藍天眾成環(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)合國大會上，中國宣布將采取更加有力的措施，力爭CO₂排放在2030年前達到峰值，并在2060年實現(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%。在此形勢下，正在研討和起草的水泥行業(yè)“十四五”節(jié)能減排評測標準必然更加嚴格，水泥行業(yè)將面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

藍天眾成環(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)秀的固體廢棄物運營商，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。針對我國原生態(tài)生活垃圾成分復(fù)雜、熱值偏低、含水率高的現(xiàn)狀，藍天眾成通過不懈努力，集成、優(yōu)化、創(chuàng)新，開創(chuàng)了全新的“機械生物法預(yù)處理+熱盤爐焚燒”固廢處置技術(shù)路線。

本文旨在通過藍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)實踐多角度，對各類潛在替代燃料進行識別，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)來彌補單一原料的不足。開發(fā)多種替代燃料共處理工藝，合理選擇預(yù)處理目標值，從而提高效率、降低成本。

2. 替代燃料的來源與選擇

水泥工業(yè)使用的替代燃料大多來源于生物質(zhì)和工業(yè)、商業(yè)、市政廢棄物。選擇替代燃料，應(yīng)首先通過市政和工業(yè)部門了解水泥廠鄰近區(qū)域內(nèi)的資源數(shù)量，然后結(jié)合收集、運輸、貯存、預(yù)處理、環(huán)境保護成本及對水泥生產(chǎn)的影響程度等因素，來綜合評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

廢棄物按危險程度可分為危險廢棄物和非危險廢棄物。盡管許多危險廢棄物具有可觀的熱值，且預(yù)處理技術(shù)簡單、成熟，但危險廢棄物易對人員健康和環(huán)境產(chǎn)生危害，環(huán)境評價和審查難度大，項目周期長。另外從政策方向看，國家鼓勵產(chǎn)廢單位通過技改實現(xiàn)廢棄物減量化，這既符合環(huán)境利益也符合企業(yè)經(jīng)濟利益，長遠看危險廢棄物的產(chǎn)生量將會持續(xù)減少。

因此，以實現(xiàn)燃料替代率為目的的項目應(yīng)更加關(guān)注將非危險固體廢棄物及生物質(zhì)作為替代燃料的原料。與危險廢棄物相比，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。

整個輪胎的燃燒需要很長的停留時間才能完全燃盡。在國外有些水泥廠中，輪胎會整體焚燒，大部分是在回轉(zhuǎn)窯中完成的。更常見的是，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)濟角度上它們不能被很好地破碎。丹麥FLSmidth公司提供的熱盤爐燃燒裝置，可對舊輪胎進行高效焚燒。

（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，符合我國國情。垃圾處理過程中產(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，實現(xiàn)污染物零排放，屬于典型的循環(huán)經(jīng)濟模式。

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

以國內(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)燃料被認為是碳中性的，因為燃燒過程中釋放的碳在生長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)包括相對較低的熱值（可能導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定）和可用性，因為大多數(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程中會產(chǎn)生大量污泥，常規(guī)的處理方法主要是填埋或作為有機肥料，但都存在不容忽視的環(huán)境問題。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。

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，運輸和進料。然而，它含有高含量的SiO₂，Al₂O₃和Fe₂O₃，如果使用過量，可能會影響水泥的質(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、廢舊太陽能電池板、報廢風(fēng)力發(fā)電機葉片、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)已獲得危險廢棄物經(jīng)營許可，那么可以選擇的潛在替代燃料還會更多。

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)濟效益最大化，實現(xiàn)這一目標的一種有效方法是使用替代燃料。

另外，“雙碳”新形勢下，減少向大氣中的排放物及其對環(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，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)會導(dǎo)致更高的排放量，或者未按照最佳實踐充分利用排放量，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引入一些復(fù)雜成分，這些成分可能會影響水泥材料的物化反應(yīng)并影響系統(tǒng)的運行。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

很少有文獻報道在水泥窯系統(tǒng)中，不同替代燃料混合時采用某個固定的最佳配比，這是由替代燃料的來源復(fù)雜造成的。對于一條規(guī)模為5000t/d以上的水泥窯，以上文討論過的替代燃料來看，基本不存在不能消納的問題。鑒于目前的實際情況，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題。

(2) 盡可能實現(xiàn)多種廢棄物共處理以降低成本。

目前，沒有哪一種預(yù)處理工藝能夠適用于所有廢棄物。被廣泛用于協(xié)同處置危險廢棄物項目中的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)廢棄物輸送問題。而對于降低含水率、提高熱值、改善燃燒特性，降低對熟料煅燒的影響等沒有過多考慮。

通過有預(yù)見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)不確定或市場波動頻繁的情況下，暫時無法確定預(yù)處理工藝，可以考慮先從這些能確定的和必需的設(shè)備開始，而后再根據(jù)市場情況，在預(yù)留好的場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，以幾何尺寸來說，通常越小的目標尺寸意味著越高的預(yù)處理成本，大尺寸則相反。但大尺寸燃料因為反應(yīng)時間較長，一般無法在分解爐中完全燃盡。增加一個能夠控制燃料輸送速度的額外的燃燒空間，已被證實可以很好的解決這個問題。這些產(chǎn)品能夠降低大尺寸燃料對熟料煅燒系統(tǒng)的影響，從而降低對預(yù)處理的要求，對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. 藍天眾成替代燃料焚燒技術(shù)

