玉米秸稈在水泥廠中應(yīng)用的可行性分析

近年來，社會(huì)對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，作為主要能源的化石燃料迅速減少，開發(fā)利用可持續(xù)的替代能源勢(shì)在必行。水泥工業(yè)是我國(guó)資源綜合利用的重要產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也是傳統(tǒng)的能源消耗大戶，其碳排放占全國(guó)比重超過10%，2020年，我國(guó)明確提出碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，水泥行業(yè)面臨的碳減排壓力十分嚴(yán)峻，因此使用替代燃料是水泥行業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，其中利用生物質(zhì)燃料代替煤炭是水泥行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。生物質(zhì)燃料具有可再生、清潔環(huán)保、點(diǎn)火容易、CO2近似零排放等優(yōu)點(diǎn)，農(nóng)作物秸稈就是生物質(zhì)燃料的一種，我國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈在10億t左右，加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈的資源化綜合利用，對(duì)促進(jìn)資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)碳減排等方面具有重大意義。吉林省某縣為我國(guó)玉米產(chǎn)量大縣之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該縣每年可收集玉米秸稈量61.52萬t左右，除農(nóng)民自用燃燒、加工飼料外，玉米秸稈剩余量可達(dá)16萬t。該縣某水泥企業(yè)計(jì)劃建設(shè)生物質(zhì)燃料資源綜合利用項(xiàng)目，采用玉米秸稈替代燃煤，不僅可以處置大量農(nóng)作物秸稈，減少農(nóng)民焚燒秸稈造成的環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且可以減少煤炭等化石燃料的使用量，有效減少二氧化碳排放量。另外對(duì)于企業(yè)而言，還可以降低熟料生產(chǎn)成本，增加營(yíng)業(yè)利潤(rùn)。本文在對(duì)農(nóng)作物秸稈燃料特性分析的基礎(chǔ)上，通過研究玉米秸稈的理化特性、設(shè)計(jì)秸稈應(yīng)用的工藝流程和探討使用秸稈對(duì)水泥生產(chǎn)運(yùn)行影響等，對(duì)水泥廠應(yīng)用玉米秸稈作為替代燃料的可行性進(jìn)行了較為系統(tǒng)分析和論證，以為上述資源綜合利用項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行提供支撐。

1、農(nóng)作物秸稈燃料分析1.1含碳量低秸稈燃料中碳元素含量較低，一般在40%~50%，尤其是固定碳的含量，明顯比煤炭少。1.2揮發(fā)分較高秸稈燃料中的揮發(fā)分明顯較高，主要是由于大多數(shù)碳和氫組成了低分子的碳?xì)浠衔?，碳?xì)浠衔锏揭欢囟群鬅岱纸鈺?huì)析出揮發(fā)物，因此秸稈易被引燃，燃燒初期（250~350℃）揮發(fā)物析出量較大，燃燒劇烈。1.3熱值較高秸稈燃料一般熱值在12.54~20.90MJ/kg，易于引燃，燃燒時(shí)可相對(duì)減少供給空氣量。1.4密度小秸稈燃料的密度與煤炭相比明顯較低，大約在0.8~1.3g/cm3左右，質(zhì)地比較疏松，但是更容易燃燒和燃盡，灰燼中殘留的碳量比煤灰少。1.5含硫低秸稈燃料含硫量一般小于0.2%，燃燒時(shí)不必單獨(dú)設(shè)置氣體脫硫裝置，有利于降低生產(chǎn)成本。1.6含氮量低秸稈中蛋白質(zhì)、脂肪、植物堿、葉綠素等含有氮，氮含量一般在1%以下，影響不大。1.7CO2零排放秸稈燃料燃燒所釋放出的CO2與其生長(zhǎng)時(shí)通過光合作用所吸收的CO2相當(dāng)，不考慮運(yùn)輸過程時(shí)，CO2零排放，所以秸稈燃料燃燒被認(rèn)為是“碳中和”的有效方式。

2、玉米秸稈理化特性研究對(duì)吉林省某縣經(jīng)過晾曬的玉米秸稈取樣并在實(shí)驗(yàn)室將樣品破碎至30mm以下。玉米秸稈的工業(yè)分析結(jié)果見表1，玉米秸稈燃燒后灰分化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。表1玉米秸稈工業(yè)分析表2玉米秸稈灰分主要化學(xué)成分分析

%由表1可以看出，玉米秸稈的水分較低，揮發(fā)分高，固定碳較少；燃燒后產(chǎn)生的灰分低；發(fā)熱量近14.06MJ/kg，可用于水泥窯替代燃料。由表2可知，玉米秸稈灰中鈣、硅氧化物含量高，是生產(chǎn)水泥熟料的有益成分；Na、K含量較高，對(duì)水泥熟料生產(chǎn)不利；Cl-含量不高，如秸稈用量不多，對(duì)水泥熟料生產(chǎn)影響小。

