概述

水泥工業(yè)是煤炭資源消耗大戶，是我國節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)之一，水泥窯利用生物質(zhì)燃料可以減少煤的用量及NOx排放。中國作為農(nóng)業(yè)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(zhì)能源，將生物質(zhì)秸稈替代水泥窯傳統(tǒng)煤燃料，具有燃燒后污染少、灰質(zhì)摻入水泥生產(chǎn)、減少排放等優(yōu)勢(shì)，是推進(jìn)水泥行業(yè)“低碳、環(huán)保、減排”，促進(jìn)秸稈高效綜合利用的有效途徑。但由于秸稈存在熱值低導(dǎo)致替代率低、水泥窯燃燒穩(wěn)定性差、不易儲(chǔ)存、喂料輸送等問題，在水泥廠中應(yīng)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(diǎn)及應(yīng)用情況。

1.1 對(duì)水泥窯系統(tǒng)影響分析

秸稈作為替代燃料在水泥窯使用后，燒成系統(tǒng)的熱耗和工況都會(huì)產(chǎn)生一定變化，其主要幾個(gè)影響因素如下：

因素1：替代燃料中較高的水分含量，相比于煤粉，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(huì)降低，且秸稈中水分的蒸發(fā)會(huì)增加單位熟料的煙氣量。

因素2：與煤粉相比，秸稈喂入分解爐的尺寸相對(duì)較大，這導(dǎo)致其燃燒速度較煤粉慢很多。在相同的控制參數(shù)下，秸稈燃燒產(chǎn)生的CO濃度會(huì)更高，導(dǎo)致預(yù)熱器系統(tǒng)拉風(fēng)，使出口的熱損失增加。

因素3：替代燃料使用時(shí)更多的冷風(fēng)帶入。秸稈由于尺寸相對(duì)較大，當(dāng)采用氣力輸送時(shí)，固氣比會(huì)更低，輸送空氣量相對(duì)更大；如果采用機(jī)械輸送，在喂入分解爐等位置時(shí)，需要在喂料通道設(shè)置翻板閥，由于漏風(fēng)導(dǎo)致熱耗增加。

因素4：替代燃料中較高的灰分含量。生物質(zhì)替代燃料灰分分析數(shù)據(jù)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后的灰分只有5%~10%，理論原料占比0.6%左右，對(duì)生料、熟料的化學(xué)成分及率值變化有微小的影響。

秸稈燃料中硫含量很低，但堿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(dǎo)致硫揮發(fā)循環(huán)加劇，再疊加上氯的作用，容易出現(xiàn)結(jié)皮、結(jié)圈等不正?，F(xiàn)象，揮發(fā)循環(huán)擾亂窯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致單位熟料熱耗增加。

1.2 秸稈前端預(yù)處理

原生的秸稈經(jīng)打包作業(yè)，送入水泥工廠，要求入廠水分不高于20%，秸稈捆包利用叉車搬運(yùn)堆存在堆棚內(nèi)，設(shè)計(jì)儲(chǔ)量應(yīng)滿足水泥窯3d的使用量。生產(chǎn)時(shí)用叉車或抓斗機(jī)將物料推入板鏈機(jī)水平上料段，通過控制推料速度，進(jìn)入破碎機(jī)破碎。

HLZY項(xiàng)目通過對(duì)稻草秸稈原料開展破碎測(cè)試，最終選擇2臺(tái)生物質(zhì)單軸細(xì)碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)破碎粒徑到50mm，滿足人分解爐要求。秸稈破碎單位電耗約10kWh/t，對(duì)比兩級(jí)雙軸剪切破碎機(jī)下降40%。

破碎后的物料進(jìn)入緩沖倉滿足對(duì)水泥窯穩(wěn)定給料的要求，為解決生物質(zhì)秸稈儲(chǔ)存易搭橋堵料的問題，緩沖倉必須特殊設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)生物質(zhì)電廠多采用（圖1a）所示料倉，料倉本體采用方形倒錐結(jié)構(gòu)，不易搭橋，倉底有一排卸料螺旋鉸刀，可穩(wěn)定連續(xù)出料，缺點(diǎn)是倉容較?。?00m2），電耗較高。HLZY項(xiàng)目引進(jìn)國外技術(shù)，料倉配置可升降的刮板卸料裝置，從料堆頂部強(qiáng)制取料（圖1b），實(shí)現(xiàn)替代燃料儲(chǔ)存、卸料一體化功能，每個(gè)倉容可設(shè)計(jì)到1000m2，可滿足水泥窯4h的連續(xù)生產(chǎn)要求。

