1 簡介：
水泥行業是我們現代世界所依賴的關鍵行業之一，生産一種通用的建築材料，使我們的建築和基礎設施成為可能。
它也是一個使用世界一次發電量約2%和全球工業能源消耗總量5%的行業。它還負責約5%的二氧化碳排放量，以及氮氧化物和其他具有重要環境意義的排放的重要來源。
近幾十年來，該行業在解決這種重要商品生産中固有的許多負面因素方面采取了巨大步驟，包括開發更高效的生産方法和裝置，開發減少環境影響的方法，開發不同的産品類型以及在制造中使用替代更可持續的材料。
其中一項關鍵舉措是使用各種具有可用熱值的替代材料和廢料來取代傳統上使用的一些傳統化石燃料。由此對社會帶來的好處包括保護有限的化石能源資源，降低廢物處理成本，減少在水泥制造中處置和使用這些廢物對環境的影響，以及朝着回收和更可持續的世界方向邁出的積極步驟。
本文考慮了使用替代燃料進行水泥制造的影響和影響，特别是将考慮技術，經濟，環境和産品品質方面。
2 技術問題
2.1 替代燃料特性
澳洲水泥工業聯合會将替代燃料定義為：
“一種對燃燒過程具有熱值的材料，來自廢物和其他行業和社群的産品，用于代替煤炭或天然氣等自然資源。
替代燃料的類型，性質和特性變化極大，因為任何能夠燃燒的東西都可以被視為替代燃料。它們本質上可以是固體、液體或氣體，有時介于兩者之間，是以清單非常長。使用的替代燃料及其特性的一些例子包括：
表 1.替代燃料的例子
顯然，替代燃料的特性在很大範圍内變化很大，它們對水泥窯運作的影響也會有所不同。燃料的熱值、顆粒大小、燃燒速率和可變性是考慮燃燒器系統設計時要考慮的關鍵特征。
2.2 燃燒器系統設計
2.2.1窯爐燃燒器設計
FCT在進行燃燒器設計時開發了一種複雜的設計程式，進而在效率，排放和産品品質方面實作了定制的解決方案和優化的窯性能。雖然這适用于所有類型的燃料，但當使用替代燃料時，好處尤其大，因為替代燃料的燃燒特性通常比傳統燃料更具挑戰性。
設計過程包括：
- 研究窯爐和工藝，以确定燃燒器所需的熱量釋放
- 研究所有燃料的燃料特性，以确定燃燒器的實體方面和尺寸
- 現場勘測，以确定冷卻器、窯罩和窯爐的運作條件和幾何布局
- 基于上述的初步燃燒器設計
- 冷卻器、窯罩和窯布局的實體模組化，以确定空氣動力學
- 燃燒器設計過程中燃料/空氣混合和火焰形狀的實體模組化
- 窯内熱通量分布的數學模組化，以确定向窯爐和産品的傳熱，以確定在耐火材料限度内有足夠的熱量進行熟料反應
- 評估燃燒器的冷卻效果，以防止機械損壞
在模組化過程中優化的燃燒器系統參數包括燃燒器插入距離、所需的一次空氣量、一次空氣壓力、渦流與軸向一次空氣的比率、燃料噴射速度、窯内燃燒器角度以及（如果需要）輔助空氣射流的設計。
與水泥制造廠的資本成本相比，窯爐燃燒器的資本成本很小，但它對水泥廠的底線利潤的影響可能是深遠的，因為它會影響
生産水準、燃料成本、排放、産品品質以及營運和維護成本。
這些成本每年加起來可能是燃燒器成本的很多倍，是以盡一切可能優化水泥窯燃燒條件具有良好的經濟意義。雖然水泥窯燃燒的工程研究和模組化有成本，但收益遠遠超過提供有吸引力的回報的成本。
2.2.1.1 模組化作為窯爐設計過程中的一個步驟
FCT的實體和數學模組化方法為應用于燃燒器設計的正常工程增加了額外的次元。特别是，FCT考慮燃燒器及其運作的窯環境，因為窯的空氣動力學将決定燃燒器的火焰特性，就像燃燒器設計本身一樣。是以，為了優化燃燒器設計和窯爐性能，兩者都需要考慮。
以下案例研究有助于解釋模組化在窯爐燃燒器設計中的作用。Akçansa Cement是德國海德堡水泥和土耳其Sabancı集團擁有的土耳其主要水泥制造商，在Büyükçekmece和Çanakkale擁有兩個主要工廠。
