“秸秆替代燃料+协同处置”恰逢其时

本文要点：  

1、国家密集出台相关政策；  

2、秸秆替代燃料恰逢其时；  

3、多功能气化焚烧炉的应用；  

4、精准除氯技术是协同处置的标配；  

5、干法处置飞灰-不一样的选择  

序言：  

最近大家议论最多的敏感热词“拉闸限电，碳减排、碳达峰、碳中和”给大家带来了前所未有的压力，感受可谓五味杂陈。在这个特殊的困难时刻，面对煤价这个窜天猴、电力这个拦路虎和碳减排这个紧箍咒，如何利用生物质燃料替代化石类燃料解决“燃煤之急”、如何利用水泥窑协同处置帮助水泥企业走出困境开始引起人们的深入思考。  

一、国家密集出台相关政策  

关于碳减排、碳达峰、碳中和等问题，自2021年9月至今，中共中央、国务院、各部委办局相继密集出台了相关政策性文件，指明了今后的减排目标及具体措施。具体部分摘录如下：  

1、2021年10月24日国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知国发〔2021〕23号  

把碳达峰、碳中和纳入经济社会发展全局，确保如期实现2030年前碳达峰目标。  

实现新能源的逐渐替代，…确保安全降碳。  

到2025年和2030年，非化石能源消费比重分别达到20%和25%左右，  

单位国内生产总值二氧化碳排放比2020年分别下降18%和65%以上。  

推动建材行业碳达峰。引导企业转变用能方式，鼓励…替代煤炭。  

坚决遏制“两高”项目盲目发展。大力推进生活垃圾减量化资源化。  

加强大宗固废综合利用。提高矿产资源综合开发利用水平和综合利用率，以煤矸石、粉煤灰、尾矿、共伴生矿…农作物秸秆等大宗固废为重点，支持大掺量、规模化、高值化利用。  

加快推进秸秆高值化利用，完善收储运体系，严格禁烧管控。到2025年，大宗固废年利用量达到40亿吨左右；到2030年，年利用量达到45亿吨左右。  

政策保障  

（一）建立统一规范的碳排放统计核算体系。  

（三）完善经济政策。研究设立国家低碳转型基金，支持传统产业和资源富集地区绿色转型。  

（四）建立健全市场化机制。发挥全国碳排放权交易市场作用，进一步完善配套制度，逐步扩大交易行业范围。建设全国用能权交易市场，完善用能权有偿使用和交易制度，做好与能耗双控制度的衔接。  

2、2021年9月22日中发（2021）36号“中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”  

积极发展非化石能源。实施可再生能源替代行动，…不断提高非化石能源消费比重。…合理利用生物质能。到2025年，绿色低碳循环发展的经济体系初步形成，重点行业能源利用效率大幅提升。新建、扩建水泥等高耗能高排放项目严格落实产能等量或减量置换…；严控水泥等高碳项目投资，加大对节能环保、新能源…等项目的支持力度。  

3、2021年10月22日 五部委发文：要求2025年30%以上水泥熟料产能吨熟料综合能耗达到100标准煤。到2025年，通过实施节能降碳行动，等重点行业和数据中心达到标杆水平的产能比例超过30%，行业整体能效水平明显提升，碳排放强度明显下降，绿色低碳发展能力显著增强。  

4、9月11日国家发展改革委 国家能源局关于印发《完善能源消费强度和总量双控制度方案》的通知  

二、秸秆替代燃料恰逢其时  

1、生物燃料：泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，是可再生能源开发利用的重要方向。  

2、所谓生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可生长的有机物质。它包括植物、动物和微生物，不同于石油、煤炭、核能等传统燃料，这些新兴的燃料是可再生燃料。  

3、秸秆属于生物质燃料  

4、生物质燃料代替化石燃料  

替代燃料：就是用非化石燃料替代化石燃料的过程。比如：秸秆和垃圾替代燃煤。  

5、秸秆替代燃煤生产水泥具有如下特点：  

解决燃煤之急；  

减碳效益巨大；  

降低生产成本；  

材料来源广泛；  

技术成熟可靠；  

系统兼容性强。  

5.1秸秆替代煤炭：按“巴黎协定”减少化石燃料产生的二氧化碳，按此理解：利用生物质燃料代替化石燃料就算碳减排。大约2kg秸秆热能顶1kg燃煤热能，减排二氧化碳2.7kg。  