圖1 秸稈緩沖倉設(shè)計(jì)方案

1.3 秸稈入分解爐方案

結(jié)合秸稈的燃燒特性，秸稈入分解爐采用直燃方案，在分解爐上部靠近C下料點(diǎn)位置新增替代燃料噴點(diǎn)，與窯軸線三次風(fēng)側(cè)夾角為20°，與原上部兩個(gè)燃燒器共同組成上部燃燒系統(tǒng)。利用熱工計(jì)算和CFD數(shù)值模擬等技術(shù)手段對(duì)生物質(zhì)替代燃料處置進(jìn)行研究和分析，既保證燃料的充分燃燒，又不會(huì)出現(xiàn)高溫結(jié)皮風(fēng)險(xiǎn)，確保燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，見圖2。

秸稈入窯前計(jì)量采用轉(zhuǎn)子秤和強(qiáng)制回轉(zhuǎn)下料系統(tǒng)，避免物料搭橋堵塞，保證下料系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子秤出料口配置三通分料閥實(shí)現(xiàn)1臺(tái)轉(zhuǎn)子秤對(duì)應(yīng)2點(diǎn)喂料，減少了設(shè)備投資。秸稈入窯采用氣力輸送，并采用羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，配置風(fēng)量按3.5kg/m空氣設(shè)計(jì)。表2為常見替代燃料喂料方案對(duì)比表。

1.4 旁路放風(fēng)系統(tǒng)

通過窯系統(tǒng)有害組分揮發(fā)凝聚循環(huán)模型的建立和計(jì)算，結(jié)合秸稈灰成分實(shí)際情況，HLZY項(xiàng)目設(shè)置了一套窯尾旁路放風(fēng)系統(tǒng)（窯風(fēng)量的3%），將循環(huán)富集的氯離子等有害物質(zhì)，排出熟料燒成系統(tǒng)之外，解決替代燃料易揮發(fā)物導(dǎo)致分解爐結(jié)皮問題，保證水泥生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。收集的窯灰通過計(jì)量穩(wěn)定摻入窯頭冷卻機(jī)處理。

2.1 項(xiàng)目運(yùn)行指標(biāo)

項(xiàng)目于2020年11月份建成投運(yùn)，經(jīng)性能檢測(cè)，生物質(zhì)秸稈最大喂料量達(dá)25.68t/h，生物質(zhì)燃料熱耗替代率41.04%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

生產(chǎn)在運(yùn)行過程由于秸稈外水水分和揮發(fā)份較高，進(jìn)入分解爐燃燒氧氣需求量增加，爐內(nèi)階段性CO濃度>0.1%，為了確保工況穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速比投運(yùn)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(yùn)前下降20~30ppm。

2.2 破碎和收塵系統(tǒng)存在的問題

新鮮稻草秸稈水分大，韌性高，成捆后不易破碎，需要剪切力很大，HLZY項(xiàng)目采用的單軸高速細(xì)破碎機(jī)，秸稈原料水分進(jìn)廠未控制，出現(xiàn)大捆包卡停機(jī)的現(xiàn)象，目前采用裝載機(jī)拆包作業(yè)后投入破碎系統(tǒng)，影響了整個(gè)破碎系統(tǒng)產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。后續(xù)項(xiàng)目需要做好原料調(diào)研，進(jìn)廠為大捆包時(shí)有必要采用雙段破碎，一段采用大剪切力的雙軸剪切破將成捆秸稈打散。

秸稈破碎時(shí)產(chǎn)生大量的秸稈粉塵，區(qū)別于水泥工廠原料粉塵，該粉塵為輕質(zhì)粉塵，具有難收集，不易清灰的特性，常規(guī)收塵器采用覆膜濾袋時(shí)，秸稈纖維粉塵易黏刺在濾袋，不易清下，同時(shí)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(fēng)閥卸出。因此收塵器選型盡量采用低過濾風(fēng)速，離線式，濾袋采用抗靜電、加厚的硅油防粘結(jié)、易清灰的品種，收塵器灰斗下料口不能設(shè)計(jì)過小，必要時(shí)增加撥桿裝置防架空。

通過合理的破碎、儲(chǔ)存及輸送等預(yù)處理方案和入水泥窯分解爐技術(shù)，生物質(zhì)秸稈是可以作為優(yōu)良替代燃料在水泥窯上使用，且灰分可作為替代原料進(jìn)行利用，不會(huì)形成二次殘?jiān)瑢?shí)現(xiàn)了資源和能源的復(fù)合利用。一條5000t/d干法水泥生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤，年節(jié)約6萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，可減排CO219.7萬t/年，使用生物質(zhì)燃料是水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的一種有效途徑。

作者：張邦松

來源：《中國水泥》

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