玉米秸稈在水泥廠中應用的可行性分析

近年來，社會對能源的需求日益增長，作為主要能源的化石燃料迅速減少，開發利用可持續的替代能源勢在必行。水泥工業是我國資源綜合利用的重要產業之一，同時也是傳統的能源消耗大戶，其碳排放占全國比重超過10%，2020年，我國明確提出碳達峰和碳中和的戰略目標，水泥行業面臨的碳減排壓力十分嚴峻，因此使用替代燃料是水泥行業發展的重要戰略方向，其中利用生物質燃料代替煤炭是水泥行業的發展趨勢之一。生物質燃料具有可再生、清潔環保、點火容易、CO2近似零排放等優點，農作物秸稈就是生物質燃料的一種，我國每年產生的農作物秸稈在10億t左右，加快推進農作物秸稈的資源化綜合利用，對促進資源節約、環境保護，實現碳減排等方面具有重大意義。吉林省某縣為我國玉米產量大縣之一，據統計，該縣每年可收集玉米秸稈量61.52萬t左右，除農民自用燃燒、加工飼料外，玉米秸稈剩余量可達16萬t。該縣某水泥企業計劃建設生物質燃料資源綜合利用項目，采用玉米秸稈替代燃煤，不僅可以處置大量農作物秸稈，減少農民焚燒秸稈造成的環境污染，保護生態環境，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。另外對于企業而言，還可以降低熟料生產成本，增加營業利潤。本文在對農作物秸稈燃料特性分析的基礎上，通過研究玉米秸稈的理化特性、設計秸稈應用的工藝流程和探討使用秸稈對水泥生產運行影響等，對水泥廠應用玉米秸稈作為替代燃料的可行性進行了較為系統分析和論證，以為上述資源綜合利用項目的建設和運行提供支撐。

1、農作物秸稈燃料分析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揮發分較高秸稈燃料中的揮發分明顯較高，主要是由于大多數碳和氫組成了低分子的碳氫化合物，碳氫化合物到一定溫度后熱分解會析出揮發物，因此秸稈易被引燃，燃燒初期（250~350℃）揮發物析出量較大，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，燃燒時可相對減少供給空氣量。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%，燃燒時不必單獨設置氣體脫硫裝置，有利于降低生產成本。1.6含氮量低秸稈中蛋白質、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與其生長時通過光合作用所吸收的CO2相當，不考慮運輸過程時，CO2零排放，所以秸稈燃料燃燒被認為是“碳中和”的有效方式。

2、玉米秸稈理化特性研究對吉林省某縣經過晾曬的玉米秸稈取樣并在實驗室將樣品破碎至30mm以下。玉米秸稈的工業分析結果見表1，玉米秸稈燃燒后灰分化學成分數據見表2。表1玉米秸稈工業分析表2玉米秸稈灰分主要化學成分分析

%由表1可以看出，玉米秸稈的水分較低，揮發分高，固定碳較少；燃燒后產生的灰分低；發熱量近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，是生產水泥熟料的有益成分；Na、K含量較高，對水泥熟料生產不利；Cl-含量不高，如秸稈用量不多，對水泥熟料生產影響小。

3、玉米秸稈在水泥廠中應用分析3.1在熟料燒成系統中應用位置水泥回轉窯系統在煅燒熟料時要求窯內火焰溫度能達到1?550℃以上，以保證物料能達到1?450℃的熟料燒成溫度；同時也要求窯內火焰形狀合理，以保證窯內溫度分布恰當、合理，燃料燃燒速度可控，因此玉米秸稈并不能完全適應回轉窯煅燒要求。分解爐容積較大，燃料在燃燒室停留時間較長，過?？諝庀禂档?，玉米秸稈能基本適應在分解爐內燃燒。根據玉米秸稈燃燒特點和新型干法水泥生產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：一種是購買成型（顆粒）秸稈燃料，另一種是自己生產成型（顆粒）秸稈燃料。上述水泥企業擬建設一條能力為5t/h玉米秸稈顆粒加工制備生產線，通過將玉米秸稈加工成顆粒燃料進行使用。建設內容包括玉米秸稈顆粒生產線及輸送、計量喂料系統，以及相應配套的電氣設施、消防設施等。玉米秸稈顆粒生產工藝流程圖如圖1所示。玉米秸稈經汽車運輸到廠內加工車間，由一臺橋式抓機用于秸稈上料，另設一臺輪式抓機用于秸稈的卸料、堆放及清理等。抓機抓料后放到皮帶機上，玉米秸稈經皮帶機輸送到粉碎機內粉碎，經沙克龍收集到的秸稈粉料經由皮帶機投入到成型機中制粒，制好的顆粒經皮帶機、提升機輸送至窯尾框架緩沖倉內。在緩沖倉倉底設置一臺全封閉皮帶秤，將秸稈顆粒定量喂料到分解爐中。秸稈顆粒喂料量根據分解爐燃燒情況可隨時調節。圖1玉米秸稈顆粒生產工藝流程框圖3.3對熟料質量的影響玉米秸稈顆粒熱值、灰分及生產能力見表3。表3玉米秸稈顆粒熱值、灰分、生產能力理論上，單位質量熟料燒成來自玉米秸稈的熱量按下式計算（熟料產量230t/h）：經計算得知，熟料燒成來自玉米秸稈的熱量為244.5kJ/kg，根據原煤熱值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%配料計算見表4，計算的熟料配比與配料要求的對比見表5。由以上計算分析可以看出，吉林某水泥企業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到13.16%，其灰分摻加到熟料中，不會影響水泥熟料的煅燒質量。表4配料計算表5熟料配比與配料要求

%

4、社會影響分析4.1生態環境效益采用玉米秸稈代替部分原煤，合理利用生物質燃料（玉米秸稈）資源，變廢為寶，不僅減少農作物秸稈廢棄到田間產生的環境污染，而且節約煤炭資源，實現資源節約型發展。在不影響熟料煅燒質量的情況下，上述資源綜合利用項目年消耗玉米秸稈27?044.8t，代替原煤14?087.91t，能分別減少CO2產生量26?768t、SO2產生量131t、NOx產生量77t，具有良好的環境效益。4.2經濟效益近年來，隨著燃煤價格的攀高，水泥企業生產成本不斷提高。采用玉米秸稈代替部分燃煤，因玉米秸稈價格低廉，能在一定程度上減少原煤使用，降低熟料生產成本，增加企業利潤，有效提高企業競爭力，同時也會為當地的財政收入貢獻一分力量。另外周邊農民可將原來棄置焚燒的玉米秸稈出售給上述水泥企業，在減少秸稈焚燒造成嚴重環境污染的同時，可使當地農民每畝耕地增加收入150~200元，給農民帶來經濟效益。4.3增加就業崗位項目新增勞動定員12人，可為社會提供相應的就業崗位，緩解政府壓力，有利于促進當地社會的穩定。

5、結論采用玉米秸稈替代分解爐