0 引言

使用替代燃料替代传统化石燃料，已经成为国内各大水泥集团实现“节能降碳”的重要举措。目前各企业消耗最多的替代燃料是具有较高热值的一般工业固废(废纺、废橡胶、废塑料、废标签等)，这些物料中Cl、S等挥发性有害物质较多，Cl、S等挥发性有害物质进入窑系统极大地增加了系统结皮风险。

旁路放风系统是解决窑结皮堵塞的最有效方式，同时除氯灰产量与进入窑系统总氯正相关，大量替代燃料的使用使水泥窑系统摄入氯离子总量大幅增加，进而增加除氯灰产量。除氯灰属于危险废弃物，它的无害化处理是企业面临的又一难题，通过水洗提取氯化钾可实现除氯灰的资源化，在解决除氯灰处置难题的基础上，可为企业增加额外的效益。

1 替代燃料的使用极大增加窑系统结皮风险

国务院于2021年10月24日发布的《2030年前碳达峰行动方案》明确了“碳达峰十大行动”的重点任务，包含重点实施能源绿色低碳转型行动、节能降碳增效行动。水泥行业作为碳排放大户，碳排放量约占全国碳排放总量的13%，是我国实现“双碳”目标需要重点关注的领域。吨熟料碳排放中“燃烧排放”大约占比30%，因此使用替代燃料替代传统化石燃料，具有投资低、回收期快、替代量大、见效明显的优势。

目前国内各大水泥集团已经将使用替代燃料作为“节能降碳的重要举措。目前国内替代燃料市场还不够成熟，水泥厂采购到厂的不同批次替代燃料热值、水份、氯离子含量波动均很大，而且一般工业固废如废纺、废橡胶、废塑料、废纸中Cl、S等挥发性有害物质较多。

Cl、S等挥发性有害物质进入水泥窑烧成系统，在窑尾和预热器旋风筒内反复发生高温部熔化挥发和低温部凝结的循环浓缩反应，低熔点物质凝结后造成结皮(见图1)。结皮有两个主要原因，是因为替代燃料中的S、Cl等挥发性有害成分较多，使窑尾S、Cl浓度升高。二是因为替代燃料入料粒径大，无法在分解炉中悬浮燃尽，未燃尽的C在烟室将CaSO4还原形成SO2，使窑尾S浓度升高。

2 大量使用替代燃料会增大旁路放风率和除氯灰产量

2.1旁路放风降低窑系统氯离子富集

水泥窑系统因原燃材料氯含量高或者因协同处置废弃物、替代燃料或生活垃圾等，而引起系统运行中氯含量高是一个非常棘手的问题。由于干法水泥窑是一个相对封闭的体系，进入体系内氯离子在熟料烧成系统中具有极高的挥发性和浓缩率，在烧成带高温下几乎全部挥发随着烟气温度在预热器内不断降低，挥发组分会在预热器旋风筒连接管道及下料管处冷凝并附着在热生料表面，被热生料带入分解炉及回转窑内，从而在回转窑及预热器旋风筒之间反复循环富集。

含氯组分在不同部位和温度区域内重复着气-液-固的形态变化，并逐步富集和浓缩。随着氯离子在系统内不断富集，烟室及末级旋风简下料管处热生料中氯离子的浓度相对于熟料中的氯离子浓度可高达50～200倍，并带来极大危害。当新型干法窑系统采用的原燃料中有害挥发组分高出正常控制的范围，引起窑尾预热器系统结皮堵塞而影响正常生产，设置旁路放风系统是最有效可行的方法。根据氯离子挥发组分的循环富集特性，在挥发组分富集浓度较高的窑尾烟室处设置旁路取风探头，将含氯离子富集浓度较高的烟气抽出烟室，利用挥发组分在急剧降温条件下迅速冷凝并附着在一同抽出的热生料颗粒表面的特点将氯离子从烟气中加以分离。从而破坏原有氯离子富集的循环，降低水泥窑系统氯离子的水平，最终实现烧成工艺的稳定和熟料质量的改善。

2.2 大量使用替代燃料会增大旁路放风率和除氯灰产量

旁路放风系统的放风率和进入窑系统的总氯量直接相关，同时除氯灰产量又与放风量成正比。以重庆某水泥厂为例，该厂实际熟料产量5 500t/d，生料带入窑系统氯离子量为313ppm-Clinker，煤粉带入窑系统氯离子量为136ppm-Clinker，实际投加替代燃料3t/h时，窑系统已经结皮严重，影响正常生产。3t/h替代燃料投加量距离该厂远期规划的总热量替代率TSR达到54%即替代燃料消耗量21.8t/h(热值、水份按表1计算)的目标相差甚远。笔者对该厂2023年3月份到厂替代燃料水份、热值、氯含量到厂记录做了分析(表1)，不同热量替代率时放风率和除氯灰量(表2)、计算了不同热量替代率时进入窑系统总氯含量(表3)。

从以上计算可以看出：

(1)当热量总替代率TSR达到15%时，生料、煤粉、替代燃料带入窑系统氯离子量为579ppm-Clinker，需要的最大放风率为6%。窑排气量按0.535(Nm3/kg-Cli)计算最大放风量为7356Nm3/h。同时含氯22.1%的除氯灰产量为9.91t/d。