由于節省成本，該公司希望最大限度地利用石油焦作為Büyükçekmece工廠的替代燃料，但可以達到的替代率受到限制。窯爐和立管管道中的積聚、高CO含量的燃燒不良以及窯的不穩定等問題限制了Akçansa對石油焦的使用
30%在窯爐燃燒器。即使在這一級别，問題也很普遍。
FCT獲得了為Büyükçekmece的#3生産線設計和供應新燃燒器的合同，這是一個1650噸/天的預熱器窯。FCT工程師參觀了工廠現場，收集了有關工廠運作條件，飼料和燃料特性，工廠圖紙的資訊，并指出了操作困難和工廠目标。
收集到的資訊在FCT的辦公室進行處理，并指出：
硫/堿平衡表明，從化學角度來看，可以用含5%硫的石油焦完全替代煤炭是可能的
- 從熱負荷的角度來看，#2窯沒有熱過載問題，窯設計方面也沒有問題應該阻止使用石油焦燃料進行設計生産。
- 從燃燒器設計的角度來看，即使對于傳統燃料，燃燒器設計也超出了FCT的正常設計參數，這意味着從一開始就運作效率低下。當嘗試燒制石油焦時，這一點對工廠來說變得很明顯。
該過程的下一階段涉及FCT設計複制Akçansa窯的模型，并設計模型操作條件以模拟窯在操作溫度和流量下的運作。該模型被制造出來，并使用現有的燃燒器設計以及初步的新燃燒器設計進行了實體模型運作，直到
優化的燃燒器設計。
安裝優化的燃燒器後，性能的提高顯而易見。
結果導緻Akçansa逐漸向FCT發出訂單，為土耳其所有剩餘的Akçansa窯設計和供應新的燃燒器，并為在Çanakkale建造的新7000噸/天生産線設計和供應完整的燃燒器系統。FCT提供的所有新燃燒器的結果與新的Büyükçekmece窯3燃燒器相當。
2.2.1.2 在燃料混合物中引入替代燃料
如前所述，替代燃料的特性千差萬别。它們可以是固體，液體或氣體，它們可以具有一系列熱值，它們可以具有高或低揮發性含量，它們可以非常細或非常塊狀，所有這些都需要考慮以确定如何最好地利用燃料。替代燃料可以通過窯爐燃燒器引入，通過窯前部的單獨管道引入，它們可以沿着窯的一半或後部引入，也可以添加到煅燒爐中。
液體和氣體替代燃料通常是次要的燃料成分（由于可用性），并通過某種單獨的管道和噴嘴引入，與主要燃料混合。這些燃料基本上是揮發性的，會迅速蒸發并分散到火焰中。這些燃料的考慮因素通常僅限于熱值、清潔程度以及在氣門機構或噴嘴的進行中是否可能出現任何問題。還考慮了這種燃料對火焰溫度和火焰輻射的影響，據報告的一些液體燃料實際上對初級燃料消耗産生負面影響的情況。環境考慮也可能是其使用的一個因素。
固體，如垃圾衍生燃料（RDF），包括再生塑膠，紙張，地毯，木材，橡膠和其他可燃的城市廢物在世界許多地方被廣泛使用。通常，這些替代燃料通過內建到燃燒器中的單獨管道引入。這些燃料的熱值可能很低，而且通常燃燒緩慢，是以更重要的是将它們适當地分散在火焰包絡内，并盡可能快地接觸燃燒空氣。
即使使用替代燃料，大多數燃料/空氣混合也是通過設計在燃燒器中的軸向和渦流一次空氣完成的。然而，在某些情況下，在替代燃料管上增加額外的混合空氣以幫助将RDF型燃料分散到二次氣流中可能是有益的。這确實取決于特定的燃料
屬性，并由燃燒器設計者考慮。
2.2.2煅燒爐燃燒器設計
有時，最好在煅燒爐中燃燒替代燃料，例如，如果替代燃料的淨CV低，使窯爐火焰溫度降低得令人無法接受，或者處理特性阻止通過主燃燒器燃燒。
在煅燒爐中，空氣動力學在确定發生的燃燒方面起着重要作用。氣流模式很少是均勻或對稱的，甚至可以存在逆流。為了獲得良好的煅燒爐燃燒，了解空氣動力學并考慮
