生物質替代燃料在水泥行業的應用進展

2023-10-20 01:43:26王俊杰楊華偉湛月平朱治平

潔凈煤技術 2023年10期

王俊杰,楊華偉,2,湛月平,3,柴禎,蔡軍,3,4,朱治平,3,4

(1.中國科學院工程熱物理研究所煤炭高效低碳利用全國重點實驗室,北京 100190;2.煤靈活燃燒與熱轉化山西省重點實驗室,山西大同 037000;3.山西省煤炭清潔高效燃燒與氣化工程研究中心,山西大同 037000;4.中國科學院大學,北京 100049)

0 引言

水泥工業是支撐工農業生產、基礎設施建設等國民經濟發展的重要基礎原材料行業,長期以來肩負著“大國基石”的重要職責,已經成為衡量國家經濟社會發展水平和綜合實力的重要標準。2021年全球水泥產量達到44億t[1],而我國當年水泥產量約為23.8億t,占比達54%,占世界首位。水泥工業雖然是支撐國家發展的支柱性行業,但同時也是典型的能源資源承載性行業。目前,我國水泥工業煤炭消耗量近2億t標準煤,約占建材行業煤炭消耗總量的70%和全國煤炭消費總量的6%。除高耗能外,水泥工業也是碳排放大戶。根據國際能源署發布的報告[2],2021年全球能源領域CO2排放量約363億t,其中水泥工業碳排放量約占8%。根據中國建筑材料聯合會發布的報告[3],2020年我國水泥工業CO2碳排放約12.3億t,約占當年全國碳排放總量的12.4%,占比遠高于國際平均水平。高耗能、高碳排放已成為制約我國水泥行業可持續高質量發展的重要瓶頸,在國家雙碳戰略和能耗雙控目標下,水泥工業面臨巨大的節煤與減碳壓力。

水泥熟料生產過程中的碳排放主要來自化石燃料燃燒(燃燒碳排放)以及碳酸鹽分解(工藝碳排放),發展原/燃料替代技術是實現水泥工業碳中和的有效途徑[4]。國家部委及相關行業協會近年來發布的各類文件,都將原/燃料替代技術作為水泥工業的重點發展方向[5-9]。原料替代可解決水泥行業工藝碳排放問題,同時降低熟料燒成熱耗,但可應用的替代原料種類和體量有限,且受地域分布限制。燃料替代則因其種類多、來源廣的優勢具備廣泛應用的基礎,被認為是水泥行業可行性最高的減碳方法。在所有替代燃料中,生物質替代燃料以其碳中性特點最具低碳優勢,受到水泥行業的廣泛關注。統計數據顯示[10]:截至2020年,我國秸稈理論資源量約8.29億t,可利用的林業廢棄物總量約3.5億t,生物質資源作為能源利用的開發潛力約為4.6億t標準煤;秸稈燃料化利用量為8 821.5萬t,林業廢棄物能源化利用量僅為960.4萬t。從可開發潛力與實際能源化利用的現實情況對比來看,生物質作為替代燃料使用的潛力巨大,受到國內外水泥企業的高度關注,減少碳排放的同時還能降低煤炭消耗,減少對化石能源的依賴,生物質替代燃料的規模化應用對水泥工業實現碳中和具有重要意義。

1 生物質燃料的分類及特點

2006年聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)發布的國家溫室氣體清單指南規定:生物質燃料是指由生物組成的或近期由生物衍生的有機物,以及從這些材料中產生的產品、副產品和廢物(不包括泥炭)。水泥可持續發展倡議行動組織(Cement Sustainability Initiative,CSI)[11]和“中國水泥生產企業溫室氣體排放核算方法與報告指南”[12]給出了水泥行業常用含生物碳燃料默認的碳排放因子,見表1。目前,水泥行業廣泛使用的含生物碳燃料包括干化污泥、紙、動物粉骨粉、農林業廢物、紡織廢物等。下面結合水泥生產工藝,對生物質燃料特性及其應用特點進行闡述。

表1 水泥行業常用含生物碳燃料及其碳排放因子[11-12]Table 1 Carbon emission factor of biomass fuels used in cement industry[11-12]