以5000t/d水泥熟料生产线按窑尾喷煤占70%计算，窑尾分解炉全部用秸秆代替燃煤，每年可政策性减少CO2排放37.3万吨，碳交易价格50元/吨，则每年交易价值达1863万元；  

5.2、秸秆燃烧后的灰分俗称草木灰，可以作肥料改良土壤；  

5.3、秸秆热值3000-4000kcal/kg，非常适合分解炉替代燃煤，可以100%替代分解炉用煤；  

5.4、燃烧快，燃尽时间小，替代燃煤能满足工艺要求；  

5.5、干基秸秆容重小：0.1-0.3，单位热值体积大是煤的5~6倍，运输或输送量大或成本高；  

5.6、利用秸秆会减少野火焚烧对环境造成的不良影响；  

5.7、传统的秸秆粉碎后重复回填破坏土壤，容易沙化，造成保墒困难，影响作物产量；  

5.8、变废为宝，为农民增收，带动农民致富。  

6、秸秆替代燃煤的技术路线：  

秸秆-收割/打碎-打捆-田间地头堆放-防雨自然干燥-运输至水泥厂储存库/棚-装载喂料-破捆打散粉碎-缓冲料仓-仓底计量卸料-密闭输送至炉顶料仓-密闭投料/锁风喂料-秸秆进入气化炉焚烧-炉底引入热风助燃-燃烧后高温烟气入分解炉代替燃煤-灰分作为肥料加以收集利用；  

7、成熟专利技术，专利号：2020226228477  

8、气化焚烧炉可以在线也可以离线布置，同样可以焚烧垃圾替代燃煤；  

9、利用废弃的煤矸石回收大量热代替燃煤，虽然不算减排，但是对于解决燃煤之急大有帮助，同时节约大量资金，腾退大量耕地。  

10、以5000t/d生产线为例分析：  

10.1、秸秆替代燃料技术经济指标分析：  

10.2、协同处置垃圾300t/d的技术及经济指标分析  

11、结论：秸秆替代燃煤生产水泥技术成熟、前景广阔，利益巨大。  

三、多功能气化焚烧炉的应用  

1、何为协同处置：就是利用水泥窑烧成系统的高温强碱环境及烟气处理系统，在生产水泥的同时协助处理危废、固废等废弃物。在这一过程中不可避免地对大气、粉尘、地表水、地下水、重金属等环境因素产生影响。  

水泥窑协同处置作为“城市净化器政府好帮手”，逐渐走入人们的视野，被业内外，尤其是业外人士和政府部门有了更深、更新、更清晰、更全面的认识，为水泥窑协同处置工艺技术的推广和应用带来利好。  

2、协同处置对环境影响  

2.1、残渣：焚烧的残渣已经失去毒性，可以作为水泥生产过程中的生料配料或水泥粉磨的混合材加以利用。比如活化后的煤矸石等；  

2.2、重金属：焚烧过程中大部分重金属被固化在熟料里，很难再析出；  

2.3、地表水和地下水：防渗漏和零排放，将渗沥液等专门的管道直接输送到窑头进行热解，同时有控制火焰温度较少NOx生成的辅助作用；四方联最新技术不是采用残渣水冷，而是采用冷却机冷却残渣，省去了冷却水处理环节。  

2.4、垃圾本身含有大量的热，焚烧垃圾的同时，将高达1200℃的热烟气直接送到分解炉，回收大量热，可以作为替代燃料使用。  

2.5、焚烧导致CL-升高带来负面影响，通过精准除氯系统加以解决，四方联独有的防止二恶英再合成系统确保二恶英的超低排放。  

2.6、关于协同处置过程中噪音污染、光污染、核污染，由于工艺简单，几乎不存在上述污染。  

2.7、所有技术的开发立足于现有相关先进国际国内标准，并兼顾环保的长远要求和国家相关政策进行。  

3、关于二恶英问题  

3.1、认识一下二恶英：世界卫生组织公布的、目前已知的最毒的物质，属于一级致癌物质，有毒王的“美称”。二噁英熔点303-305℃,705℃开始分解温度并逐渐失去毒性，气化炉内煅烧带温度控制在1200-1300℃左右，出气化炉烟气温度1100-1200℃，远超过分解炉内900℃，这就是垃圾焚烧可以节约燃料的原因。但是，问题是二恶英可以在合成，烟气从高温逐渐降低到环境温度时，在某一温度段停留时间超过N时就会再合成，重新形成二恶英。四方联独有的防止二恶英再合成系统很好的解决了这个问题。  

