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替代燃料在水泥工业中的使用

Eugeniusz Mokrzyckia, Alicja Uliasz-Bochenczyka, Mieczyslaw Sarnab

摘要

替代燃料是由不同废弃物混合物组成，如工业废弃物、城市垃圾和危险废物。这些燃料需要有一定的热值，这取决于其组成成分和有机物含量。工业生产中水泥工业最适合使用替代燃料。很多因素都能使在水泥窑炉中使用替代燃料得到推广，其中最主要的是：焚烧温度高，足够的窑长，燃料在窑内停留时间长以及窑内呈碱性氛围。目前已经有很多国家在水泥行业使用替代燃料。这些燃料具有不同的商品名称，并且它们所选择的城市垃圾和工业废物的数量和质量比也不相同。要想作为替代燃料使用，这些燃料需要满足一些参数要求，比如：最低热值，最大水分含量，以及重金属和有毒金属的最大含量。硅酸盐水泥行业也使用替代燃料。拉法基集团旗下的波特兰水泥厂开展并推广了水泥窑协同处置废弃物的应用。在水泥厂中很多废弃物均可作为燃料焚烧成灰渣。常见的替代燃料有：城市垃圾中的可燃组分，石化废弃物，汽车轮胎，油漆厂废弃物，制药业的过期药品等等。通过拉法基水泥波兰有限公司的水泥厂所取得的经验证实水泥窑协同处理废弃物既经济又有利于环保。在水泥窑炉作为替代燃料焚烧是一种安全有效的废弃物处置技术，对企业和社会来说都既环保又经济。

关键词:替代燃料;城市垃圾和工业废弃物;水泥厂

1.前言

垃圾衍生燃料在很多国家的使用已经超过10年了，广泛运用于发电厂和存在高温处理过程的工厂如水泥厂。替代燃料可以是固体或液体，由城市垃圾和工业废弃物，或它们的混合物制成。使用替代燃料代替一些常规燃料既有利于生态环境和也有明显的经济效益^[1,2]。

从技术和环保的角度来看，水泥工业特别适合使用这种燃料。国际上很多水泥厂都有使用替代燃料。目前，波兰有六家水泥厂使用替代燃料，两家属于拉法基集团，分别是Malogoszcz 和 Kujawy，后者是上世纪90年代初波兰第一个使用替代燃料的工厂。这两家工厂均使用从废弃物中获取的燃料。

2.替代燃料在水泥工业的使用

为了更好地利用废物中的能量，很多国家都将燃料从混合的废弃物中分离出来。这些燃料主要包括：RDF，BRAM，CYBERCOM，INBRE[3-10]。在波兰使用的这种类型的燃料被命名为PAKOM^[6-8]。

这些燃料包括城市垃圾中的易燃成分和各种易燃工业废弃物。在水泥工业中使用的替代燃料，可分为三种基本类型^[11,12]：

气体（热解气体，沼气等）；

液体（废油，溶剂废弃物等）；

固体（轮胎，木材废料，塑料等）。

3.波兰水泥厂中替代燃料的燃烧情况

波兰是一个有着悠久传统的水泥生产国。目前，波兰有19个水泥厂。波兰水泥工业的所有制结构见表1。水泥生产是一个高能耗的过程。传统能源成本的上升使得人们开始寻找降低成本的方法。熟料生产过程中的能量消耗最大。为了降低成本，水泥厂使用现代化的生产系统，并引入新的投资。

减少能源消耗的途径之一是增加干法水泥熟料的生产并使用现代化的窑炉。这样，在2000年熟料生产中的平均能耗下降到4100 kJ/kg，而在最近的1990年能耗还是约5720 kJ/kg [ 13 ]。

表 1

2001年波兰水泥厂 ^[19]

也就是说，在这10年里，熟料生产过程中能耗减少了超过1600 kJ/kg，超过了1990年单位能耗的28%。另一种降低生产成本的方法是用替代燃料替代传统燃料的一部分来降低能源成本。