1)生物質燃料工業和元素分析與煙煤差異大。典型生物質燃料的工業和元素分析結果見表2。與水泥企業通常使用的煙煤相比,生物質燃料具有水分高、揮發分含量高、固定碳含量低的特點,熱值通常在10～15 MJ/kg。根據GB 50295—2016《水泥工廠設計規范》,水泥熟料煅燒用煤的低位發熱量應不低于23 MJ/kg,水分不高于15.0%。生物質燃料通常無法滿足上述要求,導致其無法直接用于回轉窯。當生物質燃料應用于分解爐時,也往往存在燃燒速度慢、燃盡率低或局部爆燃等問題。

表2 典型生物質燃料的工業和元素分析結果[13-16]Table 2 Proximate analysis and ultimate analysis of typical biomass fuels[13-16]

2)單位發熱量對應產生的煙氣量大。生物質燃料較高的水分含量導致其單位發熱量產生的煙氣量更大。以表2數據為例,假定玉米秸稈100%替代煙煤,會導致單位熟料產生的煙氣量增加約0.15 m3/kg熟料,約占預熱器出口煙氣量的10%。煙氣量的增加會對預熱器系統的阻力、出口溫度、高溫風機能力產生較大影響,這也是水泥窯爐使用包括生物質在內的替代燃料后,單位產品熱耗增加的主要原因[17]。此外,大部分生物質燃料水分較高而熱值較低,導致其單位發熱量所需的理論空氣量高于煤粉。當生物質燃料應用于水泥窯爐時需關注其對二、三次風量以及篦冷機運行的影響。

3)容積密度小。生物質燃料結構疏松、容積密度小,常用的生物質燃料容積密度在20～250 kg/m3,見表3[18]。生物質燃料用于水泥窯爐,對喂料裝置的密封性、穩定性提出了較高要求。密封性能不良時易產生漏風現象,導致熟料燒成熱耗增加[19]。另外,過小的容積密度使得生物質燃料的能量密度較低,增加了燃料的運輸成本[20]。

表3 部分典型生物質燃料容積密度參考值[18]Table 3 Bulk density of some typical biomass fuels[18]

4)尺寸大且形態多樣。水泥窯爐燃用煤粉粒徑一般要求75 μm篩余不超過揮發分的50%(如若煤粉揮發分為30%,則其粒徑要求75 μm篩余不超過15%)。經破碎后的生物質燃料尺寸通常在80 mm以上,且形態有長條狀、薄片狀、球狀等。較大的尺寸限制了燃料燃燒的水分蒸發速度、傳熱速度,以及擴散控制燃燒中氧化劑、氧化產物的擴散速度等。另外,部分尺寸過大的生物質燃料在喂入分解爐后可能直接落入煙室,從而對熟料質量及系統運行穩定性產生影響。

5)堿金屬含量高。表4反映了某煤種與生物質燃料灰分組成的對比情況[21]。與煤相比,生物質的堿含量更高,灰熔融溫度更低,帶入水泥窯爐中不僅自身易熔融,在窯爐內的循環富集還易引起局部堿結皮[22],熟料中堿含量升高也易導致熟料早期強度增大而后期強度降低。除堿含量外,部分生物質的其他微量元素含量偏高,可能會對熟料質量造成影響,如甘蔗渣中的磷含量較高(0.7%～1.0%)[23],秸稈類生物質燃料中的氯含量較高[24]。

表4 不同燃料的灰分組成[21]Table 4 Ash composition of different fuels[21] %

6)特性波動大。生物質燃料通常具有周期性、區域性和季節性特征,導致水泥企業收集到的生物質燃料種類及所含熱量因收集時間、地點、季節差異而產生較大波動。較大波動會降低水泥窯產量,增加系統熱耗,影響系統運行穩定性及耐火材料壽命。

