｜稃一 上—捧 建材 ｔ 露 ｌ 一 农作物秸秆在水泥焚烧 替代燃料应用中的关键问题探讨 上海建筑材料集团水泥有限公司 卢波马勇 张建国 水泥行业是我国节能减排的重点行业之一，利用 生物质能源代替煤炭是水泥行业的发展趋势之一。生 物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能 量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来 源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态 和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源， 同时也是唯一一种可再生的碳源。农作物秸秆就是生 物质能的一种，它在燃烧过程中排放的二氧化碳同其 生长时吸收的二氧化碳达到碳平衡，具有二氧化碳零 排放。我国是农业大国，每年秸秆产生量约为７亿吨左 右，加快推进农作物秸秆的资源化综合利用，对促进资 源节约、环境保护具有重大意义。 据统计，上海市粮油作物秸秆产生量约为１３０万 吨，在地域上主要分布在崇明县、金山区、奉贤区等远 郊地区。其中，麦子秸秆产生量约为２４．６２万吨，水稻秸 秆产生量约为９１．８９万吨，油菜秸秆产生量约为ｌ３．１６ 万吨。如果水泥行业能够利用其中的一半作为替代燃 料，相当于可节约用煤３０万吨，直接或间接地少向 大气排放二氧化碳４５万吨、二氧化硫１ ２００吨和粉 尘３ ０００吨。 １秸秆成型燃料的特点 １．１秸秆成型燃料成分分析 秸秆成型燃料干物质元素组成有碳、氢、氧、氮、硫、 磷、钾、钠、钙、镁、硅、氯等，几乎包括了土壤和水体中 的所有元素，其中硫含量０．０８％～０＿３％，碱金属含量 １％～１０％ 表１金山区秸秆成型燃料的工业分析和元素分析 工业成分分析％ 元素组成％ 低位 样品 挥发 固定 热值 水分 灰分 分 碳 Ｃ Ｈ Ｓ Ｎ Ｐ Ｋ２０ ｋＪ／ｋｇ 秸秆 ３．６１ １１．Ｏ７ ７８．６８ １６＿３９ ４８３Ｏ ５３０ Ｏ．Ｏ９ ０．８１ ０．１５ ９．９３ １６１７６ １．２秸秆成型燃料与水泥窑用煤的区别 （１）含碳量少 秸秆燃料中含碳量最高的也仅有５０％左右，相当 于生成年代较短的褐煤的含碳量，特别是固定碳的含 量明显比煤炭少，因此生物质燃料热值较低。 （２）挥发分较多 秸秆燃料中的挥发分明显较多，主要为低分子的 碳氢化合物，到一定温度后热分解而析出挥发物，所以 生物质燃料易被引燃，燃烧初期，挥发物析出量较大， 在空气和温度不足的情况下易产生黑色火焰。 （３）热值较低 秸秆燃料含氧量较多，使得生物质燃料热值低，低 位热值约３ ８００ ｋｃａｌ／ｋｇ，但易于引燃，燃烧时可相对减 少供给空气量。 （４）密度小 秸秆燃料的密度明显较煤炭低，质地比较疏松，因 成型方式的不同，密度在０．８ ｇ／ｃｍ－１＿３ ｇ／ｃｍ。范围内。但 是易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量比煤灰少。 （５）含硫低 秸秆燃料中含硫量一般小于０．２％，燃烧时不必设 置单独的脱硫装置。 （６）含氮量低 秸秆中蛋白质、脂肪、植物碱、叶绿素等含有氮，氮 含量一般在１％以下，影响不大。 （７）ＣＯ 零排放 生物质燃烧所释放出的ＣＯ 与其生长时通过光合 作用所吸收的ＣＯ 相当，当不考虑运输排放时，ＣＯ 零 排放。 ２秸秆成型燃料在水泥窑中的应用 ２．１水泥窑用煤特点 水泥回转窑系统在煅烧熟料时对火焰有着严格的 要求： 科 技 刖 （１）火焰温度要求在１ ７００ ｏＣ以Ｅ，以保证物料能 达到１ ４５０ 的熟料生成温度； 沿 （２）火焰形状合理．以保证窑内温度分布恰当合理， 这就要求煤粉燃烧速度可控； （３）煤炭中硫含量较低．