拉法基水泥公司的水泥厂使用的替代燃料必须满足以下标准^[14]：

热值：超过14 MJ/kg（周平均值）；

氯含量：小于0.2%；

硫含量：小于2.5%；

PCB含量：小于50ppm；

重金属含量：小于2500ppm（其中：汞（Hg）小于10ppm，和镉（Cd）、铊（TL）和汞（Hg）小于100ppm）。

此外，在输送特殊的固体或液体替代燃料时，除了上述条件外，还需要满足一些附加限制，比如：自燃温度、湿度含量、灰分含量、筛分析成分等等。

这种限制是由于技术和环境因素造成的，利用废弃物制成的替代燃料不能对窑炉操作产生负面影响或影响熟料质量，也不能排放污染气体。

在许多欧洲国家，如法国或英国，以及在加拿大，美国和日本，在水泥工厂中使用废弃物做燃料。欧洲水泥协会CEMBUREAU收集了欧洲水泥厂中替代燃料的燃烧有关数据。1998年，欧洲替代燃料的燃烧最大数量显示为：荷兰约53%、与法国约41%、瑞士约35% ^[13]。在波兰，废弃物燃料在水泥厂中的使用还局限在很小的范围内。到2000年，已经有六家波兰水泥厂使用替代燃料。据水泥合石灰生产商协会宣布，波兰的替代燃料的消耗如下：1999──1.15%；2000──2.1% ^[13]。

3.1库亚维水泥厂

该水泥厂使用液体和固体替代燃料。目前，水泥厂采用湿法生产。液体替代燃料由平均热值为21621kJ/kg的乳化油组成，这些油通过UTYL公司从Pock运送到水泥厂。固体燃料是由Zachem Bydgoszcz提供的焦炭，平均热值为18881 kJ/kg（2000年度数据）。2000年，库亚维水泥厂的替代燃料消费量如下^[15]：

• 10805吨乳化油，代替5.1%的传统燃料的使用；
• 6689吨化工焦炭，代替2.7%的传统燃料的使用。

目前，该厂也烧由Zaklady Przetworstwa Miesnego w Inowroclawiu农业工人产业工会提供（Inowroclaw的肉类加工厂）提供的骨粉。这种骨粉是由屠宰后的动物残体（大脑、骨骼）组成（即SRM）。这种粉是液体，类似于重油。拉法基在焚烧动物粪便上比较有经验。1988年起拉法基法国水泥厂就已开始关注焚烧垃圾。2000年，法国的水泥厂焚烧约20万吨废弃物。德国、奥地利、捷克共和国等他国家也焚烧骨粉。在波兰，估计未来每年会有约4万吨的骨粉和动物脂肪焚烧。

3.2 Malogoszcz水泥厂

在Malogoszcz水泥厂，替代燃料的燃烧研究和准备工作已经进行了几年。

该水泥厂采用干法生产。在1999，成功进行了石油焦炭作为替代燃料的燃烧测验。并且，为了焚烧另一种替代燃料─废物采取了进一步行动。为此，水泥厂与SUWO公司达成协议，并申请到了波兰Swietokrzyskie省政府的许可。

最后，Malogoszcz水泥厂获得波兰总督允许在水泥熟料生产中使用由废物制成的替代燃料提供所需热量的40%。Swietokrzyskie Voivodeship Office开发并测试了替代燃料的用量和成分组成的控制系统程序。

今年年初，Malogoszcz水泥厂对拉敦SUWO公司提供的两种废弃物燃料PASi和PASr进行了燃烧试验。使用替代燃料PASi和PASr进行燃烧的试验结果如进表2─6所示（表2—HCl排放；表3─重金属排放； 表4─PASi的烟尘排放量；表5─重金属在使用PASR和PASI燃料的熟料中的含量；表6─烟气排放量）。

表 2

HCl排放 ^[20]

表3

重金属排放^[21]

表4

PASi的烟尘排放量^[20]

表5

重金属在使用PASR和PASI燃料的熟料中的含量^[21]

表6

烟气排放量,%^[20]

3.2.1PASr替代燃料

这种燃料是磨碎如下几种废弃物得到尺寸在0─70mm或0─40mm的颗粒：纸，纸板，箔，布，纺织品，塑料容器，磁带，电缆和清洁剂。这些废物上可能有石油、油脂、润滑油、油漆等污染物。

该燃料的参数如下

• 平均热值─24.376 MJ/kg（取决于燃料成分）
• 平均水分含量─3.19 %
• 平均灰分含量─7.98 %
• 平均氯含量─0.42 %
• 平均硫含量─0.23 %
• 堆积密度─100-300 kg/m³。

PASr燃料通过炉的主燃烧器从炉膛口喂入。尽管存在技术和工艺问题，试验仍然有可喜的结果。通过试验，得到了以下结论：

• 当燃料输送到炉膛口时，CO排放量增加，因此燃料从炉子的主燃烧器喂入；
• 试验中添加了PASR生产的熟料与未添加PASR的熟料的主要氧化物含量与相组成相似（表2）；
• 烟气排放量满足波兰Swietokrzyskie省的总督规定的要求（表6）。