2 生物質燃料在水泥行業的應用現狀

2.1 國外水泥企業應用現狀

國外部分地區,如歐洲水泥企業規模化利用生物質等替代燃料已有30 a以上的歷史,包括生物質在內的替代燃料收集、加工預處理及在水泥行業的應用均相對比較成熟,整體熱量替代率(Thermal Substitution Ratio,RTS)較高,與此相對應的相關標準和規范也較為完善。

2.1.1 國外替代燃料標準

國外建立了較為完善的替代燃料(含生物質燃料)相關標準。國際標準化組織(ISO)和歐洲標準化委員會(EN)發布了系列固體回收燃料相關標準,如ISO 21645《固體回收燃料-取樣方法》、EN 15415《固體回收燃料-粒度分布的測定》等。內容涵蓋了包括生物質燃料在內的固體回收燃料各個方面,如基本定義、取樣方法、樣品制備、參數檢測(包括水分、粒度分布、密度、灰熔融溫度、橋接性、機械耐久性、生物質含量、各元素含量、工業分析和熱值等)、質量管理、選型規范等。完善的標準能夠保證制備出來的生物質等替代燃料符合技術、環境和經濟要求,為固體回收燃料的規范化制備、水泥企業的高效使用奠定了堅實的基礎。

2.1.2 國外水泥企業應用生物質燃料的情況

全球水泥和混凝土協會(Global Cement and Concrete Association,GCCA)“校準數據”(Get the Number Right,GNR)項目所收集到的全球800多家水泥企業數據顯示:2020年全球水泥行業熱量消耗中化石燃料占比80.9%,替代燃料和混合廢物占比12.4%,生物質燃料占比6.7%。不同年份替代燃料和混合廢物、生物質燃料的RTS變化如圖1所示,替代燃料和混合廢物的RTS由1990年1.7%增至2020年12.4%,生物質燃料由0.3%增至6.7%。根據GNR數據,2019年部分國家水泥行業所用燃料占比如圖2所示,其中國家順序按化石燃料占比由高到低排列。化石燃料占比最小的國家是奧地利,占比22%。捷克、德國和波蘭等國家生物質燃料占比較高,均超過了22%。大部分國家生物質燃料占比小于替代化石和混合廢物占比,但資源豐富的菲律賓、巴西的生物質燃料占比是替代化石和混合廢物占比的1.5倍和1.2倍。綜合來看,德國的生物質燃料、替代化石和混合廢物占比之和達70%以上,處于全球最先進水平之列,其中生物質燃料占比達22.3%。據GNR最新數據,2020年歐盟替代燃料和混合廢物占比35.3%、生物質燃料占比17.0%、化石燃料占比47.7%;北美替代燃料和混合廢物占比11.8%、生物質燃料占比2.5%、化石燃料占比85.7%。

圖1 全球水泥行業替代燃料RTS變化Fig.1 RTS trend of alternative fuels for the global cement industry

根據GNR數據,全球水泥行業燃用不同種類生物質燃料占比如圖3所示。其中,農業廢物、有機廢物、紡織廢物占比最大,達32%;其次是動物粉,占比20%;木材、未經防腐處理的鋸末占比16%。

圖3 2020年全球水泥行業燃用不同種類生物質的占比Fig.3 Distribution of biomass fuels used in cement industry in 2020

全球部分水泥生產集團在生物質燃料、替代化石和混合廢物方面的RTS如圖4所示[25-29]。RTS最高的水泥企業為CRH,2021年達33.0%,其中生物質燃料RTS為9.6%,替代化石和混合廢物RTS為23.4%。生物質燃料RTS最高的水泥企業為Cemex,2021年達10.7%。圖4數據均為上述跨國水泥集團的全球平均水平,其在歐洲地區的RTS則顯著高于全球平均水平,如CRH歐洲水泥工廠替代燃料總RTS超50%,Holcim則達到了61%。此外,全球各大集團都設定了宏偉的燃料替代率目標,如到2030年,Heidelberg Materials燃料替代率目標為45%,Holcim為37%,Cemex則為55%以上。

圖4 全球部分水泥集團2020/2021年替代燃料RTS[25-29]Fig.4 Alternative fuels RTS of some cement manufacture groups in 2020/2021[25-29]