3.2、二恶英的危害：  

损害人体多种器官和系统  

易被脂肪吸收及致癌,潜伏期达11年  

很容易聚集在食物链中,比如动物体内  

毒性大，是氰化物的130倍，砒霜的900倍  

3.3、解决办法：  

第一步：气化焚烧炉高温焚烧，使二恶英失去毒性；  

第二步：增加防止二恶英再合成系统，防止再合成。实际案例是排放0.012Ng/Nm³。  

4、相关政策及要求  

4.1、不同层面对环境的要求  

国家：建设环境友好型社会，倡导绿水青山就是金山银山理念，减少对环境的污染和破坏，全面建成小康社会。努力实现“可持续发展能力不断增强，生态环境得到改善，资源利用效率显著提高，促进人与自然的和谐，推动整个社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路”  

行业：统筹规划，行业结合，促进科技进步，为了保护人民的生存环境和身体健康必须坚持垃圾处理“无害化、减量化、资源化”的原则。使水泥行业从傻大黑粗的高耗能高污染行业华丽转身为绿色环保行业，实现可持续发展。  

企业：推动科技进步，在实现清洁生产的前提下对城市生活垃圾进行处理。做“城市的净化器，政府的好帮手”，勇于开发技术先进、可靠，占地小、投资小、运营成本低的环保技术及产品。  

技术推广，标准先行。四方联有幸成为国家标准《水泥窑协同处置系统》的主要起草单位，积极参与了相关标准的起草和制定。  

4.2、现状：  

4.2.1据不完全统计全国的相关数据：生活垃圾4亿吨，餐厨垃圾1000万吨，医疗垃圾100万吨，存量垃圾90亿吨，填埋场占地约30万亩，每年还在按速度8%增长。相当一些地方大量垃圾露天堆放，臭气冲天，蚊蝇孳生，多年沉积垃圾不但影响市容，而且污染环境，使大气、地表水和地下水受到不同程度的污染。  

4.2.2、危废经营资质能力突破1.2亿吨/年，已经投运的协同处置垃圾、危废、固废的处理能力为1214.6万吨/年，最新获批的处理量为2493万吨/年。全部实施后累计处理能力3707.6万吨，占总排量的9%，发展空间巨大。  

4.2.3、水泥窑协同处置能力已达600万吨/年，拟建在建危废处置项目超1200万吨/年，设计200多条水泥生产线。  

4.2.4、按水泥熟料产能15亿吨/年的15%计算，全行业可协同处理废弃物2.25亿吨，水泥行业这支环保生力军可以处置全部垃圾、危废、固废总量的一半以上，节约大量土地，实现“零排放”，协同处置大有可为。  

5、北京四方联公司在协同处置方面的工作  

近N年来，在协同处置方面四方联干了几件事：利用水泥窑“高温、强碱”天然优势，积极开发推广以气化炉、精准除氯、干法处置飞灰、秸秆替代燃料等为代表的一系列水泥窑协同处置成套专利技术成果，勇于探索，用实际行动在解决垃圾围城的蓝天保卫战中再立新功。  

6、气化焚烧炉，简称气化炉  

在回转窑的一侧离线或在线布置一台立式的热解气化焚烧炉，前置的预处理储池内的垃圾、危废与固废等晾晒后由抓斗投入料仓经计量喂入气化炉内，焚烧后的炉渣通过气化炉旋转且带有破碎功能的旋转床破碎后卸出进入空气冷却机，冷却后的残渣作为生料配料或混合材加以利用。  