在設計和定位煅燒爐燃燒器方面。
模組化是FCT用來定位和設計煅燒爐燃燒器的關鍵設計工具。模組化将建立：
- 燃燒器位置。找到最佳燃料/空氣混合的位置很重要
- 燃燒器勢頭。必須使火焰遠離牆壁，但不能擊中對面
- 熱負荷。必須防止過熱負荷，尤其是在煅燒爐錐體中
- 燃燒器設計。可以像普通管道一樣簡單，也可以像窯爐燃燒器一樣複雜
- 如果現有的煅燒爐設計非常糟糕，模組化可以對煅燒爐進行模組化重新設計
再次使用模組化來改善Akçansa 2号窯的煅燒爐操作，這是一台3，200噸/天的分離線煅燒爐。煅燒爐的燃燒條件非常差，即使使用優質煤炭，出口處的CO含量也很高。當試圖發射石油焦時，問題要嚴重得多。
FCT的模組化表明，燃料空氣混合非常糟糕，氣流不均勻，煅燒爐中的高速空氣射流在有機會與空氣混合之前将未燃燒的燃料帶出。
FCT在模型上試驗了各種不同的燃燒器設計，燃燒器位置和燃燒器編号，但煅燒爐燃燒沒有任何實質性改進。還對各種簡單的耐火材料輪廓變化進行了模組化，但這些變化要麼沒有達到預期的效果，要麼增加了通過煅燒爐的壓降。
最終，FCT對煅燒爐的下半部分進行了重新設計，并由Akçansa實施。
煅燒爐重新設計成功完成了該項目，結果如下：
- 在煅燒爐中實作了均勻的氣流分布，提供了良好的燃燒條件
- 消除煅燒爐逸出的一氧化碳
- 45%的石油焦在煅燒爐中燃燒
- 與舊設計相比，壓降降低 12%。
3 經濟問題
3.1 直接成本和節約
水泥熟料生産是一個能源密集型過程，通常需要3 – 4 MJ/kg熟料。這種燃料成本通常是最大的單一成本，可能占水泥制造總成本的40-50%。
近幾十年來，水泥制造中使用的裝置已經得到改進，以減少能源需求，從目前的水準來看，很難看到未來的改進。
20多年前，主要在歐洲開始使用廢物作為替代燃料，作為降低水泥制造大量燃料成本的戰略。1990年，用于熟料制造的初級燃料中約有3%被替代燃料取代，此後上升到約20%。早期進入替代燃料使用的人享有一個利潤豐厚的新領域，有許多可能性通過處理廢料賺取收入，同時降低熟料生産的燃料成本。一些公司當時報告了中性甚至負燃料成本，對于一些較舊的工廠來說，廢物處理提供了維持營運的收入。
使用替代燃料的直接成本和節省可以很容易地計算出來，并且差異很大
從一個位置到另一個位置，從一個燃料類型到另一個燃料類型，是以這在很大程度上取決于具體情況。
對成本和節省的全面研究将包括：
- 替代燃料的直接成本與現有燃料成本（和未來趨勢）的比較
- 獲得替代燃料使用許可證的直接和間接成本
- 允許使用替代燃料的資本成本
- 使用替代燃料的工廠的維護成本和營運成本
- 替代燃料未來可能的可用性和成本
- 對工廠運作穩定性、可用性和生産率的影響
- 對環境的影響，包括碳排放和其他固體、液體或氣體排放。
- 對産品品質和緩解成本的影響
在大多數情況下，收益将大大超過成本，是以使用更多替代低成本燃料的動力将繼續下去。由于在水泥制造中使用廢料可以降低其他形式的廢物處理的成本和對環境的影響，是以對社群還有進一步的好處。4 環境問題
在窯系統中使用替代燃料将帶來一系列新的環境考慮因素，但這些考慮因素不一定比傳統燃料更好或更差。由于替代燃料的類型和特性如此多樣，随之而來的環境問題也是如此。
本文不能涵蓋所有内容，但總的來說，回轉水泥窯是一個非常好的環境，可以處理許多廢料，同時通過降低燃料成本為水泥制造商帶來好處，在降低處置成本方面為社群帶來好處，不必焚燒或以其他方式處置具有相關排放或其他環境影響的廢料的環境效益， 以及有效利用廢物和節約化石燃料的可持續解決方案。