2.2 國內水泥企業應用現狀

我國水泥企業使用包括生物質在內的替代燃料起步較晚,利用水泥窯大規模處置生活垃圾可燃物、長江漂浮物等替代燃料始于2010年前后,起步階段以生活垃圾、污泥等低熱值物料為主[30-32]。近年來,我國水泥企業積極利用包括生物質在內的各類替代燃料。2020年,樅陽海螺投運了國內水泥行業首套生物質替代燃料系統,年處理秸稈15萬t,節約標煤5萬t[33]。根據《2021年水泥行業清潔生產發展報告》[34],我國水泥窯協同處置替代燃料的水泥線占比不超3%,RTS約2%,較國外先進水平仍有較大差距。

2.2.1 國內替代燃料標準

圍繞固體生物質燃料,國內也發布了相關標準,如GB/T 28730《固體生物質燃料樣品制備方法》。內容涵蓋了生物質燃料的術語、樣品制備、參數檢測(包括水分、灰熔融溫度、元素分析、工業分析和熱值等)。此外,還為水泥窯協同處置生活垃圾等固體廢物設定了相關標準,如GB/T 30760《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》,為水泥企業積極利用包括生物質在內的各類替代燃料提供了相關規范。除國標外,2021-1790T-JC《水泥窯用生活垃圾預處理可燃物制備技術規范》、2022CBCAJH005《用于水泥工業的生物質燃料》、T/CIC 049—2021《水泥窯用固體替代燃料》等行業標準、團體標準也正起草或已發布,進一步完善了水泥窯用生物質等替代燃料的技術規范。

與國外系列標準相比,我國相關標準在取樣方法、部分參數檢測(如樣品尺寸、橋接性能、微量元素等)、安全處理和儲存等方面仍不夠完備且對企業的指導性不足,導致部分水泥企業在采購生物質等替代燃料時缺少依據,使用時又不能掌握規范化的檢測分析方法,影響生物質等替代燃料的規模化使用。

2.2.2 國內水泥企業應用生物質燃料的情況

近年來,生物質燃料在水泥行業的應用呈現蓬勃發展態勢,國內大型水泥集團,如海螺水泥、金隅冀東、華潤水泥、華新水泥、葛洲壩水泥等均布局含生物碳燃料替代化石燃料項目,涉及秸稈、稻殼、廢紡、污泥、輪胎、糠醛渣等,我國部分水泥企業使用含生物碳燃料的情況見表5。

表5 我國部分水泥企業使用含生物碳燃料的情況Table 5 Use of bio-carbon fuels in some Chinses cement companies

生物質燃料的使用有助于降低企業單位熟料產品綜合煤耗和CO2排放量;同時,大部分生物質燃料N含量較低,有助于降低NOx排放。由于生物質燃料應用于我國水泥窯的時間較晚,目前用量有限且很多項目處于工業試驗階段。隨著越來越多水泥企業關注生物質替代燃料,未來規模將會快速增加,單條生產線用量也會顯著增大。從國內應用情況看,生物質燃料對水泥生產帶來的主要挑戰如下:

1)輸送與喂料不穩定。生物質燃料總體容重較小,對系統輸送能力提出了較高要求;此外,輸送、喂料時易發生纏繞、堵料、不下料等情況,導致漏風增加,波動增大。

2)與現有熱工系統不適應,熱量利用效率低。在使用干化污泥、廢舊輪胎等生物質燃料時,由于其燃燒及熱量釋放速度與現有熱工系統不適應,導致實際RTS較理論值明顯偏低,表現為不完全燃燒、CO含量增高、窯爐出現結皮等。

3)對熟料產量和質量存在影響。根據生物質燃料的差異表現為熟料中氯、堿等有害元素含量增加,或因不完全燃燒影響入窯生料分解率、熟料煅燒氣氛等,導致窯電流下滑、產量降低、熟料f-CaO含量增加等,此時需根據生物質燃料帶入成分的變化對生料配料及窯爐操作參數進行相應調整。

