水泥行业是国家节能降碳的重点领域，2021年12月国务院发布《“十四五”节能减排综合工作方案》,要求通过实施节能降碳行动，到2025年水泥等重点行业产能和数据中心达到能效标杆水平的比例超过30%；2022年11月工信部、国家发改委、生态环境部、住房和城乡建设部联合发布了《建材行业碳达峰实施方案》,提出行业要加大对替代燃料的利用，支持生物质燃料等可燃废弃物替代燃煤；2024年5月国家发展改革委等五部委发布《水泥行业节能降碳专项行动计划》,要求通过实施低碳燃料替代，到2025年底使用替代燃料技术生产线比例达到30%,水泥行业替代燃料消费比例力争达到10%。水泥窑协同处置技术是现阶段替代燃料应用的重要途径，利用水泥窑处置城市生活垃圾和替代燃料，具有处理温度高、焚烧空间大、焚烧停留时间长、处理规模大、无二次废渣排放的优势，但在国家“双碳”背景下，各个行业都在争抢优质替代燃料资源，而水泥行业无成本上的竞争优势，现阶段获得的以城市垃圾分类处理制备的RDF替代燃料，水分、粒径、热值等指标参差不齐；经过水泥窑协同处置技术路线加工的可燃废弃物也尚未达到RDF替代燃料的标准。因此，开发适用于中低热值的新型高效的热工装置用于水泥窑协同处置各类固体废物，减少对水泥窑生产负面影响、扩展固废种类和提高低碳燃料使用比例，具重要意义。现有水泥窑协同处置热工装置主要有阶梯炉、CKK气化炉、热盘炉和炉排炉等，在应用中因其工作原理和技术特点不同(见表1)。1)阶梯炉焚烧处置技术，物料在炉内焚烧的停留时间依赖于固废品质和压缩空气吹扫频次，固废物料在阶梯炉表面与三次风有限接触进行着火燃烧，随着燃烧进行会出现离析现象，物料燃烧和流速不易控制，对水泥窑系统操作控制影响较大。2)热盘炉焚烧处置技术，热盘炉植入对分解炉的有效容积及流场有不利影响，同时固废在热盘炉内堆积在炉盘表面燃烧，物料燃尽率偏低，当垃圾热值、水分较大波动时，热盘炉的工况不易控制，对烧成系统工况、煤耗和电耗影响较大。3)CKK气化炉焚烧处置技术，热解烟气量大且温度偏低，同时灰渣冷却后外排，热利用效率偏低，处置垃圾量受限，对窑系统熟料产能影响较大，不适用于处置量大的项目。4)机械炉排炉焚烧处置技术，采用冷空气作为助燃风，约三分之一的灰渣从550℃左右通过冷却外排损失部分热能，先天性导致热利用效率偏低，进入分解炉的烟气量大，对水泥窑系统影响较大。华润建材科技为推进“3C”节能降碳体系，根据现有水泥窑协同处置热工装置的不足，自主研发出旋迴炉热工装置及技术，以适应中低热值固废的处置，并提高热利用效率和减少对水泥生产的影响。2023年11月旋迴炉技术在华润水泥HP公司水泥窑协同处置项目(以下简称HP项目)工程化应用，提高了水泥窑处置生活垃圾和替代燃料运营水平，本文通过旋迴炉技术及其应用案例介绍，总结分析旋迴炉在水泥窑协同处置生活垃圾和替代燃料的应用情况，为水泥企业提高低碳替代燃料的使用水平提供借鉴。旋迴炉系统由旋迴炉、喂料室、双轴螺旋输送机、生料喂料系统等设备组成(图1)。其中旋迴炉为核心设备，由倾斜安装的筒体、传动装置、支承装置、液压挡轮装置、头尾部密封装置等组成7,主要设备参数见表2。旋迴炉是一种新型的倾斜回转式燃烧反应炉，适用于生活垃圾类重质、难燃中低热值固废的高效处置。旋迴炉植入在水泥烧成系统三次风管与分解炉之间，采用 900℃以上的高温三次风作为助燃空气，预处理后的生活垃圾或替代燃料，经过计量、输送和锁风设备，与三次风共同进入旋迴炉的喂料室，轻质物料悬浮于热气流中燃烧；重质物料落入旋迴炉内，随旋迴炉筒体的旋转， 翻滚螺旋式向分解炉缓慢移动，移动过程在高温三次风 作用下，快速烘干、着火和燃烧。燃烧后的灰渣落入水泥线的分解炉内，与热生料混合后继续分解，再经C₅旋风筒分离后进入水泥窑内，煅烧成水泥熟料；燃烧形成的烟气进入分解炉内完全燃烧，经水泥窑废气处理系统处理后，实现达标排放(工艺流程如图2)。旋迴炉为固废焚烧提供了够足的空间和时间，通过调节旋迴炉旋转速，可以控制物料在炉内10～60min的停留时间，以确保固废的燃尽率；旋迴炉系统设置了生料喂料控温系统，利用生料碳酸盐分解反应吸热控制炉内温度，防止温度过高出现烧结和耐火材料损坏，以确保旋迴炉系统安全稳定运行；通过调节进入旋迴炉三次风量，控制炉内燃烧过剩空气系数，以实现不同类型物料的燃烧温度和燃烧速率，从而达到节能和减排的效果。