引入替代燃料會對整個生產(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，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行切換。它們的燃燒會不同，在窯爐中會有不同的反應(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經(jīng)驗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，以及在國內(nèi)服務(wù)于包括海螺、中聯(lián)、華潤、金隅、紅獅等大客戶在內(nèi)的，10余條項目成功案例，藍天眾成提供了一系列解決方案，使水泥制造商能夠增加對替代燃料的替代率。

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

2014年， 在經(jīng)過多年的固廢協(xié)同處置探索后，華潤水泥、藍天眾成及丹麥史密斯引入了熱盤爐裝備并根據(jù)我國固廢的特點，首創(chuàng)國內(nèi)“機械生物法預(yù)處理+熱盤爐協(xié)同處置”工藝，利用水泥窯對生活垃圾等固體廢棄物進行協(xié)同處置，實現(xiàn)固體廢棄物的“無害化、減容化、資源化、集約化”處理。

其工藝過程的突出特點在于采用一級破碎和機械倒運形成有利于生物干化的孔隙織構(gòu)，利用生物干化過程實現(xiàn)生活垃圾水分的游離轉(zhuǎn)移，然后采用機械擠壓方式脫出生活垃圾的外表水，從而實現(xiàn)生活垃圾的固液有效分離。通過本機械生物法預(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)明通過與焚燒系統(tǒng)有機銜接，可以實現(xiàn)預(yù)處理過程的無害化、清潔化，并完成垃圾品質(zhì)的提升，實現(xiàn)資源化、減量化、無害化利用。

4.2. 旁路放風(fēng)高效除氯系統(tǒng)

水泥窯在協(xié)同處置固廢的過程中，由于固廢中含有較多的有害成分，對水泥窯的正常運轉(zhuǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量可能會造成嚴重的后果，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，影響安全運行和熟料產(chǎn)質(zhì)量，影響人身安全健康，甚至嚴重危及到企業(yè)的生存和發(fā)展。

藍天眾成高效除氯系統(tǒng)，除氯效率高達90%以上（10%放風(fēng)量）。獨特的取風(fēng)口設(shè)計，降低了窯氣的抽取風(fēng)速，更易捕獲氣體中的細顆粒，除氯效率大為提升；抽取的窯氣在驟冷混合室與冷卻風(fēng)機鼓入的冷風(fēng)混合至350℃左右，經(jīng)旋風(fēng)分離器進一步過濾，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（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)過在線預(yù)燃爐，再匯入分解爐，有效減少了該操作對系統(tǒng)工藝的影響，同時解決了放風(fēng)廢氣進入窯尾廢氣系統(tǒng)排放，造成的氮氧化物和硫化物超標情況）進行后續(xù)廢氣處理，使得窯尾廢氣氮氧化物達標排放。粉塵經(jīng)倉式泵或罐車輸送至水泥配料站的配料倉，經(jīng)過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

國外發(fā)達國家早在20世紀50年代就開始研究并應(yīng)用水泥窯爐協(xié)同處置廢輪胎等，在20世紀70年代已開始應(yīng)用危險廢棄物、城市生活垃圾和城市污泥等廢棄物，而且發(fā)展很快，如德國現(xiàn)在基本沒有不燒替代燃料的水泥企業(yè)。國外發(fā)達國家替代燃料的替代率一般都達到了30%～90%，有些水泥企業(yè)已達到了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）公司的熱盤爐燃燒裝置（HOTDISC Combustion Device）和以德國伯利休斯（Polysius）公司為代表的階梯爐燃燒裝置。

（1）熱盤爐是一種帶有緩慢旋轉(zhuǎn)爐盤的燃燒裝置，2002年第一臺應(yīng)用于挪威海德堡水泥，在全球范圍內(nèi)已有40多個業(yè)績（國內(nèi)超過10個業(yè)績），其優(yōu)勢主要有：

廢棄物的熱能利用率高，可達100%；

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

對不同性狀的廢棄物適應(yīng)能力強，對各種形狀（塊狀、粒狀、團狀或膏狀；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，運行穩(wěn)定，可通過爐體配套噴煤管、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，廢棄物在熱盤爐內(nèi)的停留時間可在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)簡單，運轉(zhuǎn)可靠，無額外電能（圓盤的轉(zhuǎn)動很慢，功率很小）和熱能消耗；

保證環(huán)境安全，污染物零排放。

（2）階梯爐是一種固定臺階燃燒室，其特點如下：

廢棄物至于多級臺階上，三次風(fēng)從固廢表面通過；

適用于生活垃圾及衍生品（RDF）等預(yù)處理工藝較精細的廢棄物；

通過調(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)積極開展替代燃料的研究與應(yīng)用，盡快補全我國水泥工業(yè)的這塊“短板”，助力“十四五”節(jié)能減排目標的達成。對于企業(yè)乃至水泥集團而言都具有重大的戰(zhàn)略意義和歷史意義。

（2）替代燃料原料來源不確定，市場有波動是幾乎所有水泥企業(yè)所面臨的問題。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)來彌補單一原料的不足。有條件的話，應(yīng)優(yōu)先尋找一種能夠長期穩(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獲得一個最低保障。

（3）重點開發(fā)多種替代燃料共處理工藝，合理選擇預(yù)處理目標值，從而提高效率、降低成本。

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