上述現象均會隨生物質燃料處置量的增加而表現得更為明顯。

3 生物質燃料預處理技術

如前所述,生物質燃料形態多樣、水分含量高,如何實現穩定給料及完全燃燒是其應用于水泥窯爐面臨的主要挑戰。為此,需要對喂入窯爐前的生物質燃料進行預處理,常用的方法包括機械預處理和高溫燃燒預處理。

3.1 機械預處理

機械預處理指對入爐前的生物質進行烘干(可選)、破碎、篩分、均化等處理。國外特別是歐盟,在生物質等替代燃料的預處理技術方面非常成熟,制定了嚴格的技術標準,形成了非常完備的替代燃料預處理產業鏈,涌現出了很多從事替代燃料收集、機械預處理、成品出售的專業公司。替代燃料的破碎,即一次尺寸縮減,通常采用單軸破碎機、雙軸破碎機、四軸破碎機等;粉碎,即二次尺寸縮減,通常采用粉碎機;此外,還可組合使用上述設備,以實現多級尺寸縮減。篩分設備通常包括風選、振動篩、圓盤篩分機等。常用的烘干設備有帶式烘干機和轉筒烘干機等。

國內水泥行業在生物質替代燃料利用方面仍處于起步階段,使用生物質作為替代燃料的生產線并不多,且生物質燃料的預處理比較簡單。對于秸稈、谷殼、樹枝、樹皮以及木板等生物質燃料,經簡單破碎后進廠,大部分企業經堆放直接喂入水泥窯爐;少量企業首先對生物質燃料進行晾曬或堆存發酵等,以去除部分水分,再通過破碎機破碎至一定粒度,然后輸送至儲庫儲存,計量后再喂入水泥窯爐。考慮經濟性,破碎后的生物質燃料最大尺寸通常在100 mm以上。除此,生物質燃料也可以被壓制成型后使用,解決輸送喂料問題,但成本相對較高。

3.2 高溫燃燒預處理

高溫燃燒預處理指替代燃料在進入分解爐前先經過高溫熱處理,產生的高溫氣體、灰燼、未燃盡物等再送入水泥窯爐。國內外企業開發了多種高溫燃燒預處理外掛爐裝備,包括熱盤爐、階梯爐及回轉式焚燒爐。

熱盤爐由丹麥艾法史密斯(FLSmidth)公司開發,采用盤式旋轉的方式將喂入的替代燃料進行烘干、焚燒。熱盤爐內通入水泥窯系統三次風以供替代燃料燃燒[42]。通過轉盤旋轉,調節替代燃料在熱盤爐內的停留時間,控制替代燃料的處置量及燃燒效率。生料接入熱盤爐,用以控制熱盤爐內的溫度。

階梯爐最早由德國蒂森克虜伯(Thyssenkrupp)公司開發。階梯爐呈臺階狀,替代燃料從階梯爐上部由喂料鉸刀喂入,三次風由階梯爐頂部進入,對替代燃料進行烘干和助燃。每個臺階處布置一定數量的空氣炮,通過空氣炮作用將替代燃料打散到下一階臺階繼續燃燒[43]。生料接入階梯爐頂部,用以控制階梯爐內溫度。

回轉式焚燒爐最早由德國洪堡(KHD)公司開發。替代燃料喂入帶有一定傾斜角度的回轉式焚燒爐,在焚燒爐內與高溫三次風混合,并連續翻轉焚燒,回轉的爐體可保證替代燃料與熱空氣充分接觸,燃燒完全。

上述高溫燃燒預處理技術可以提高替代燃料的整體燃盡率,進而增加RTS并降低對水泥窯系統的影響。受限于技術特點,熱盤爐、階梯爐和回轉式焚燒爐主要用于處理生活垃圾、輪胎、污泥等重質替代燃料。對于輕質燃料,適應性受到一定限制。為此,中國科學院工程熱物理研究所團隊針對生物質等輕質替代燃料開發了活化爐技術。破碎后的生物質燃料由輸送裝置喂入循環流化床活化爐,在氣化劑(兼做氧化劑)流態化作用下發生活化反應,從而使替代燃料得到高溫活化改性,在活化爐出口獲得由高活性半焦顆粒與煤氣組成的高溫氣固混合燃料。經高溫活化改性后的替代燃料,其物理化學性質發生顯著變化,半焦顆粒的比表面積大幅提高,碳活性位數量顯著增加,燃燒反應活性顯著提升,在進入分解爐或回轉窯后能快速燃燒,突破了常規的加熱(干燥)、著火和燃燒的三段式燃燒過程,使得燃料在有限空間內實現完全燃燒。熱盤爐、階梯爐、回轉式焚燒爐及活化爐的技術特點比較見表6。