3、玉米秸稈在水泥廠中應(yīng)用分析3.1在熟料燒成系統(tǒng)中應(yīng)用位置水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)在煅燒熟料時(shí)要求窯內(nèi)火焰溫度能達(dá)到1?550℃以上，以保證物料能達(dá)到1?450℃的熟料燒成溫度；同時(shí)也要求窯內(nèi)火焰形狀合理，以保證窯內(nèi)溫度分布恰當(dāng)、合理，燃料燃燒速度可控，因此玉米秸稈并不能完全適應(yīng)回轉(zhuǎn)窯煅燒要求。分解爐容積較大，燃料在燃燒室停留時(shí)間較長(zhǎng)，過?？諝庀禂?shù)低，玉米秸稈能基本適應(yīng)在分解爐內(nèi)燃燒。根據(jù)玉米秸稈燃燒特點(diǎn)和新型干法水泥生產(chǎn)工藝煅燒特性可以得出，玉米秸稈從分解爐投入用于替代水泥窯尾煤。3.2在水泥廠中應(yīng)用工藝流程目前，水泥廠使用秸稈燃料一般通過兩種途徑獲得：一種是購(gòu)買成型（顆粒）秸稈燃料，另一種是自己生產(chǎn)成型（顆粒）秸稈燃料。上述水泥企業(yè)擬建設(shè)一條能力為5t/h玉米秸稈顆粒加工制備生產(chǎn)線，通過將玉米秸稈加工成顆粒燃料進(jìn)行使用。建設(shè)內(nèi)容包括玉米秸稈顆粒生產(chǎn)線及輸送、計(jì)量喂料系統(tǒng)，以及相應(yīng)配套的電氣設(shè)施、消防設(shè)施等。玉米秸稈顆粒生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。玉米秸稈經(jīng)汽車運(yùn)輸?shù)綇S內(nèi)加工車間，由一臺(tái)橋式抓機(jī)用于秸稈上料，另設(shè)一臺(tái)輪式抓機(jī)用于秸稈的卸料、堆放及清理等。抓機(jī)抓料后放到皮帶機(jī)上，玉米秸稈經(jīng)皮帶機(jī)輸送到粉碎機(jī)內(nèi)粉碎，經(jīng)沙克龍收集到的秸稈粉料經(jīng)由皮帶機(jī)投入到成型機(jī)中制粒，制好的顆粒經(jīng)皮帶機(jī)、提升機(jī)輸送至窯尾框架緩沖倉(cāng)內(nèi)。在緩沖倉(cāng)倉(cāng)底設(shè)置一臺(tái)全封閉皮帶秤，將秸稈顆粒定量喂料到分解爐中。秸稈顆粒喂料量根據(jù)分解爐燃燒情況可隨時(shí)調(diào)節(jié)。圖1玉米秸稈顆粒生產(chǎn)工藝流程框圖3.3對(duì)熟料質(zhì)量的影響玉米秸稈顆粒熱值、灰分及生產(chǎn)能力見表3。表3玉米秸稈顆粒熱值、灰分、生產(chǎn)能力理論上，單位質(zhì)量熟料燒成來自玉米秸稈的熱量按下式計(jì)算（熟料產(chǎn)量230t/h）：經(jīng)計(jì)算得知，熟料燒成來自玉米秸稈的熱量為244.5kJ/kg，根據(jù)原煤熱值22?099kJ/kg，熟料單位熱耗3?097.4kJ/kg和煤灰分20.36%等，則知：玉米秸稈替代燃煤即熟料線熱量替代率為：244.5/3?097.4×100%=7.89%玉米秸稈代替分解爐燃煤即窯尾熱量替代率為：244.5/（3?097.4×0.6）×100%=13.16%燃料秸稈灰摻入比例為：4×4.44%/230×100%=0.077%煤灰摻入比例為：（3?097.4×230-14.06×4）/22?099×20.36%/230×100%=2.53%配料計(jì)算見表4，計(jì)算的熟料配比與配料要求的對(duì)比見表5。由以上計(jì)算分析可以看出，吉林某水泥企業(yè)使用玉米秸稈代替分解爐部分原煤，理論上窯尾熱量替代比例能夠達(dá)到13.16%，其灰分摻加到熟料中，不會(huì)影響水泥熟料的煅燒質(zhì)量。表4配料計(jì)算表5熟料配比與配料要求

%

4、社會(huì)影響分析4.1生態(tài)環(huán)境效益采用玉米秸稈代替部分原煤，合理利用生物質(zhì)燃料（玉米秸稈）資源，變廢為寶，不僅減少農(nóng)作物秸稈廢棄到田間產(chǎn)生的環(huán)境污染，而且節(jié)約煤炭資源，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型發(fā)展。在不影響熟料煅燒質(zhì)量的情況下，上述資源綜合利用項(xiàng)目年消耗玉米秸稈27?044.8t，代替原煤14?087.91t，能分別減少CO2產(chǎn)生量26?768t、SO2產(chǎn)生量131t、NOx產(chǎn)生量77t，具有良好的環(huán)境效益。4.2經(jīng)濟(jì)效益近年來，隨著燃煤價(jià)格的攀高，水泥企業(yè)生產(chǎn)成本不斷提高。采用玉米秸稈代替部分燃煤，因玉米秸稈價(jià)格低廉，能在一定程度上減少原煤使用，降低熟料生產(chǎn)成本，增加企業(yè)利潤(rùn)，有效提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也會(huì)為當(dāng)?shù)氐呢?cái)政收入貢獻(xiàn)一分力量。另外周邊農(nóng)民可將原來?xiàng)壷梅贌挠衩捉斩挸鍪劢o上述水泥企業(yè)，在減少秸稈焚燒造成嚴(yán)重環(huán)境污染的同時(shí)，可使當(dāng)?shù)剞r(nóng)民每畝耕地增加收入150~200元，給農(nóng)民帶來經(jīng)濟(jì)效益。4.3增加就業(yè)崗位項(xiàng)目新增勞動(dòng)定員12人，可為社會(huì)提供相應(yīng)的就業(yè)崗位，緩解政府壓力，有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)的穩(wěn)定。

5、結(jié)論采用玉米秸稈替代分解爐