高温三次风或储池内抽取燃烧用一次风和冷却后的二次风经炉底送入气化炉与物料逆向运动，物料被预热、燃烧、高温分解、残渣冷却，足够的停留燃烧时间及温度确保焚烧充分彻底。燃烧后高温热烟气经管道送入分解炉回收大量的热。  

窑尾顶部增加一个防止二噁英再合成系统确保环保指标达标。储池形成负压用的的空气进入篦冷机高温段作为冷却风用于冷却熟料并被高温焚烧热解进入窑头罩，渗沥液、地沟油、工业废液等经喷煤管喷入窑内焚烧热解。  

焚烧是公认的最好的垃圾处置方法。传统的垃圾焚烧发电技术已经得到广泛的应用，但其也存在一些缺点。在国家积极鼓励节能环保的大背景下气化炉的出现恰逢其时。气化炉具有可离线单独或组合处置危废、垃圾、污染土、飞灰、替代燃料、医疗垃圾等不同废弃物，可根据需要控制氧化还原气氛，处置量大，入分解炉气体温度高、替代原燃料性强，窑况干扰小等特点。适用于水泥窑协同处置废弃物全领域，适合新建及改造。  

传统的垃圾发电系统SFL协同处置系统  

气化焚烧炉利用水泥窑现有的烟气处理系统，省去了投资和占地比重最大的余热锅炉发电和烟气处理系统，因此节约了大量投资和占地。  

SF现场运转状况  

日前，两条完整垃圾危废混烧的气化炉项目已落地SF正式投产，可年处置市政垃圾9万吨、危废3万吨。  

7、技术比较  

8、气化炉九大特点  

（1）、高温烟气直接入炉：可在900-1200℃之间随意控制烟气入炉温度，实现部分替代燃料，对炉影响小，相对产量高。工艺简单可靠。  

（2）、残渣不进入窑系统：破碎及空气冷却后的残渣直接用于生料配料或混合材，残渣不对窑系统产量、质量产生影响。  

（3）、适应范围广：可以单独或混合处置焚烧气化危废、固废、污染土、污泥、生活垃圾等各种形态物质。比如：精馏残渣、飞灰、渗沥液，可以利用煤矸石烧制混合材并回收煤矸石的残余热量，克服中风不足边风过大等缺陷，无毒残渣充分利用可以直接生产陶粒。整体投资非常低。  

（4）、可以转换操作形态：可以实现氧化气氛（有利于分解彻底）和还原气氛下工作（有利于重金属还原、氮氧化物减排）。  

（5）、可以间歇工作：离线布置，在不同的窑列之间随时切换，根据需要可以随时停止或启动气化炉，对窑炉系统影响小，调整方便，操作简单。  

（6）、安全性高：闭门明火操作，通过各种传感器及检测设备监控生产全过程，做到人机隔离，密闭负压操作，确保人员及生产的安全和环保。负压气体入气化炉和篦冷机焚烧解毒。  

（7）、“零排放”：气化炉协同处置过程中，从大气、粉尘、重金属、地表水、地下水等技术指标远远优于相关国家标准的技术要求，实现了“零排放”。  

（8）、占地小投资少：利用原有系统处置烟气，占地少、投资少、运行成本低。新建、改造均适合。  

（9）、独有的三路固化氯硫系统，对高氯硫的废弃物更适用控制气化层温度1200℃，减少氯硫的挥发；利用工厂的廉价原材料作为固化剂，利用碱、碱性盐或碱性氧化物与氯、硫发生反应，进而抑制氯硫的挥发并固化氯硫；  

三路固化氯硫：a、固化剂与废弃物配伍气化；b、在气化气体中喷入固化剂；c、急冷固化氯硫并将底渣排出系统。  

四、水泥窑精准除氯系统（旁路放风）  

1、精准除氯：是协同处置的标配。精准除氯主要是区别于以往的旁路放风，放风量只有1-3%，除氯后的热烟气继续回到预热器系统无需单独处理，热损失非常小，工艺更加简单。收集的细粉作为半成品继续加工和利用，粗粉可部分或全部回到烟室，也可用于脱硫。  

水泥窑在协同处置固废的过程中，由于固废或危废中含有较多的有害成分，对水泥窑的正常运转和产品质量可能会造成影响，其中氯、硫元素的影响最大，精准除氯是水泥窑协同处置的标配。  

