水泥工業是高耗能、高碳排放行業，生物質替代燃料應用于水泥行業有助于降低化石能源消耗和碳排放。本文系統梳理并分析了生物質替代燃料在水泥行業的應用進展及存在的相關問題，并給出了解決思路，包括開展更為貼近工程應用的研究，以工程用生物質燃料為對象，開展規模較大的中試研究和CFD模擬；完善相關標準規范，建立完整的上下游產業鏈；促進與水泥窯系統的融合，提高生物質燃料的熱量替代率和利用效率，降低對水泥窯系統的影響。
生物質替代燃料在水泥行業的應用進展
王俊杰1，楊華偉1,2，湛月平1,3，柴 禎1，蔡 軍1,3,4，朱治平1,3,4
1.中國科學院工程熱物理研究所煤炭高效低碳利用全國重點實驗室
2.煤靈活燃燒與熱轉化山西省重點實驗室
3.山西省煤炭清潔高效燃燒與氣化工程研究中心
4.中國科學院大學
1）從水泥生產角度，闡述生物質燃料的特點。擺脫單純介紹生物質的束縛，緊密結合水泥生產工藝，從生物質特點出發，分析其應用對于水泥單位熟料煙氣量、生產熱耗、熟料質量、生產穩定性等影響。
2）豐富翔實的數據。分析了全球水泥行業生物質替代燃料的應用比例及種類，匯總了國外五大跨國水泥集團生物質替代燃料的應用數據，并對國內應用生物質替代燃料的部分水泥企業進行匯總，對其使用情況進行分析。
3）從實際生產角度，提出生物質替代燃料發展建議。圍繞生物質替代燃料的諸多研究，通常會對生物質燃料進行研磨、烘干、篩分等處理，再進行相關實驗和分析，所得結果與實際應用的生物質燃料相差甚遠。以此為例，本文從實際角度出發，提出了生物質替代燃料的發展建議。
研究背景
水泥工業是重要的基礎原材料行業，同時也是高耗能、高碳排放行業。2020年我國水泥工業二氧化碳排放約占全國碳排放總量的12.4%。我國生物質資源豐富，生物質替代燃料應用于水泥行業有助于降低化石能源消耗和碳排放，是實現我國水泥工業碳中和的主要途徑之一。
研究內容
從水泥生產角度闡述生物質燃料特點，包括其對煙氣量、熟料質量、生產穩定性等影響；對比國內外水泥行業生物質燃料標準規范、熱量替代率；概述生物質燃料預處理技術，包括機械預處理和高溫預處理，對比不同高溫預處理裝備特點；針對生物質燃料應用面臨的問題，如相關理論研究對于生產的指導意義不足、生物質燃料喂入熱量存在較大波動、生物質燃料帶入窯系統大量水分、與現有水泥熱工系統不適應、對熟料質量有一定影響等，提出針對性解決方案。
研究結論
針對生物質替代燃料在水泥行業的應用進展及存在的相關問題，提出如下建議：
1）開展更為貼近工程應用的研究。以工程用生物質燃料為對象，開展規模較大的中試研究和CFD模擬，揭示生物質燃料的燃燒特性，優化其加入水泥窯爐的相對位置、形狀尺寸等參數。
2）完善相關標準規范，建立完整的上下游產業鏈。圍繞生物質等替代燃料的收集、制作、儲運及在水泥行業的應用等環節，完善相關標準規范，促進生物質等替代燃料的商品化。
3）促進與水泥窯系統的融合。針對生物質燃料特點，圍繞輸送計量、余熱烘干、穩定喂料、燃燒優化、智能控制等環節，開展應用優化研究，提高生物質燃料的熱量替代率和利用效率，降低對水泥窯系統的影響。
表1 典型生物質燃料的工業和元素分析結果
引用格式：
王俊杰,楊華偉,湛月平,等.生物質替代燃料在水泥行業的應用進展[J].潔凈煤技術,2023,29(10):54-65.
WANG Junjie,YANG Huawei,ZHAN Yueping,et al.Application progress on biomass alternative fuel in cement industry[J].Clean Coal Technology,2023,29(10):54-65.
通訊作者
蔡軍，男，1977年生，工學博士，研究員，博士生導師，中國科學院大學崗位教授，中國科學院青年創新促進會優秀會員，中國工程熱物理學會傳熱傳質分會青年委員會首屆委員，《潔凈煤技術》期刊青年編委。2007年博士畢業于北京科技大學熱能工程專業，同年加入中國科學院工程熱物理研究所，目前主要從事固體燃料燃燒/熱轉化（熱解、氣化）過程強化以及工業窯爐節能減排等方面的基礎研究與技術開發工作?；诟咚賹_射流強化熱質傳遞過程的思想，從煤粉活化改性角度提出了強化水泥分解爐內NOx還原的新方法，發明了多角度協同強化脫硝技術工藝，并獲得工程示范應用，實現水泥窯爐氮氧化物超低排放。作為負責人承擔了國家重點研發計劃課題、中科院A類戰略性先導專項課題、國家自然科學基金面上與青年項目、中科院人才基金以及企業橫向委托等多個項目。獲得研究所青年突出貢獻獎以及北京市科協優秀科技論文獎。發表論文100余篇，論文他引近1300次；出版學術著作2部（第一著者）；申請專利55項，其中授權專利32項，登記軟件著作權6項。
作者簡介
王俊杰，男，1989年生，工學碩士，本科畢業于武漢理工大學，研究生畢業于中國建筑材料科學研究總院。2014年至2019年，中國建筑材料科學研究總院水泥科學與新型建筑材料研究院從事水泥窯爐節能減排技術研發，作為核心成員先后參與水泥窯爐富氧燃燒、熟料分段燒成、污染物過程減排等國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃項目，在國內外期刊、會議上發表論文20余篇，申請/獲得發明專利10余項。2019年至2022年，任FLSmidth中國區工藝經理，為水泥燒成系統節能改造、水泥窯利用替代燃料等提供技術支持及現場調試。在水泥熟料煅燒、窯爐節能降耗、替代燃料利用、污染物減排等方面具有扎實的理論知識和豐富的實踐經驗。目前研發方向為水泥窯爐低碳技術。
中國科學院工程熱物理所研究所循環流化床實驗室（以下簡稱實驗室）成立于1981年，面向能源環境領域的重大需求，在固體燃料的高效低碳清潔利用、綜合節能減排方面，開展應用基礎研究和高技術開發工作。四十余年來，實驗室始終致力于通過提出原創技術理論、突破核心關鍵技術、完成技術集成和工程示范，為技術產業化應用提供強有力的支撐，始終堅持“以原創技術守護祖國綠水青山”的初心和使命。
