热解炭黑作为替代燃料在水泥生产中的应用_杨精伟.pdf

2023年第1期中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）01-73-03【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.01.026热解炭黑作为替代燃料在水泥生产中的应用杨精伟（冀东水泥黑龙江有限公司，黑龙江哈尔滨150001）0引言根据新的能源消耗限额GB0167802021，熟料单位产品综合煤耗（标准煤）的1级指标是94 kg/t，目前满足1级指标的企业不超过5%。而根据国家发改委等五部门于2021年11月联合印发的 关于严格能效约束推动重点领域节能降碳的若干意见，到2025 年要有 30%以上的水泥企业能效指标达到 1级。对于已投产运行的水泥生产线，如果不采用替代燃料或生料中添加可燃物质，这个指标很难实现。因此，积极利用替代燃料降低化石燃料消耗，将是未来几年各水泥企业提升能效指标的重要工作。1替代燃料使用的替代方案和生产实践1.1替代燃料简介替代燃料指的是使用可燃废弃物替代传统天然化石燃料生产水泥熟料。借鉴欧洲水泥行业替代燃料的成功经验，中国水泥行业可以使用的替代燃料有生物燃料和垃圾衍生燃料 RDF，固废回收燃料SRF、干化污泥淤泥、轮胎衍生燃料TDF、废油及溶剂等。其中，固体回收燃料包括布碎、纸渣、软塑、秸秆、纺织皮革边角料、复合包装物等有机固废的衍生燃料。可燃废弃物在水泥工业中的应用不仅可以节约一次能源，并且有助于环境保护，助力解决我国固体废物污染环境治理的难题。利用替代燃料代替化石燃料将会是未来中国水泥工业发展的重要方向，并且随着煤价的不断攀升，使用替代燃料将变得更加有竞争力。1.2烧成系统基本配置和替代燃料方案我公司现有一条设计产量7200t/d水泥熟料生产线,配套TTF型分解炉，于2017年10月建成投产，熟料产量90009600t/d,烧成系统主机设备配置见表1。其中,采用史密斯DUOFLEX-G2型燃烧器,该燃烧器具有一次风量低，灵活调节，热力集中,对劣质燃料适应性强等特点。根据现场实际情况，确定从原煤中掺加替代燃料和从分解炉喷入使用的方式进行替代燃料使用工作，根据窑煅烧工况逐渐增加替代燃料使用量，结合热解炭黑中硫含量偏高的情况，制定应对措施，控制熟料中硫碱比。1.3初期试用阶段我公司从2021年下半年开始实验使用替代燃料，先后使用过糠醛渣、橡胶颗粒、菌包、稻壳等多种工农业的废弃物作为替代燃料。初期使用阶段由于物料水分、颗粒、流动性各不相同，物料输送设备采用铲车料斗上料方式，通过料斗下分格轮锁风，用罗茨风机通过气力输送把物料打到预热器40 m高的平台的储存仓内。储存仓上部设有收尘器，下部使用带有计量功能的螺旋输送机直接把物料送进分解炉中部位置进行燃烧使用。此套上料系统因为上线比较仓促，存在较多安全风险，比如铲车上料造成区域瞬间扬尘，对附近变压器、排风机电机运行构成隐患，输送管道为塑料粗管，经过分解炉旁平台容易受热变形，入分解炉的设备出现漏细料现象，飘洒在预热器构件表面，由于表面温度偏高，外溢物料很快产生阴燃情况，对设备运行造成很大影响。此套设备因为使用分格轮锁风下料，密封效果有限，遇到松散轻质物料，地面料斗处下料速度明显下降甚至不走料，严重影响系统的稳定使用。进厂的糠醛渣水分能够超过50%，使用料斗上料时下料速度过慢，堵卡情况太严重，无法满足正常使用需求。