(2)当热量总替代率TSR达到54%时，生料、煤粉替代燃料带入窑系统氯离子量为914ppm-Clinker，需要的最大放风率为11%。窑排气量按0.535(Nm3/kg-Cli)计算最大放风量为13486Nm3/h。同时含氯22.9%的除氯灰产量为17.75t/d。随着热量总替代率TSR的提升，进入窑系统的总氯、最大旁路放风率、最大放风量、除氯灰产量均同步增加。特别是高含氯除氯灰的安全处理是企业面临的新的难题。

3 除氯灰水洗提钾盐工艺

3.1 除氯灰水洗的必要性

旁路放风系统收集的除氯灰具有氯、钾、钙含量高(表4)，粒度细(图2)、密度轻的特点。在满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)的规定“水泥中氯离子(质量分数)≤0.06%”情况下，可经过精确计量后作为混合材搭配进入水泥磨系，工艺流程如图3所示。

《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(GB30485-2013)规定：从水泥窑循环系统排出的窑灰和旁路放风收集的粉尘如直接掺入水泥熟料，应严格控制其掺加比例;如果窑灰和旁路放风粉尘需要送至厂外进行处置，应按危险废弃物进行管理。但是由表2计算结果可知，当热量总替代率TSR达到一定阶段后，进入窑系统的总氯量是超标的，无法通过企业自身消纳。

按危险废弃物运至厂外处置又会为企业带来额外的财务负担，需要重新寻找解决方案。钾盐是一种重要的资源，在工农业领域有着重要和广泛的应用。全球钾资源主要分布在加拿大、俄罗斯、白俄罗斯等地，占全球探明储量的70%。中国、巴西、美国地区属于钾肥消费大国，占全世界总量的70。

资源的缺乏造成我国钾肥的自给率不足50%，钾盐的价格也一直在高位运行。通过水洗提取氯化钾可实现除氯灰的资源化，在解决除氯灰处置难题的基础上，可为企业增加额外的效益，同时也可助力热量总替代率TSR的提升，进一步推动企业节能降碳。

3.2 除氯灰水洗提钾工艺流程

除氯灰水洗提钾工艺主要包括：旁路灰洗脱模块水洗液净化模块、蒸发结晶模块以及与之配套的相应设备等，工艺流程见图5。除氯灰通过计量单元计量后进入制浆反应器进行可溶性盐的溶解。在制浆反应器中，水计量单元按比例加入水，然后泵送至除氯灰洗脱模块进行三级逆流漂洗，洗去除氯灰中绝大部分的可溶性盐。三级水洗后的除氯灰皮带输送至指定地点，随后送入至水泥窑生料磨中处理。

水洗液在水洗液净化模块中依次进行软化、脱重金属、降悬浮物、中和等物理化学处理，满足后续蒸发结晶进水要求后，进入蒸发结晶模块。蒸发结晶产出的结晶盐作为产品外售，蒸发过程的冷凝水全部回用到除氯灰洗脱模块循环利用，实现水的零排放。

3.3 主要处置模块说明

(1)除氯灰洗脱模块：主要功能是对旁路灰进行可溶性盐溶解、固液分离，在分离过程中通过离心机和各种反应器的相互配合，使三级洗脱后的旁路灰中含氯量控制在1%以内，以供后续进行有效的处理和利用。

(2)水洗液净化模块的主要功能是降低水洗液中的大量悬浮物和钙镁离子，同时降低其浊度，使得处理后的水洗液水质硬度指标控制在200mg/L以下、浊度指标控制在5NTU以下，为后续蒸发结晶模块提供有效的保证。

(3)蒸发结晶模块的主要功能是通过机械压缩蒸发技术、闪蒸结晶和重结晶技术以实现工业盐的结晶分离，实现水的循环利用，蒸发结晶过程中得到的冷凝水全部回用，水洗液中盐的主要成分为氯化钾等，并使结晶盐满足《水泥窑协同处置飞灰预处理产品一水洗氯化物》(T/CCAS 010-2019)标准的要求。每处置1t表3中的高含氯除氯灰可产高品质氯化钾盐0.25t，剩余的除氯灰泥饼可进入水泥窑系统作为替代原料，最终实现100%的资源化，零排放。

4 结束语

(1)使用替代燃料降低碳排放具有投资低、回收周期快、经济效益明显的优势。但是替代燃料中的Cl、S等挥发性有害物质最终进入水泥窑烧成系统，造成结皮严重，系统阻力增大，严重影响窑产质量，阻碍了热量替代率TSR的进一步提升。

(2)旁路放风技术能够高效地去除水泥窑系统富集的氯离子，但是随着热量总替代率TSR的提升，进入窑系统的总氯、最大旁路放风率、最大放风量、除氯灰产量均同步增加。特别是高含氯除氯灰的安全处理是企业面临的新的难题。3)除氯灰水洗提取钾盐技术可实现除氯灰的100%资源化，零排放，具有极大的应用价值。