概述
水泥工業是煤炭資源消耗大戶，是我國節能減排的重點行業之一，水泥窯利用生物質燃料可以減少煤的用量及NOx排放。中國作為農業大國，秸稈等資源豐富，其能源密度為14.0~17.6MJ/kg，是一種較好的生物質能源，將生物質秸稈替代水泥窯傳統煤燃料，具有燃燒後污染少、灰質摻入水泥生產、減少排放等優勢，是推進水泥行業「低碳、環保、減排」，促進秸稈高效綜合利用的有效途徑。但由於秸稈存在熱值低導致替代率低、水泥窯燃燒穩定性差、不易儲存、餵料輸送等問題，在水泥廠中應用還不成熟。本文以HLZY水泥工廠為例，介紹秸稈作為替代燃料的工藝流程，布置特點及應用情況。
01
秸稈在水泥窯的應用技術
1.1 對水泥窯系統影響分析
秸稈作為替代燃料在水泥窯使用後，燒成系統的熱耗和工況都會產生一定變化，其主要幾個影響因素如下：
因素1：替代燃料中較高的水分含量，相比於煤粉，秸稈中更高的水分含量意味著替代燃料收到基低位熱值會降低，且秸稈中水分的蒸發會增加單位熟料的煙氣量。
因素2：與煤粉相比，秸稈餵入分解爐的尺寸相對較大，這導致其燃燒速度較煤粉慢很多。在相同的控制參數下，秸稈燃燒產生的CO濃度會更高，導致預熱器系統拉風，使出口的熱損失增加。
因素3：替代燃料使用時更多的冷風帶入。秸稈由於尺寸相對較大，當採用氣力輸送時，固氣比會更低，輸送空氣量相對更大；如果採用機械輸送，在餵入分解爐等位置時，需要在餵料通道設置翻板閥，由於漏風導致熱耗增加。
因素4：替代燃料中較高的灰分含量。生物質替代燃料灰分分析數據表1顯示，灰分含量中最多的為SiO₂或CaO，可作原料加入。秸稈作為替代燃燒焚燒後的灰分只有5%~10%，理論原料占比0.6%左右，對生料、熟料的化學成分及率值變化有微小的影響。
秸稈燃料中硫含量很低，但鹼金屬尤其是鉀元素含量較高，氯元素含量也超過煤。且其較差的燃燒特性引起局部CO濃度升高，導致硫揮發循環加劇，再疊加上氯的作用，容易出現結皮、結圈等不正常現象，揮發循環擾亂窯的正常運轉，導致單位熟料熱耗增加。
1.2 秸稈前端預處理
原生的秸稈經打包作業，送入水泥工廠，要求入廠水分不高於20%，秸稈捆包利用叉車搬運堆存在堆棚內，設計儲量應滿足水泥窯3d的使用量。生產時用叉車或抓斗機將物料推入板鏈機水平上料段，通過控制推料速度，進入破碎機破碎。
HLZY項目通過對稻草秸稈原料開展破碎測試，最終選擇2台生物質單軸細碎機，實現一級破碎粒逕到50mm，滿足人分解爐要求。秸稈破碎單位電耗約10kWh/t，對比兩級雙軸剪切破碎機下降40%。
破碎後的物料進入緩衝倉滿足對水泥窯穩定給料的要求，為解決生物質秸稈儲存易搭橋堵料的問題，緩衝倉必須特殊設計。目前國內生物質電廠多採用（圖1a）所示料倉，料倉本體採用方形倒錐結構，不易搭橋，倉底有一排卸料螺旋鉸刀，可穩定連續出料，缺點是倉容較小（100m²），電耗較高。HLZY項目引進國外技術，料倉配置可升降的刮板卸料裝置，從料堆頂部強制取料（圖1b），實現替代燃料儲存、卸料一體化功能，每個倉容可設計到1000m²，可滿足水泥窯4h的連續生產要求。
圖1 秸稈緩衝倉設計方案
1.3 秸稈入分解爐方案
結合秸稈的燃燒特性，秸稈入分解爐採用直燃方案，在分解爐上部靠近C下料點位置新增替代燃料噴點，與窯軸線三次風側夾角為20°，與原上部兩個燃燒器共同組成上部燃燒系統。利用熱工計算和CFD數值模擬等技術手段對生物質替代燃料處置進行研究和分析，既保證燃料的充分燃燒，又不會出現高溫結皮風險，確保燒成系統的穩定運行，見圖2。
圖2 CFD數值模擬結果
秸稈入窯前計量採用轉子秤和強制迴轉下料系統，避免物料搭橋堵塞，保證下料系統的穩定性。轉子秤出料口配置三通分料閥實現1台轉子秤對應2點餵料，減少了設備投資。秸稈入窯採用氣力輸送，並採用羅茨風機供風，配置風量按3.5kg/m空氣設計。表2為常見替代燃料餵料方案對比表。
1.4 旁路放風系統
通過窯系統有害組分揮發凝聚循環模型的建立和計算，結合秸稈灰成分實際情況，HLZY項目設置了一套窯尾旁路放風系統（窯風量的3%），將循環富集的氯離子等有害物質，排出熟料燒成系統之外，解決替代燃料易揮發物導致分解爐結皮問題，保證水泥生產線的穩定運行。收集的窯灰通過計量穩定摻入窯頭冷卻機處理。
02
項目應用情況及問題分析
2.1 項目運行指標
項目於2020年11月份建成投運，經性能檢測，生物質秸稈最大餵料量達25.68t/h，生物質燃料熱耗替代率41.04%，滿足設計目標。
生產在運行過程由於秸稈外水水分和揮發份較高，進入分解爐燃燒氧氣需求量增加，爐內階段性CO濃度>0.1%，為了確保工況穩定運行，系統高溫風機轉速比投運前上升10~20r/min；C, 出口氧含量由1.5%下降至1.0%，C,筒出口NOx較投運前下降20~30ppm。
2.2 破碎和收塵系統存在的問題
新鮮稻草秸稈水分大，韌性高，成捆後不易破碎，需要剪切力很大，HLZY項目採用的單軸高速細破碎機，秸稈原料水分進廠未控制，出現大捆包卡停機的現象，目前採用裝載機拆包作業後投入破碎系統，影響了整個破碎系統產量和生產效率。後續項目需要做好原料調研，進廠為大捆包時有必要採用雙段破碎，一段採用大剪切力的雙軸剪切破將成捆秸稈打散。
秸稈破碎時產生大量的秸稈粉塵，區別於水泥工廠原料粉塵，該粉塵為輕質粉塵，具有難收集，不易清灰的特性，常規收塵器採用覆膜濾袋時，秸稈纖維粉塵易黏刺在濾袋，不易清下，同時該部分粉塵混合部分粗秸稈和土灰在收塵器灰斗易搭橋架空，無法從鎖風閥卸出。因此收塵器選型儘量採用低過濾風速，離線式，濾袋採用抗靜電、加厚的矽油防粘結、易清灰的品種，收塵器灰斗下料口不能設計過小，必要時增加撥杆裝置防架空。
03
結論
通過合理的破碎、儲存及輸送等預處理方案和入水泥窯分解爐技術，生物質秸稈是可以作為優良替代燃料在水泥窯上使用，且灰分可作為替代原料進行利用，不會形成二次殘渣，實現了資源和能源的複合利用。一條5000t/d干法水泥生產線，一年可使用大約15萬t的秸稈作為替代燃料，平均每2.5t秸稈替代1t標準煤，年節約6萬t標準煤，可減排CO219.7萬t/年，使用生物質燃料是水泥行業實現碳達峰目標的一種有效途徑。
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