摘要：水泥工业在过去几十年里取得了很大的进步。水泥窑使用的传统燃料包括煤、石油、石油焦和天然气。基于能源成本和环境问题，利用废物作为替代燃料代替传统燃料潜力巨大。多年的经验表明，水泥厂利用废物作为替代燃料（替代传统化石燃料）不仅减少了温室气体排放，而且有助于降低水泥生产成本，在环保和经济上都是合理的。
关键词：水泥工业；水泥生产；替代燃料
水泥是住房和基础设施建设的关键建筑材料。世界水泥工业在节约原燃材料和减少 排放方面面临着越来越大的挑战。水泥工业是能源密集型产业，能源成本通常占生产成本的30%-40%。该行业的燃料组合为碳密集型，煅烧过程本身产生 。据估计，水泥工业贡献了全球 排放量的5%（IEA, 1999）。
现代水泥厂排放的 中有60%来自石灰石的煅烧，30%来自窑内燃料的燃烧，10%来自其他下游工厂。提高能源效率、使用水泥混合材以及废物作为替代燃料有助于减少 排放。
1 替代燃料在水泥工业中的应用
1.1 简介
水泥窑使用不同的能源来产生熟料形成所需的高温。水泥工业最常见的能源来源是：煤、石油、石油焦和天然气。替代燃料是世界各地水泥生产商使用的另一种能源。这些燃料通常是来自工业、市政废物和危险废物的混合物。水泥工业中使用的替代燃料可以是固体，也可以是液体。
燃料消耗以及产生 的过程发生在回转窑中。使用替代燃料代替传统的化石燃料可以显著降低该过程中的 排放量。除了产生更少量的 外，使用替代燃料还可以提高水泥窑耐火材料的使用寿命，并减少预热器的压力损失。此外，在水泥厂使用替代燃料还可以减少垃圾填埋场的处理量。
水泥工业替代燃料的利用始于20世纪80年代。这些替代燃料主要是由使用过的轮胎、垃圾、污水污泥以及工业废料中回收的固体燃料等，经过机械或空气分离处理后形成的轻质组分组成。利用替代燃料需要适配燃烧过程。具备温控系统的现代多通道燃烧器可以控制火焰形状，优化燃料的燃烧性能和熟料的燃烧条件。
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1.2 替代燃料的类别
1.2.1 垃圾衍生燃料
垃圾衍生燃料通常是城市生活垃圾经处理后的产品，在许多国家是一种常见的燃料替代品。大多数水泥厂不会直接使用未分选的垃圾。在将生活垃圾输入水泥窑前必须对其进行分类，去除可回收的、不易燃烧的部分。处理后的剩余物料约占原垃圾重量的20%-50%。
垃圾衍生燃料具有较高的热值和较低的含水率。在水泥生产中使用垃圾作为补充（替代）燃料是一种经济可行的选择，可以最大限度地降低燃料成本和垃圾填埋处理量，减少灰渣，同时降低 排放量。
来自城市的生活垃圾根据其来源（灰分、氯、硫和水含量的差异）具有不同的物理和化学性质。不同来源的垃圾之间存在显著的差异，直接投入垃圾衍生燃料，其某些物理和化学性质会给窑内燃烧过程带来困难。使用垃圾衍生燃料的首要问题是氯含量，因为氯会增加钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀风险，削弱混凝土强度。含氯量高（如塑料）的垃圾衍生燃料用量应有限制，优化燃料配比对保证窑内足够的热值和水泥质量至关重要。
1.2.2 轮胎衍生燃料
轮胎是水泥生产过程中使用的传统燃料的最具前景的替代燃料之一。水泥窑内的高温能够确保废旧轮胎得到完全烧解，且轮胎热量含量高（30MJ/kg以上），燃料成分的多样化程度和水分含量低。基于以上原因，使得轮胎成为最具效能的替代燃料之一。
在波特兰水泥生产过程中，利用废旧轮胎作为辅助（替代）燃料的优点是多方面的。当轮胎在水泥窑中燃烧时，轮胎内用于支撑橡胶轮胎的钢丝网可以取代熟料生产过程中所需的部分或全部铁质，且轮胎不含有对水泥质量有害的成分。长期的经验证明，轮胎作为燃料对水泥质量没有影响，成品水泥中亦未发现轮胎和钢的燃烧残余物。
1.2.3 污水污泥
污水处理厂产生的污泥的处理是一个重要的废物管理难题。而水泥厂能够利用具有热能潜力的污泥作为替代燃料的一种来源。干燥的污泥可作为回转窑的一种替代燃料，且使用污水污泥作为燃料对 排放量并无影响（Theulen and Szabo, 2010）。
污水污泥含水量高，在用作替代燃料或原材料之前须经过干燥处理。通常情况下，利用来自水泥窑的余热来干燥污泥。污泥被放置于水泥回转窑内做为燃料燃烧，或者预先气化，所产生的气体被用作水泥窑、加热器或预分解炉的替代燃料。在这两种情况下，污泥中残留的不可燃成分都被用作水泥生产的原料。在使用得当的情况下，污泥作为燃料对环境影响几乎为零。
1.3 替代燃料的适应性
替代燃料来源于具有相似成分和性质的废物。因此，燃烧各种类型的废物需要对处理每种废物的工艺流程进行详细的控制和调整，以达到成分均匀、热值稳定、易运输、流量可调的目标，保证水泥窑内热量供应可控。同时，替代燃料的化学成分及含量必须符合环保标准。
2 利用替代燃料的效益
2.1 环境效益
水泥厂利用废物作为替代燃料能够减少煤炭、石油、天然气等不可再生化石燃料的使用，既节约了化石能源，又利用了废物。否则这些废物就必须在废物处理厂处理，或专门建造焚烧厂焚烧，对环境产生重大的负面影响（增加温室气体的排放量等）。另一方面，化石能源开采的减少亦会对环境产生积极的影响。
2.2 经济和社会效益
水泥厂生产一吨水泥所需热量约为3.3GJ，相当于热值为27.5MJ/kg的煤约120公斤，能源成本约占水泥生产总成本的30%-40%。由此可以看出，利用废物作为替代燃料可以大大降低生产成本，为水泥厂带来经济效益。同时，也将带来一定的社会效益。首先，垃圾焚烧厂的数量将减少，现有垃圾填埋（处理）场地的扩建也将受到限制。其次，水泥厂效益的提高将有利于扩大再生产，有助于提高所在地区的就业水平和税收，促进所在地区经济和社会的全面发展。
3 结论
多年的经验表明：水泥厂利用废物作为替代燃料在环保和经济上都是合理的。使用替代燃料有助于降低水泥生产成本，使水泥厂更具竞争优势。此外，需倾倒或焚烧的垃圾减少也有益于环境。综上所述，水泥工业中利用废物作为替代燃料代替不可再生化石能源于社会、环境、经济是一个安全可靠的解决方案。
参考文献
[1] Theulen and Szabo. 2010. “ beneficial sewage sludge recovery by cement kilns.”2nd European Conference on Sludge Management, ECSM, Budapest, 9-10 September.
[2]水泥窑协同处置生活垃圾对水泥生产的影响[J]. 四川水泥, 2018, 12.
[3]水泥窑协同处置固体废物时VOCs排放浅析[J]. 水泥, 2018, 7.
论文作者:竹瑞杰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/9/19
标签：燃料论文; 水泥论文; 废物论文; 污泥论文; 垃圾论文; 水泥厂论文; 轮胎论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;