2、氯元素的影响  

2.1、对环境的影响  

只要有CL-和有机物存在就有二噁英产生。二噁英毒性巨大，是氰化钾毒性的1000倍的高度致癌物质，1盎司(28.35g)可致100万人于死地，溶于脂肪不溶于水。严格控制二噁英的产生是协同处置的关键指标之一。705℃分解失去毒性，500-300℃会再合成是协同处置需要注意的技术节点。  

2.2、对生产过程的影响  

当CL-升高时，窑尾烟室、分解炉出口、预热器易出现结皮堵塞现象。窑内易长厚窑皮、后结圈，产生包心料和大料球、篦冷机易堆雪人等都与氯元素超标有关。影响安全运行、会影响系统运转率及熟料质量。人工处置结皮时工作量大且危险，容易烫伤，影响人身安全和身体健康。  

3、水泥窑精准除氯系统（旁路放风）-四项关键技术  

3.1个性化设计：所有数据根据计算机编程确定，针对企业处理的废弃物不同和氯离子含量不同确定技术方案。  

3.2高效除氯：高效除氯机可瞬间让含氯较高的烟气分离、结晶。飞灰中挥发性有机物和二噁英彻底分解并通过急冷抑制了二噁英再合成，重金属大部分固化。  

3.3低耗：放风比例低，热损失小；系统流程短，阻力低，电耗低。  

3.4烟气回系统：设计的方案工艺简单，设备集成简化，通过水泥窑废气处理系统进行处理排放，可不产生单独的烟气排放点。  

3.5、整体考虑个性化设计：从数据收集、计算机程序分析、快速诊断、方案制定、流程设计、工艺设备选型、工程施工、调试等全过程等，实现交钥匙工程。目前实施近20条生产线全部是个性化设计，每个方案都不一样。 

五、干法处置飞灰  

1、水泥窑干法协同处置飞灰技术-工艺流程图  

2、关于飞灰  

2.1挥发性元素高：垃圾成份复杂、分类不均、季节影响、焚烧工艺的不同、烟气净化水平等波动，特别是含氯塑料和含盐较高的厨余垃圾入炉焚烧，导致我国飞灰氯元素含量显著高于发达国家。  

2.2产量巨大：截至2018年飞灰产生量约为600万吨，而全国危废总量约为4534吨。  

2.3富集重金属和二噁英：焚烧时大部分重金属和二噁英通过烟气净化系统的截留而富集到飞灰中。  

2.4氯循环机理：①飞灰上的氯在烧成带的几乎全部挥发，极少部分被熟料带走，在生料和熟料中挥发出来的氯化物可以与生料中的碱形成氯化碱。②窑气中的氯优先生成氯化钾，之后形成氯化钠。在800-900度时几乎全部凝结在生料表面上，造成某些区域或设备发生结皮、堵塞。③当生料及危废中的含氯过高时，碱循环加剧，在800-1000度区间的管道内严重结皮，同时氯化碱与硫酸碱形成低熔点混合物，粘附在生料表面，降低生料的流动性，使结皮加剧。  

实例：  

我公司2019年在JSHJS投入运行的2500t/d生产线上，目前实际处置含氯量1.2%左右的飞灰230t/d以上，已经稳定运行至今，2020年11月份已顺利通过厂房验收。2020年6月份在CSJSH的5000t/d生产线上，项目已经投运至今，稳定处置含氯量1.0%左右的飞灰350t/d以上，氯量5.0%左右的飞灰70t/d左右。  

CS干法飞灰处置系统运行状况  

六、结束语  

1、协同处置是水泥企业绿色转型的最佳途径，利国又利民；  

2、生物质燃料替代化石类燃料是企业节能减排的最好办法；  

3、精准除氯是协同处置的标配，保质量，防堵塞，保运转；  

4、不需水洗干法处置飞灰技术效益巨大值得水泥企业采纳；  

5、入气化焚烧炉可燃的低热值物料综合水分最好小于60%；  

6、煤矸石换热后烟气入分解炉，残渣不入要系统单独处理。  

作者：高玉宗  

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