一般要求不超过２％。 只有这样，才能使水泥窑产量高，水泥产晶质量稳 定，耐火砖使用寿命长。 ２．２万安公司水泥生产ｒ艺 图１秸秆生产设备和秸秆燃料产品 新 闻 信 息 海万安华新水泥公司是ｌ ５００ ｔｌｄ新型干法水泥 生产线。陔企业早期为湿法长窑，８０年代由丹麦 ＦＬＳｍｉｄｔｈ公司改造为干法预热器窑。２０１０年，万安水泥 Ｐ１１ 公 与天津水泥ｌ 业设计研究院有限公叫合作，在窑 尾塔架外增加流态化分解炉，闷的是协同处理废弃物， ＿＿＿ ＿ 环 保 与 产量不要求增加太多，所以流态化分解炉不是按正常 的新型干法分解炉没计，而是适 增加了塔内容积。 表２万安公司水泥生产线规格参数 名称 规格 图２秸秆燃料固化成型及水泥窑焚烧工艺 １】 单位 ｍ 规格参数 中３．５ Ｘ ８８ ２．４水泥窑焚烧秸秆燃料试验 能 有效内表面积 ｍ２ 回转窑 有效内容积 斜度 转速 ｍ３ ％ 纛 秸秆燃料经过输送、计量后直接喂人流态化分解 炉焚烧。流态化分解炉设有喂煤装置，煤粉与炉底进入 的三次风混合后燃烧放热，炉内温度一般在８５０ ～ ８４６ ６４７ ３．５ ９００ ｏＣ，Ｃ３下料管设分料装置将～部分生料喂人流态 化炉分解，以调节分解炉温度。试验期间，流态化炉可 正常稳定运行，炉底未 现压床现象，炉内温度、压力 ｒ／ｍ１１３ Ｏ＿３～３．０ 流态化炉 中３ ｏｏＯ 分解炉 型式 规格 可正常控制。从气体成分看，秸秆燃料进入分解炉后， 窑尾烟室竖烟道出门（即Ｃ４旋风筒人口）ＣＯ含量 ＜０．０３％，预热器 口ＣＯ含量＜０．１８％，没有 现不完全 型式 Ｃｌ ｎ１ｍ 四级旋风式 ｌ一 ４０ｏ０ 预热器 Ｃ２ Ｃ３ Ｃ４ １一 ４０ｏ０ ｍｍ ｌ一 ４ｏｏＯ ｌ一 ４０ｏＯ 燃烧现象，分解炉升温较快，可通过减少用煤量和分料 阀开度进行控制。此外，本次试验污泥喂入前后测试了 预热器 口ＮＯｘ含量。从测试结果看，预热器 【］ ２．３秸秆燃料生产和水泥窑替代燃煤一ｌ 艺 万安公司位于金１ＩＩ区朱泾镇，当地耕地４７ ２７６．１６ ＮＯｘ排放从３８０ ｍｇ／Ｎｍ ，＠ｌ０％Ｏ２降低至２８０ ｍｇ／Ｎｍ ， ＠１０％０ ，降低幅度约２６％。 上海建材 亩，其中粮｝｝｛３１ ４６２．６８商。按每亩一季产出秸秆平均 Ｏ．５吨计算，朱泾镇一年产秸秆３万吨。 公司在收获季节从农户手中收集秸秆，输送至成 型＿Ｉ 厂进行 化成 ，成 后的秸秆燃料通过汽车运 输到水泥厂，卸入地坑内储存。秸杆颗粒在堆场内采用 抓ｉ卜起重机进行混合均化处理后，南抓斗起重机送至 喂料仓。喂料仓下设置板式给料机，并南定量给料机进 行计量，然后通过胶带机输送至窑尾，胶带机上物料通 过一部振动给料机送人喂料溜子，进入分解炉，管道上 设置锁风装置防止漏风，最后秸秆颗粒进入分解炉焚 烧无害化处置。 图３秸秆燃料喂料塔和预分解炉 在万安公司分３天内累计焚烧利用秸秆燃料约５０ 吨，对生产基本无影响，水泥质量稳定，因使用量较少， 由秸秆带入的碱含量理论上只会提供高熟料中碱含量 约０．１％，数据显示其未对水泥质量产生影响。此外，与 科 技 上海建材 前 沿 正常生产平时相比，平均每天用煤量节约１０．３６吨，燃 煤替代率可达４．２％。 表３焚烧秸秆燃料时水泥质量情况 编号 ｆ－Ｃａ０ Ｒ２Ｏ 燃料试验中发现，秸秆燃料往往在刚喂入分解炉时就 开始燃烧，导致炉内温度升温过快，煤粉在喷煤管附近 提前燃烧，使系统操作难度增加。 秸秆燃料在水泥窑中焚烧的问题，牵涉到秸秆燃料 在分解炉中与煤粉混合燃烧不配套的问题，调整设计思 路是提升秸秆燃料喂入点，这还需要进一步攻关研究。 强度 ５８．７ ５８．Ｏ 新 闻 ３天抗折 ３天抗压 ２８天抗折 ２８天抗压 强度 强度 ３０．１ ２８．８ 信 息 强度 ９．Ｏ ８．９ １９９ ０－３５ Ｏ．４８ ２（）０ ０．４７ ０．