技术丨替代燃料助力水泥低碳化

引言

“十四五”时期经济社会发展将单位国内生产总值能源消耗和二氧化碳(CO₂)排放分别降低13.5%、18%作为目标''。水泥行业是CO₂排放大户，需要承担CO₂减排重任。在“十四五”期间，水泥行业大概率会被纳入全国碳排放权交易，更会对我国水泥工业及其运行产生重大影响。

本文的替代燃料是指较高热量的包括农作物秸秆、枯枝落叶、废弃林木的生物质、动物排泄物、城乡生活和工农业有机废弃物等，以及其他废弃物包括废轮胎、废塑料、废弃润滑油等。

这些废弃物虽然来源广泛，但其发热量不容小觑。通过对浙江某地的不同类型的废弃物做单筒发热量实验(测量方法根据GB/T213-20084)，得到热值结果，见图1。

图1 浙江某地替代燃料热值统计数据

从图1可以看出，这些物料自身存在较强的热值，其在水泥工业中具有很强的燃料可用性，部分物料的热值已经超过标煤(29306kJ/kg)。利用好废弃物作为水泥工业化石燃料的替代物，在降低行业碳排放、提升其环境效益的同时，对延续原有水泥生产线的工业寿命产生重大意义。

相对于垃圾发电等其他利用废弃物作为替代燃料的产业，水泥生产线利用替代燃料具备以下优势：

(1)在水泥窑内的高温度、碱性环境有利于废弃物彻底分解，其中的重金属及氮硫等有害元素固定，对废弃物实现减量化、无害化、资源化处理。

(2)水泥生产线利用替代燃料项目投资较低，仅需要储存、预燃及输送工艺，对于燃料性质单一的情况，甚至可以减少预燃设备的投资。运营阶段可以给水泥生产线降低煤耗，具有良好的经济效益。

西欧等发达国家的水泥生产线利用替代燃料技术研究较早，不仅替代燃料种类多，燃料替代率也达到一个发达的水平。以德国为例，德国水泥工业燃料替代率通过逐年发展已经接近70%(见图2)。荷兰、奥地利、挪威等国燃料替代率也超过60%，且欧盟整体水泥生产线在2012年替代率也达到了39%。

图2 德国水泥工业替代燃料占比的变化

我国的替代燃料想要在水泥行业中得到较大程度的利用，还存在着众多挑战。

(1)由于水泥厂缺乏统一的收购替代燃料标准，使收来的替代燃料性质参差不齐。以城市垃圾为例，我国大部分市政垃圾是未经过分类的，这使得低热值和高热值的垃圾混合在一起，影响整体发热效率。

(2)我国部分水泥企业对于使用废弃物替代燃料的认可度较低。替代燃料含水率及热值影响窑内工况，在一定程度上会影响水泥熟料品质，燃料的不稳定使产出熟料质量存在差异。且部分替代燃料的有害元素超标，如CI等元素，使窑体出现结皮现象。

(3)废弃物被水泥生产线利用为替代燃料本身是一件多方共赢的合作机会，但由于收储废弃物有一定成本，且外界给与的补贴较低，不能弥补自身水泥熟料产量减少及质量降低的损失。故从经济层面上使水泥企业利用替代燃料技术的积极性有所打击。以生物质为例，生物质燃料的价格逐年提升，由2010年的249元/t，涨到2019 年的317元/t。在实际项目中生物质燃料的价格更高，部分成颗粒燃料价格达到600~700元/t。从项目立项及运营角度而言，原料价格过高使项目经济性差，不利于立项及日常运营。

“十四五”规划对水泥行业能耗要求较高，我国水泥企业面临转型的迫切需求，积极利用废弃物来替代化石能源，在创造经济效益的同时降低对社会自然资源的消耗。只有努力了解并解决替代燃料在水泥行业的痛点后，水泥行业才可以真正利用废弃物替代燃料，实现高水平的燃料替代率，实现行业可持续性发展。

作者：惠家状，李惠，赵利卿，马东光，郁培智

所属：天津中材工程研究中心有限公司

来源：《中国水泥》

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