表6 不同外掛爐技術特點比較Table 6 Comparison on the technical characteristics of different external furnaces

4 生物質燃料應用過程中面臨的問題及解決思路

1)相關理論研究對生產的指導意義不足。工業規模用生物質燃料的尺寸較大且水分含量高,但在試驗研究時,受限于試驗條件,通常會對生物質燃料進行研磨、烘干、篩分等處理,繼而再對處理后的樣品進行分析[44-49]。所得樣品的尺寸、水分與實際使用的生物質燃料存在較大區別,導致研究所得結論對生產的指導意義不足。另外,大量試驗研究采用燃料用量非常少的差熱-熱重分析方法對生物質的燃燒特性進行研究[45,48,50-54],這和實際應用差別較大。數值模擬方面,部分研究以研磨、烘干、篩分后的生物質尺寸、工業分析結果等作為輸入的邊界條件,與實際應用的生物質燃料差異較大。如GUO等[55]對煤粉和不同種類生物質在分解爐內混燒進行了數值模擬研究,生物質顆粒粒徑固定200 μm。另外,受限于計算時間,部分研究假定生物質燃料顆粒為球形[56-57],實際使用的顆粒形態與球形差異較大,導致研究結果無法指導工程實踐。

對于該問題,應積極開展規模較大的中試研究,使其貼近工程實際,如采用接近工業實際情況的生物質燃料開展試驗研究,以反映生物質燃料特征[14,58-59]。針對部分CFD模擬與實際情況不符的現象,可通過形狀因子(Shape Factor)對生物質顆粒進行簡化[60-62],如根據實際情況將生物質顆粒簡化為圓柱形、薄片形等;或可通過人工分選、風選、二維成像、單顆粒稱重等獲得不同組成、不同終端風速下生物質顆粒的形狀、質量分布特征,并將這些參數作為CFD模擬的輸入條件[63-64],從而獲得可反映生物質特征的數值模擬結果,為工業應用提供指導。

2)生物質燃料喂入熱量存在較大波動。生物質燃料喂入熱量的波動來源于燃料自身熱值的波動及喂料量的波動。生物質燃料特性波動大,導致水泥企業使用的生物質燃料組成、密度、熱值和水分含量等隨收集時間、地點而產生較大波動。另外,水泥企業通常同時使用多種生物質燃料,如木材和稻殼、廢紡和秸稈等,導致喂入窯爐的生物質燃料自身存在較大波動。在喂料環節,生物質燃料因結構疏松、水分高、纖維韌性高,易出現物料纏繞、堵塞等,導致喂入的燃料量存在波動。

為此,應規范生物質燃料收集與預處理流程,建立相關產業鏈。由政府相關機構設定替代燃料熱值、有害元素含量等標準規范,使水泥企業可以購買到熱值、成分相對穩定的替代燃料。歐洲已經建立了成熟的替代燃料產業鏈,由專業化公司將城市生活垃圾和各種工農業可燃廢物在相關標準約束下經預處理制成垃圾衍生燃料(RDF)、固體回收燃料(SFR)等產品,再出售給水泥企業。針對生物質燃料季節性強、區域分布廣等特點,水泥企業或相關收購單位可結合自身情況建立相關的生物質燃料收集、運輸、儲存模型,在保證燃料供應量的前提下降低收購成本、提高燃料質量穩定性。在替代燃料處理環節,應強化不同種類替代燃料的混合[65]。在喂料環節,可使用專門為替代燃料開發的計量設備,從而獲得較高的計量精度。

