机械倒运形成有利于生物干化的孔隙织构，利用生物干化过程实现生活垃圾水分的游离转移，然后采用机械挤压方式脱出生活垃圾的外表水，从而实现生活垃圾的固液有效分离。通过本机械生物法预处理生产的产品适用于水泥窑协同焚烧处置或炉排炉焚烧处置。本发明通过与焚烧系统有机衔接，可以实现预处理过程的无害化、清洁化，并完成垃圾品质的提升，实现资源化、减量化、无害化利用。

4.2. 旁路放风高效除氯系统

水泥窑在协同处置固废的过程中，由于固废中含有较多的有害成分，对水泥窑的正常运转和产品质量可能会造成严重的后果，其中氯、硫元素就是影响最大的成分。在协同处置废弃物的生产线中，由于氯元素含量偏高导致水泥窑的结皮和堵塞，影响安全运行和熟料产质量，影响人身安全健康，甚至严重危及到企业的生存和发展。

蓝天众成高效除氯系统，除氯效率高达90%以上（10%放风量）。独特的取风口设计，降低了窑气的抽取风速，更易捕获气体中的细颗粒，除氯效率大为提升；抽取的窑气在骤冷混合室与冷却风机鼓入的冷风混合至350℃左右，经旋风分离器进一步过滤，粗颗粒返回窑系统，大大降低了旁路灰的排放量；再经空气冷却器冷却至200℃左右，最后经过袋式收尘器（收尘效率99.99%）净化，最后由新设旁路放风系统排风机（变频调速）排放汇入三次风管内（结合窑尾布置的在线燃烧装置，三次风首先经过在线预燃炉，再汇入分解炉，有效减少了该操作对系统工艺的影响，同时解决了放风废气进入窑尾废气系统排放，造成的氮氧化物和硫化物超标情况）进行后续废气处理，使得窑尾废气氮氧化物达标排放。粉尘经仓式泵或罐车输送至水泥配料站的配料仓，经过配比后随水泥混合材和熟料一起，粉磨后成为水泥。

4.3. 在线焚烧装置

国外发达国家早在20世纪50年代就开始研究并应用水泥窑炉协同处置废轮胎等，在20世纪70年代已开始应用危险废弃物、城市生活垃圾和城市污泥等废弃物，而且发展很快，如德国现在基本没有不烧替代燃料的水泥企业。国外发达国家替代燃料的替代率一般都达到了30%～90%，有些水泥企业已达到了100%，即全部烧替代燃料。在协同处置技术方面发展也很迅速，由以前废弃物热能利用率只能达到25%～35%较低的离线式处置技术发展到现在的热能利用率可达80%以上甚至100%的在线式，处置技术，如丹麦艾法史密斯（F·L·Smidth）公司的热盘炉燃烧装置（HOTDISC Combustion Device）和以德国伯利休斯（Polysius）公司为代表的阶梯炉燃烧装置。

（1）热盘炉是一种带有缓慢旋转炉盘的燃烧装置，2002年第一台应用于挪威海德堡水泥，在全球范围内已有40多个业绩（国内超过10个业绩），其优势主要有：

废弃物的热能利用率高，可达100%；

废弃物的处置能力强，5000t/d水泥生产线可处置500t/d综合固废；

对不同性状的废弃物适应能力强，对各种形状（块状、粒状、团状或膏状；轻质或重质（最大可处理1.2m直径轮胎）；难燃或易燃）的废弃物都适用；

调控灵活，运行稳定，可通过炉体配套喷煤管、C4热生料控制炉内操作温度，根据废弃物焚烧的难易程度，废弃物在热盘炉内的停留时间可在3～45min范围内灵活调控，能保证废弃物充分燃尽；

结构简单，运转可靠，无额外电能（圆盘的转动很慢，功率很小）和热能消耗；

保证环境安全，污染物零排放。

（2）阶梯炉是一种固定台阶燃烧室，其特点如下：

废弃物至于多级台阶上，三次风从固废表面通过；

适用于生活垃圾及衍生品（RDF）等预处理工艺较精细的废弃物；

通过调整空气炮喷吹，以控制燃烧室内固废灼烧减量情况，以稳窑系统工况；

5. 总结

（1）我国水泥行业应用替代燃料仍处于起步阶段，拥有广阔的应用前景，有条件的企业应积极开展替代燃料的研究与应用，尽快补全我国水泥工业的这块“短板”，助力“十四五”节能减排目标的达成。对于企业乃至水泥集团而言都具有重大的战略意义和历史意义。

（2）替代燃料原料来源不确定，市场有波动是几乎所有水泥企业所面临的问题。所以应将一切能收集到的可燃废弃物纳入考虑范围，以多元化的原料供应来弥补单一原料的不足。有条件的话，应优先寻找一种能够长期稳定供应的废弃物作为替代燃料的主要原料，使热量替代率TSR获得一个最低保障。

（3）重点开发多种替代燃料共处理工艺，合理选择预处理目标值，从而提高效率、降低成本。

（4）在原料“类多、量少”或来源不确定的情况下，可首先建设共用性高的设备，并预留预处理场地，未来根据情况增加预处理设备。既满足现阶段我国替代燃料原料的供应环境，在将来市场或政策发生变化时，项目可以扩展，技术转向灵活。