４６ ６．６ ６－４ ２０１ Ｏ．５３ ０．５０ ６．４ ２９．７ ９．０ ５８＿２ ３应用情况分析 ３．１收集与储运问题 上海市秸秆资源分布十分分散，２００多万亩耕地分 Ｐ１２ 布在６ ３００平方公里土地上，而非集中产生的格局，与 国外的机械集中化生产相比，在效率上差距较大，秸秆 环 收集难度也就非常大，这是秸秆燃料推广应用的第一 保 个问题。原料的收集距离越长，收集费用越高，导致生 与 产成本上升，当秸秆燃料成本超过原煤价格的７０％时， 节 企业使用秸秆燃料就无利可图了。 能 此外，季节、占地、脱水和防火也是不可忽视的问 题。秸秆在收获季节短短数周内集中产生，因此，企业 日常使用与之有矛盾。秸秆刚收获时，含水率一般在 ５０％左右，而秸秆燃料安全储存含水率需要控制在１ ２％ 以下，由于成本问题，不宜使用燃料烘干，通常是自然 晾干的方式。秸秆刚收获堆积密度仅为０．２ ｇ／ｅｍ。，可见， 无论从使用，还是从脱水考虑，秸秆燃料的利用都需要 考虑较大的储存用地，这是秸秆燃料推广应用的第二 个问题 表４目前秸秆原料收集储存的方法 方法 优点 缺点 投资少，可利用农村 运输成本高，来料不 农民收集并送厂 闲置场所和劳动力 稳定，秸秆质量难以 控制 ｒ厂下乡收集 秸秆质量数量稳定 可控 运输成本高，储存需 要占地面积大 在农村设收购中心 运输成本较低，供料 稳定 一次性投资较高 秸秆收集和储运的瓶颈问题的根本解决方法是实 现农业机械化，不仅仅是收获机械化，还有相应配套的 打捆成型技术，世界上凡是实现农业机械化的国家，秸 秆成型加工水平都比较高。 ３．２在分解炉中焚烧的问题 首先是分解炉焚烧秸秆是操作的问题。秸秆燃料 中７０％为纤维素，还有１５％左右的木质素，纤维素在 ３２５℃分解，木质素在３７５℃分解，因此秸秆燃料燃烧 速度比煤粉快１０％以上。在水泥分解炉焚烧利用秸秆 第二个问题是秸秆燃料中碱含量的问题。秸秆燃 料中硫含量很低，但碱金属尤其是钾元素含量较高， 氯元素含量也超过煤。秸秆燃料进入分解炉后，在 ８００℃～９００℃高温下迅速燃烧，易挥发的碱金属同粉 状物料共同形成玻璃渣状的复杂混合物，物料在紊乱 的气流推动下，一部分会撞击到这些熔融状灰渣中，导 致沉积结渣愈发严重，最终导致分解炉结皮。此外碱金 属含量还会使水泥产品碱含量升高，影响水泥的凝结 时间和耐久性。 这个问题需要因地制宜的考虑，在水泥生产原材料 中碱含量较低的地区，可考虑适量增加秸秆燃料的 使用量。上海地区水泥因原材料带入的碱含量一般在 ０．３５％～０．４％之间，需要控制秸秆燃料替代燃煤比例。 ３３加工设备磨损问题 在金山区使用冷压成型工艺的螺杆式成型机，利用 秸秆与设备的高速相对运动产生的摩擦热，使秸秆温 度升高，木质素随之软化。此时给松散的秸秆一定的压 力就能使木质素与纤维素紧密粘结在一起，经过保型、 冷却后即可固化成型。由于螺杆与秸秆始终在高速摩 擦状态，导致压缩区的螺纹磨损非常严重，再加上秸秆 收集过程中还会带入不少泥沙，进一步加剧了机械的 磨损。从在金山加工秸秆燃料的经验来看，每生产１ ２００吨秸秆就需要对螺杆进行换件维修。 秸秆燃料加工设备磨损问题的解决方法，一是提高 材料的耐磨性，二是改善秸秆加工过程的成型受力模式， 都是需要高投入的基础性研究，暂时没有很好的方法。 ４结论 秸秆燃料是一种优良的燃煤替代燃料，能够为水泥 企业替代一部分燃煤，每１．５吨秸秆燃料可替代１吨燃 煤，如果水泥行业利用秸秆燃料替代燃煤比例达到 １０％，那么仅水泥行业每年即可利用秸秆燃料４ ５００万 吨，节约燃煤３ ０００多万吨。利用秸秆燃料二氧化硫和 氮氧化物等排放远低于煤，还能实现二氧化碳的零排 放，预计每年可减少二氧化碳排放４ ５００万吨，二氧化 硫１２万吨，ｌｔＣ＃ｌ，还可省去“禁烧”投入的人力和财力，具 有良好的经济和社会效益。