3)生物質燃料帶入水泥窯系統大量水分,影響熱量利用效率。由表2可知,生物質燃料水分含量通常較高,水分蒸發潛熱及帶來的煙氣量增加會影響熱量利用效率。水泥企業擁有大量溫度在100～120 ℃的低溫廢氣熱源,目前這些廢氣通常直接排放。

針對水泥生產工藝特征,亟需開發高效利用水泥窯爐余熱的生物質烘干設備。德國Stela公司開發的利用水泥余熱的替代燃料帶式烘干機自2012年起就成功應用于國外水泥企業[66],并在我國臺泥(貴港)水泥有限公司投運[67]。該裝置利用窯頭廢熱來烘干生物質燃料,預計可用于烘干最高水分含量為55%的木屑、樹皮以及廢紡等,處理量可到21 t/h,烘干后出料量12.4 t/h。

4)部分生物質直接投加至分解爐,與現有水泥熱工系統不適應。根據燃燒特性,應用于水泥窯爐的生物質燃料可分為兩類。第1類為尺寸小、水分含量低、比表面積大的生物質燃料,如稻殼、破碎后的秸稈、樹葉等。這類生物質燃料喂入窯爐后,因揮發分含量高,易在喂入點附近產生爆燃,導致局部溫度升高[22,68]。第2類為尺寸大、水分高、比表面積小的生物質燃料,如樹枝、木材、糠醛渣等。這類生物質燃料喂入窯爐后,因其水分蒸發、熱量傳遞、質量傳遞速度較慢,燃料燃盡所需時間更長,導致其在有限容積內的燃盡率不理想[69-70]。水分含量高的生物質燃料在進入水泥窯爐后,因水分蒸發吸熱導致局部區域溫度下降,進而影響原有化石燃料的燃燒以及生料的分解等。

為此,需根據生物質燃料種類進行相應處理,如針對第1類燃料,通過CFD模擬[51,71],優化其喂入分解爐的相對位置,在保證燃盡率、生料分解率的同時,消除局部高溫。對于第2類燃料,可采用循環流化床活化爐作為高溫燃燒預處理裝備。循環流化床是一種流態化反應器,具有燃料適應范圍廣的優點,適用于包括生物質燃料在內的多種替代燃料。因其物料循環倍率高,顆粒停留時間長,傳熱傳質迅速,可使粒徑較大、水分較高的替代燃料迅速升溫,特別適合處理不同尺寸、形狀和熱值的生物質燃料[72]。循環流化床目前已成為生物質直燃發電的主力,覆蓋了中溫中壓、中溫次高壓、高溫高壓、高溫超高壓再熱等各類鍋爐[73]。

5)生物質燃料對熟料產質量產生一定影響。在利用水泥窯處置生物質燃料時,生物質燃料中的部分堿金屬會被帶入到熟料中。國標要求低堿水泥的堿含量(以鈉當量計算)小于0.6%。對于生料堿含量較低的地區,理論可利用的生物質燃料規模較大;對于堿含量較高的企業來說,則要嚴格限制生物質燃料的使用量或通過旁路放風將部分堿排出系統[51]。

另外,生物質燃料灰中的SiO2含量一般較高,當生物質燃料用量較大時,如果不改變生料配料,易導致熟料中SiO2及SM(硅酸率)升高,液相量減少,影響熟料強度。

對于替代燃料使用后熟料產質量的管控,國外普遍投運了智能化實驗室、智能控制系統等,通過自動采樣、自動送樣、自動檢測與分析、自動配料等手段保持熟料質量的穩定[74-75]。通過自動調整包括化石燃料、替代燃料在內的燃料喂入量及不同燃料之間的比例等,保持窯爐的穩定運行。目前,國內部分水泥企業建立了智能化實驗室系統,實現了生料、熟料等自動取樣、送樣和檢測分析,提高了生產檢驗的及時性和準確性,有效提高了產品質量的穩定性[76-77]。不過,適用于水泥行業生物質等替代燃料的智能/專家控制系統卻鮮有報道,亟需開發在保持窯爐穩定運行的情況下對多種燃料實時調節的智能/專家控制模塊/系統。