配备了适当的装置后，燃料通过主燃烧器喂入炉内（2002年6月后）。预计每年燃烧约4万5000吨燃料。

3.2.2PASi替代燃料

这种燃料是以木屑或烟草粉尘与油漆、清漆或重馏分后，被废弃石油污染的硅藻土等吸附剂混合后的结果。这种燃料的特征参数如下：

• 平均热值─9.152MJ/kg（取决于燃料成分）
• 平均水分含量─30.45 %
• 平均灰分含量─24.13 %
• 平均氯含量─0.2424 %
• 平均硫含量─0.28 %
• 堆积密度─350-450 kg/m³。

PASI替代燃料被送入炉膛升降室。尽管和PASr的应用一样存在工艺问题，试验还是取得了成功。并且与PASr一样，测试中熟料各主要氧化物含量与相组成生产与无添加替代燃料的熟料相似（表2）。

几年来水泥行业利用废弃物做替代燃料的试验表明替代燃料的应用从经济和生态角度上看都是合理的。

5 经济效益

正如前面所说，水泥工业中替代燃料的使用与熟料生产过程中的能源消耗有关。平均而言，生产一吨水泥所需要的能量约为3.3GJ，这相当于约120公斤的煤的能量[16]。水泥生产中消耗的总能量约占约能源消耗的30-40%。所以，使用替代燃料可以有效降低生产成本。

在水泥厂中使用废弃物制成的燃料不仅为企业带来可观的经济效益，同时也能提高社会的经济效益。由于这种废弃物处理工艺，只有少量的废物将被丢弃或送到焚烧厂处理。这就会使得垃圾堆场数量的减少，也有效限制了已有垃圾堆场的扩充，并且可以避免再建垃圾焚烧厂的必要性。

6.生态效益

在水泥窑炉中使用替代燃料也被大众认为是长期的环境保护，不仅是因为一次能源的减少使用，也因为其中废弃物得到了应用。而之前这些废弃物只能被遗弃在特定的废物处置场所，或需专门建垃圾焚烧厂焚烧。废弃物作为替代燃料的应用可能使得废弃物的处理量减少到50%。垃圾焚烧厂和垃圾处理场可能都不会对环境造成消极影响或产生负担。我们必须注意到的是即使是一次能源对环境也会造成负面影响。

水泥窑对废弃物替代燃料而言提供了完美的焚烧的条件。炉内温度非常高（在熟料烧成带的物料温度至少达到了1700K和火焰温度则在1900K-2100K之间）和远远超过对高分子碳氢化合物完全焚烧必要的温度水平，以及二恶英和呋喃脱氯的温度条件。实际气体流通过高温区时的速度在12.1–13.5m/s之间。温度超过1670K的高温气流流经该区域大概用时2.7s，而温度超过1470K的气流通过该区域所需时间则在4.1s至5s之间。基于这些因素如高温、高速气流和物料分子在气流中的扩散悬浮时间，在水泥窑中使用替代燃料是生态安全的^[17]。

因为水泥窑炉是连续运行的，炉内物料的温度和物料的分解一直是非常稳定的。在事实上，窑炉的大热容量大使得即使发生了紧急事件，温度变化也会发生在几分钟后，这就能保证在窑炉出现故障的情况下燃料仍能够完全燃烧。

在水泥窑回转中的燃料燃烧过程是一个无废弃物生成的过程，因为焚烧后的灰分被包含在熟料中。

一个使水泥窑炉成为替代燃料的完美应用的特点是窑内的碱性环境可以在气体排放到空气中之前中和燃料燃烧产生的酸性气体成分^[18]。

水泥窑炉内高速释放的气体可以避免重金属的排放。这些重金属被固定在焚烧的灰分中，与灰尘一起被除尘装置回收。最后，重金属被固定在熟料中。

7、总结

拉法基集团水泥公司的水泥窑炉将继续使用由固体废弃物制成的替代燃料。研究表明，使用替代燃料时二氧化碳排放量没有超过波兰Swietokrzyskie省的总督批准规定的允许值。Malogoszcz水泥厂也准备燃烧来自污水处理厂的颗粒状、固态的的沉积物，因为这些有毒废弃物处理对社会来说是非常必要的。拉法基S.A.集团的水泥厂的经验证明在水泥窑炉中使用替代燃料无论在经济上还是环境时都是可行的。在水泥厂燃烧替代燃料是一个处理废弃物安全可靠方法，既环保友好又能保证工厂和社会的经济效益。

参考文献

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