旋迴炉系统植入在三次风管与分解炉之间(旋迴炉系统植入现场如图3),植入改造仅需将旋迴炉与分解炉第一钵柱体、三次风管进行对接，同步调整分解炉喂煤点，旋迴炉植入及配套改造内容见表3。旋迴炉系统植入对水泥线分解炉的结构改动小，改造后三次风分成两路，一路直接进分解炉，一路通过旋迴炉后再进入分解炉；旋迴炉系统安装在独立的框架平台上，植入对接可以在完成设备的安装及单机试车后，再利用停窑对接水泥线烧成系统，这样可以大幅降低停窑对接时间，减少对水泥工厂市场供应的影响。旋迴炉筒体两端设计了高效的密封装置，以减少系统漏风对水泥线工况及热效率的影响；基于水泥窑烧成系统处置500t/d生活垃圾废气量增加约10%,系统阻力增大，为减少对烧成系统的影响，在协同处置项目实施过程中，配套开展了预热器系统降阻、分解炉扩容改造8,并设置了一套旁路放风除氯系统。HP水泥窑协同处置项目采用“机械生物法预处理+旋迴炉焚烧”技术路线，依托日产5000t/d熟料生产线，设计处置500t/d原生态生活垃圾，于2023年11月投料运行，经过生产调试，水泥窑成系统运行稳定，顺利通过性能考核，垃圾处置量与节煤效果优于项目预期目标。因HP项目当地生活垃圾水分高，脱水机调试后脱水效果仍然欠佳，因此入旋迴炉生活垃圾水分偏高；采购的RDF燃料替代燃料水分较低，热值较高，进厂后存储于生活垃圾预处理储坑，经垃圾喂料输送通道进入旋迴炉处置。垃圾和RDF检测检测数见表4。旋迴炉焚烧系统的工艺操作控制较简单，主要根据旋迴炉进口、出口温度及筒体表面温度变化，结合喂料室看火电视监控，综合判断炉内焚烧温度，调整入炉生料量，控制炉内焚烧温度。处置含水分高、热值低的生活垃圾时，一般不需要往旋迴炉喂入生料，采取增加入炉三次风量的方式，加快垃圾的烘干和燃烧；处置中高热值的RDF替代燃料时，一般采取适当减少入炉三次风量、往入炉内喂入5～10t/h生料的方式，控制炉内燃烧温度，避免炉内高温烧结风险；在调整旋迴炉喂料和通风的过程中，需保持水泥窑合适的通风量，烟室氧含量控制在2.0%～3.0%,以稳定窑内正常的煅烧制度。旋迴炉植入后烧成系统主要控制参数见表5。旋迴炉系统植入后，处置垃圾、替代燃料均对烧成系统运行影响较小，熟料强度的影响在可接受范围内。旋迴炉处置生活垃圾和RDF替代燃料对比试验数据(见表6)表明，旋迴炉技术应用具有良好的节能降碳效果：处置垃圾500t/d以上时，标煤耗降低18.3kgce/t.sh,燃料替代率为17.9%;处置RDF替代燃料400t/d以上时，标煤耗降低32.4kgce/t.sh,燃料替代率31.3%;处置期间工序电耗的增加和余热发电量增加，两者可以基本抵消；因RDF替代燃料相比生活垃圾水分低、热值高，处置RDF替代燃料相比处置生活垃圾，对烧成系统的影响小，回转窑产量较高；根据处置生活垃圾和RDF替代燃料期间标煤耗下降量，初步测算碳减排量分别为50kgCO₂/t.sh和89kgCO₂/t.sh。旋迴炉技术应用于HP水泥窑协同处置项目，节煤效果显著,处置垃圾500t/d以上，燃料替代率为17.9%;处置RDF替代燃料400t/d以上，燃料替代率达31.3%;表明旋迴炉技术应用于水泥窑协同处置具有以下特点：(1)对物料的适应性强，可处置不同类型的固废和替代燃料。有助于工厂简化对物料的预处要求、扩展固废和替代燃料资源采购渠道。(2)固废燃烧效率高。旋迴炉技术采用高温三次风助燃，物料随筒体旋转翻滚螺旋式缓慢移动，实现了固废的快速烘干、着火和高效燃烧；同时，旋迴炉为固废焚烧提供了够足的空间和时间，物料在炉内停留10～60min可调，保证了固废的完全燃烧。(3)对水泥生产影响小。旋迴炉系统植入对水泥烧成系统工艺结构影响小，工艺操作控制较简单，通过生料喂料控温系统和入旋迴炉三次风量调节，可以实现不同类型固废的稳定燃烧，减少了对水泥生产影响。(4)固废热利用效率高。旋迴炉技术通过工艺设计，强化燃烧和传热过程，提高了燃烧热利用效率，有助于燃料替代比例的提高，降低水泥生产的碳排放量。综上所述，旋迴炉技术的应用于水泥窑协同处置，具有突出的节煤降碳能力，有助于水泥工厂扩展工业固废和替代燃料种类，提高低碳燃料应用的节能降碳水平。
——作者：蒋文伟¹,陶从喜¹,沈序辉¹,王浩¹,何明海¹,王明¹,梁乾¹,周远翔²,莫少喜²,谢植辉²
——单位：1.华润水泥技术研发(广西)有限公司;2.华润水泥(合浦)有限公司
——来源：《中国水泥》2024年10期
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