德國水泥工業使用代用燃料概況

德國水泥工業使用代用燃料概況

1 序

水泥工業是高投資和高能耗的產業。為適應市場競爭，近30年來，德國水泥工業通過技術創新，使用免稅甚至補貼的經過處置的工業和商業廢棄物，以降低生產費用，其使用量逐年增大，平均能耗代用率從1987年的4.1%增至2014年的63.4%。

德國水泥工業使用代用燃料最初的動力是降低燃料費用。通過多年的努力，有些水泥廠燃料費用降至為“零”，有些還會增加收入。另外，使用代用燃料還可以利用廢棄物所含熱量，減少石化燃料燃燒產生的CO2排放量，避免廢棄物填埋占地所產生的水和農作物污染，有利于環境保護?，F水泥工業已發展為環境保護系統的重要環節。

水泥窯用代用燃料種類甚多，早期大多使用熱值高、性能穩定的石油焦、廢輪胎和廢機油。近年來逐漸增加工、商業廢棄物中的廢塑料、紙張、紡織纖維等，以及污水污泥、城市生活垃圾等。上述廢棄物經處置、篩選、混合及成球后，可作為水泥窯和分解爐燃燒器燃料，且已形成主流。

代用燃料在使用過程中，堿、氯、硫、磷等有害化合物易產生堿硫、堿氯循環，影響熟料的產質量，增加對窯筒體及耐火磚的化學侵蝕。

使用代用燃料的水泥廠必須配備完善的處置裝置，所處置的廢棄物必須保持熱值等性能和供應數量長期穩定，才能保持穩定生產。

2 德國水泥工業概況

2014年，德國水泥產量為3 100萬噸，占世界總量的0.74%，排名第15位。

德國水泥企業由22家中等規模水泥公司和跨國水泥公司所組成，共有55座水泥廠和粉磨站，所在地見圖1。水泥工業基本概況見表1。

2014年，53條生產線共計生產2 400萬噸熟料。已建的水泥生產裝備中，有39條帶預熱器的生產線，6條為立波爾窯生產線，8條為立窯生產線。預熱器窯中，9條為帶三次風管的預分解生產線，3條為管路分解生產線。每臺窯的平均熟料產量為2 355t/d。年消耗生料約4 200萬噸，年熱能消耗為9 250萬吉焦（表2）。

表1 德國水泥基本數據

水泥在生產過程中主要消耗的是熱能和電能，多年來，德國一直通過技術優化降低生產能耗。上世紀50年代初，德國水泥工業主要為濕法生產，平均單位熟料熱耗稍低于7 000kJ/kg。60年代轉為干法生產為主，平均單位熟料熱耗有較大幅度下降。目前，德國水泥工業約有93.8%產能的回轉窯為預熱器、預分解窯，近15年來，年平均熟料熱耗大致為2 700～3 000kJ/t（圖2）。

表2 德國水泥工業有關數據（2014年）

3 燃料

80年代中期，水泥廠開始試驗使用家庭廢棄物作煅燒熟料的代用燃料，在成功的基礎上，擴大為工業、商業和環保廢棄物燃料。德國水泥工廠協會（VDZ）從1987年開始對水泥廠使用代用燃料進行統計，歷年的平均熱量代用率見圖3。

由圖3的代用燃料平均熱利用率可以看出，一些水泥廠已從初始的拒絕使用到目前接近100%使用,代用燃料在歐洲的利用率最高，圖4為2013年各國水泥工業利用廢棄物燃料平均熱利用率（有選擇性的），最高為奧地利，＞70%。

表3為水泥廠使用的常規燃料和代用燃料的種類，包括固體、液體和氣體燃料。

由于對煅燒水泥熟料所使用的代用燃料熱值及其成分均有要求，水泥廠在使用工、商業廢料前，需要經過處置，才能滿足水泥窯燃料的需求，為此各水泥廠均需建立廢料管理系統，將廢棄物處置后才能供水泥廠使用。

圖2 歷年德國水泥熟料生產熱耗（1987年以前為西德、以后為全德熟料熱耗）

圖3 依據熱量代用率統計的德國水泥工業平均年使用代用燃料量

有些工業廢棄物成分較均勻且熱值高，可直接作代用燃料；有些廢棄物成分不均，需經處置后，將高熱值的廢料分離出來才可作代用燃料；有些則需將高熱值和低熱值工業廢棄物搭配使用。所以要根據所在地廢棄物狀況來決定處置的流程和所需的裝備。