1.4正式使用阶段回转窑产量 7 200 t/d、规格5.4 m82 m、斜度：4%、主传转速：0.464.6 r/min预分解系统C1旋风筒6 250 mm；C2旋风筒8 600 mm；C3旋风筒8800 mm；C4旋风筒9000 mm；C5旋风筒9000 mm；分解炉 9000 mm44 500 mm篦冷机冷却能力:7 200 t/d、Max.11 000 t/d、篦床有效面积:207.4 m2、最大料层厚度:800 mm、推动棒冲程:300 mm、冲程次数:225次/min燃烧器史密斯Duoflex-G2型、一次风动量1 8002 000 m/s高温风机处理风量:1.2106 m3/h(原料磨开)、全压:7 800 Pa、工作温度:310、最高温度:450、功率3 600 kW窑尾排风机处理风量：1.2106 m3/h、全压：3 800 Pa、功率2 000 kW煤磨型号ZGM123G-，能力：55 t/h,磨机电机功率900 kW表1烧成系统主机设备配置资源环保杨精伟：热解炭黑作为替代燃料在水泥生产中的应用-732023年第1期经过2021年下半年的试用阶段，我公司基本确定以热解炭黑为主要替代燃料使用，并变更输送系统流程。现阶段使用的热解炭黑分为两种，一种为水分偏高热值偏低的湿炭黑，另一种为高热值干炭黑。湿炭黑与原煤一起布入均化库，经过粉磨烘干后与煤粉混合一起进行煅烧使用，干炭黑通过替代燃料系统直接喷入分解炉进行使用。两种进厂炭黑的工业分析见表2。表2热解炭黑工业分析数据供货商YP(干)BY(湿)工业分析/%Mt1.61热值/(MJkg-1)Qb,ad27.64工业分析/%Mt29.76热值/(MJkg-1)Qb,ad27.16Mad0.89Qgr,ad27.35Mad1.18Qgr,ad26.89Vad7.81Qnet.ad26.78Vad7.34Qnet.ad26.31Aad19.77Qnet.ar26.56Aad20.72Qnet.ar18.05St.ad2.63Qgr,d27.60St.ad2.41Qgr,d27.212022年初尝试把炭黑直接布到原煤中使用，布料阶段出现明显扬尘现象，现有收尘系统和雾化喷淋系统已无法满足布料阶段除尘需要。后来与供货企业商议适当增加炭黑水分，使热解炭黑在卸车输送布料阶段没有扬尘产生。由于热解炭黑固定碳含量高，热量释放慢，在窑内使用时对回转窑煅烧影响明显，根据实际使用情况，确定湿炭黑的掺加比例为7%，这样既能满足窑内正常煅烧，又能保证替代燃料的使用量。同时对分解炉用替代燃料输送系统进行了全面改造，确定的工艺流程为进厂炭黑使用密封罐车运输，在罗茨风机旁边地面设置230 m3储罐，通过车载压缩气泵把粉状热解炭黑输送入储罐内，物料通过罗茨风机气力输送直接打入分解炉内使用。经过改造输送管道全部更换为耐磨钢管，优化了输送管道布置角度，并且重新设置替代燃料喷入口位置，一处喷入点为三次风管入分解炉位置正上部，另一处加在分解炉锥体上部2 m位置，两处入料管位置大概处于正对角度，工艺布置详见图 3、4。改造完的系统新加了转子秤喂料设备和分解炉用燃烧器，基本避免了分解炉出现局部高温、明显结皮和输送系统外漏风的情况出现。1.5使用过程中遇到的问题及解决措施热解炭黑使用过程中主要出现的问题有：初期用称重螺旋输送机喂料，计量误差大，下料不稳定，后加转子秤喂料后下料基本稳定。由于工艺生产原因，热解炭黑和橡胶颗粒中含有较多金属杂物，容易卡跳分格轮和喂料秤，计划加装管道过滤装置，在物料入储罐之前清理完杂物。汽运罐车在往储罐打料过程中属于带压操作，具有一定危险性，需制定好正规操作流程，避免人员和设备伤害。