水泥窯中的溫度，材料在高溫下的停留時間以及水泥窯中的堿性環境使其成為許多材料（包括有害有機物）的理想焚燒爐。
一般來說，與傳統化石燃料相比，替代燃料具有更低的熱值、較高的水分含量和較慢的燃燒速度。當在主燃燒器上使用時，這些将具有抑制峰值火焰溫度和延長火焰的作用。雖然從工藝角度來看這是不可取的，但它可以減少窯爐燃燒器中氮氧化物的産生。
替代燃料似乎對水泥窯中呋喃或二惡英的生産沒有影響。然而，所使用的每種燃料都可能帶來新的潛在問題，特别是一些替代燃料的重金屬含量可能很高，如汞、鉛和镉。由于氯通常與替代燃料相關，這些重金屬可能更傾向于以氯化物或氟化物的形式揮發。通過其他替代燃料引入的硫也會導緻二氧化硫的增加，盡管可能有辦法将其保留在熟料中作為堿性硫酸鹽。
5 産品品質
在水泥窯中使用替代材料和燃料會對熟料的品質産生相當大的影響。假設目标成分和細度正确，通過原材料（進料速率、化學和礦物學）和燃料（熱值、燃料速率和成分）的一緻輸入以及來自位置良好且穩定的火焰的短熱燃燒區，實作最優質的熟料。
替代燃料的使用越來越多，通常不利于這一點，使操作員更難獲得良好的熟料品質，特别是因為缺乏實時資訊來控制這一點。困難來自以下方面：
- 替代燃料的淨熱值通常變化更大，影響燃燒溫度，進而影響遊離石灰，使窯更難控制。
- 某些替代燃料的計量可能很困難，是以燃料速率可能不一緻
- 可能影響礦物學的化學和礦物學效應。在替代燃料中引入某些元素（例如磷）可以不可預測地改變熟料礦物的平衡狀态，使已經可疑的博格方程與計算熟料礦物學無關。
- 替代燃料通常具有較低的熱值和較高的水分，進而降低火焰溫度，輻射傳熱并延長窯内的熱通量分布。
COSMA系統已經在水泥廠使用了幾年，最近安裝在熟料上。下圖是COSMA産生的連續分析趨勢樣本，有助于工廠
操作員在不影響熟料品質的情況下将替代燃料的使用控制到最佳狀态。
在圖31中，有兩種明顯的遊離石灰超過可接受限度的情況。首先，鋁石含量下降，矽酸鹽含量增加，同時表明燃燒不足可能是由于燃料CV下降或燃料速率下降。在第二秒中，增加的遊離石灰對應于增加的石灰和下降
在Belite中，表示化學不正确。在這種情況下，試圖更努力地燃燒将是有害的。
是以，COSMA是熟料制造的理想工具，尤其是在使用替代材料時，可以連續實時監控熟料品質。這允許操作員：
- 立即調整以将遊離石灰控制在最佳水準。随着窯爐中變化的迅速發生，取樣進行實驗室分析可為操作員提供有限的曆史資訊。
- 采取适當的措施，根據遊離石灰高或低的原因調整遊離石灰偏移。
- 調整進料或燃料輸入，以確定主要熟料相保持在目标限值内。這些可能會受到替代材料數量或成分變化的影響。
- 調整窯爐操作以達到所需的C3A及其相水準（立方或斜方）
為了控制任何東西，必須首先及時測量變量。COSMA 的開發是為了提供允許此控制所需的确切資訊。
6 結論
近年來，替代燃料的使用一直是水泥行業最重要的舉措之一。如果執行得當，這對所有人來說都是雙赢的。
為水泥制造商和整個社群節省經濟帶來好處，在處理廢料和減少總排放量方面有環境效益，在保護化石燃料和其他有限資源方面有良好的可持續性步驟。
然而，為了給所有人帶來最大的利益，需要适當調查替代燃料的使用對水泥制造商和社群的影響。在評估每種燃料以及如何在窯中最好地使用它，如何最大限度地利用其以及如何減輕任何環境和産品品質因素時，需要采取可靠的技術方法。
FCT擁有的能力和技術可以直接使尋求使用或增加替代燃料使用的水泥制造商受益。通過FCT的燃燒和模組化專業知識，它可以優化所用替代燃料的好處，并通過FCT的COSMS提供工具來測量和控制通過使用替代燃料引入的一些變量。