圖4 各國水泥工業廢棄物燃料平均利用率

表3 水泥廠使用的常規燃料和代用燃料的種類

圖5為16年來德國水泥工業使用工業廢棄物作代用燃料的演變情況。1998年德國水泥廠使用78.2萬噸代用燃料。2014年增至310萬噸，相當于58.678百萬吉焦的熱量，約267萬噸褐煤或200萬噸無煙煤。

水泥工業使用的代用燃料中，主要為工、商業的廢塑料、紙、紙板以及少部分紡織纖維等。經混合和均化后，制成熱值約23MJ/kg的可供燃料器用的小顆粒代用燃料（圖6），2014年，此類代用燃料占總量的42.8%。

在代用燃料中，熱值較為穩定的有：肉骨料（約1 800MJ/kg）和廢輪胎（約2 800MJ/kg），分別制成球粒和切成碎片后入窯燃燒。

2005年德國明令禁止使用城市生活垃圾和污泥填地或作為農業肥料。從2004年至今，上述兩種熱值約8～11MJ/kg的代用燃料的用量逐年增加。

2014年水泥工業使用的燃料總熱量為9 250萬吉焦。常規燃料約占36.6%。其中，褐煤占21.1%，約89萬噸；煙煤占9.6%，約31萬噸；石油焦占4.5%；油占0.9%；天然氣占0.5%。同年代用燃料的熱代用率為63.4%，為5 860萬吉焦。

4 使用代用燃料的動力

水泥工業屬于高耗能的產業。為減少煅燒熟料所消耗的燃料費用，德國水泥企業通過技術優化，使用免稅甚至補貼的代用燃料，以降低生產費用，這就是水泥廠使用代用燃料的主要動力。從實踐來看，一些水泥廠使用代用燃料后，燃料費用為“零”，有些還會增加收入（圖7）。

水泥工業使用代用燃料除燃料費用下降外，還有如下優點：

可利用廢棄物所含能量，減少石化燃料燃燒產生的CO2排放量。

有利于環境保護，如避免廢棄物填埋占地及產生的水污染。

開發了利用工、商業廢棄物的一批專用裝備。增加了水泥產品的商業競爭力。

圖5 德國水泥工業歷年使用各種代用燃料演變情況

圖6 各種工、商業廢棄物經混合后，制成的小顆粒代用燃料

圖7 使用代用燃料后熟料煅燒燃料費用歷年降低情況

由于水泥廠大量使用工業廢棄物作燃料，德國所興建的很多處置工商業廢棄物的基礎設施都按水泥生產需求建設，促使水泥工業成為廢棄物處置的重要環節。

在水泥工業使用工商業廢棄物作代用燃料的長期實踐中出現了一些問題，主要有：

（1）工商業廢料中，含有相當數量的堿氯、堿硫以及磷等影響水泥生產的化合物，在生產過程中增加了堿氯硫循環，在一定程度上影響了熟料的產量和質量。減緩的辦法是在易結皮的部位設置空氣炮，若堿氯含量過多，則需設置旁路放風裝置，所回收的含堿、氯、硫的粉塵，部分可作肥料，部分經處置后可作原料。

（2）廢燃料熱值通常較正常燃料低，且含水量高。煅燒熟料時，產生的廢氣量多，在一定程度上增加了熟料的熱耗，降低了產量。

（3）代用燃料中的堿、氯、硫含量增加了窯內耐火磚、窯筒體、金屬部件所承受的熱化學應力，易使窯筒體、一些金屬部件腐蝕和耐火磚損壞，相應地縮短了窯運轉周期，增加了維護費用。

上述情況表明，水泥窯使用工、商業廢棄物時，必須結合現場實際情況進行。利用量必須予以控制，不能過多影響熟料產質量及熱耗。

6 結語

德國水泥工業使用代用燃料，可以大幅降低燃料費用。歷經30年的努力，至2014年，德國水泥工業平均熱量代用量已達63.4%，目前，有些企業燃料費用已降至零以下。代用燃料品種為工業、商業、環保所產生的各種廢棄燃料。水泥工業已成為廢棄物處置工業的重要部分，對環境保護作出了重大貢獻。

水泥廠處置廢料作代用燃料的優點是：可利用品種多，且熱量可利用，殘渣可作熟料成分，有助于減少使用和保存天然礦物燃料。缺點是在一定程度上影響了生產和產品質量，代用量有所限制。

水泥廠使用的代用燃料的熱值、性能及數量必須滿足水泥廠長期使用的要求，保證生產運行平穩和產品質量優良。

陳友德編譯自

No.2/2015 Cement International