随着替代燃料使用量增加，窑头燃烧器结焦现象明显，容易影响燃烧器火焰形状，需加大人工清理结焦的频次。前期分解炉热解炭黑使用量加到15 t/h以上时明显出现燃料不充分燃烧现象，烟室和预热器出口CO含量都有上升现象，窑尾温度高，窑况逐渐变差，入窑生料分解率由之前的97%降至95%左右。后通过改造在入分解炉处增加燃烧器，提高物料的旋流和分散程度，使热量能充分释放，替代燃料使用量增加到1820 t/h时对系统煅烧影响不明显。分解炉储罐图3替代燃料使用工艺流程#2入料点三次风#1入料点159273替代燃料输送管道图4替代燃料分解炉入料口设置示意2使用效益分析截止到今年7月，分解炉用替代燃料率为5.5%，7月当月的替代率达到18%，进入9月每天的替代燃料使用量都在200 t以上，燃料替代率基本在25%以上。后期随着供货稳定和上料输送系统优化调整，替代燃料使用量还会逐渐加大。资源环保杨精伟：热解炭黑作为替代燃料在水泥生产中的应用-742023年第1期根据使用经验分解炉用炭黑的热量利用率在90%左右，热解炭黑大概每吨可以替代 1 t原煤使用，按照每天使用200 t热解炭黑计算，每日可减少消耗原煤2000t，煤磨粉磨电力消耗减少604000kWh，实物煤耗降低210kg/t，电耗降低0.60kWh/t。经济效益方面核算，按现在炭黑采购价 10100元/t，煤炭采购价 10500元/t，熟料日产 905000t计算，熟料制造成本下降8.42元/t，每日可节约制造费用约8.38万元。碳减排方面，对于烟煤，10kg标煤对应的CO2排放量为 2.762.770kg，每日减少消耗的原煤折标煤量为1660t，则每日减少化石型CO2排放量为4600t。能耗方面，根据GB016780规定，企业采用替代燃料时单位产品综合能耗、综合煤耗与综合电耗各等级限额值计算扣除替代燃料量，按替代燃料使用率为20%计算，熟料单位产品综合煤耗（标煤）达到82.00kg/t，熟料单位产品综合能耗（标煤）为88.50kg/t。3结语本文为分解炉直投使用替代燃料做了简单介绍，后期还会在使用更多不同种类替代燃料和运行工艺上做更多探索。水泥行业有使用替代燃料和处置废物的优势,不断提高燃料替代率对节能、减排和环保都有着重要的作用,也是我国发展循环经济和实现“双碳”目标的重要举措。（编辑：于欢）（收稿日期：2022-10-09）（3）中控数据。测量期间，通过中控DCS，可以观察C1A和C1B出口的NOx数值，曲线见图4。图4C1出口NOx趋势线C1 出口的 NOx平均值约 30310-6，O2平均值1.29%，则NOx国标值为345 mg/m3，与分解炉出口的实测值较吻合。3.2SNCR精准脱硝效果2021 年 8 月 22 日 18：00 到 23 日 8：00，喂料量800 t/h，控制窑尾烟囱 NOx的平均排放浓度低于500mg/m3，氨水用量1.01.2m3/h，折合每吨熟料为2.02.2kg/t，如图5所示，该指标领先于同行业同技术的生产运行指标。4结语（1）通过优化后的自脱硝技术，标况下烧成系氨水量/（m3 h-1）NOx/（mg m-3）喂料量/（t h-1）图5脱硝系统历史趋势线统产生的 NOx本底低于 350mg/m3，结合SNCR精准脱硝技术，控制窑尾烟囱NOx50mg/m3，实现水泥生产线NOx的超低排放，减少错峰停窑时间，增加营业收入。（2）NOx实现超低排放，但吨熟料氨水用量极低，仅有2.02.2 kg/t，大大节约生产运行成本。（编辑：于欢）（收稿日期：2022-08-09）（上接第44页）资源环保杨精伟：热解炭黑作为替代燃料在水泥生产中的应用-75