水泥網(wǎng)獨(dú)家：海螺水泥綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用

在綠色低碳的浪潮中，海螺水泥以其卓越的節(jié)能降碳成果，引領(lǐng)著行業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。作為行業(yè)的先行者，海螺水泥在技術(shù)創(chuàng)新、節(jié)能減排、資源循環(huán)利用等方面取得了顯著成就。

10月24日，“2024中國(guó)水泥雙碳大會(huì)暨第十二屆節(jié)能環(huán)保技術(shù)交流大會(huì)”在安徽蕪湖盛大召開。海螺水泥運(yùn)營(yíng)部副部長(zhǎng)軒紅鐘分享了《海螺水泥綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)與應(yīng)用》。軒紅鐘表示，結(jié)合水泥行業(yè)市場(chǎng)情況及海螺水泥高質(zhì)量低碳發(fā)展需求，海螺將加大在節(jié)能降碳、綠色環(huán)保、清潔能源及低碳水泥等技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，未來(lái)海螺科技創(chuàng)新主要研究方向如下：1、水泥行業(yè)原燃料替代研發(fā)工程；2、水泥熟料質(zhì)量提升研發(fā)工程；3、節(jié)能降碳技術(shù)裝備研發(fā)工程；4、清潔綠色能源研發(fā)制造工程；5、未來(lái)碳科技產(chǎn)業(yè)探索工程。

一、水泥行業(yè)碳排放及海螺技術(shù)性碳減排概況

生態(tài)環(huán)境部于2024年9月9日對(duì)《全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)覆蓋水泥、鋼鐵、電解鋁行業(yè)工作方案》（征求意見稿）公開征求意見，文中提出“水泥等行業(yè)2025年底前完成首次履約工作”，推動(dòng)了水泥行業(yè)納入全國(guó)碳交易市場(chǎng)的進(jìn)程。

水泥熟料生產(chǎn)過程中，過程（即碳酸鹽分級(jí)）二氧化碳排放約58-62%，燃料燃燒二氧化碳排放約33-38%，電力使用間接排放二氧化碳約2-5%。

圍繞“雙碳、雙控”等戰(zhàn)略要求，海螺水泥在“源頭減碳、過程降碳及末端固碳”多維度加大綠色低碳等技術(shù)性碳減排的發(fā)和應(yīng)用，助力水泥行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。主要降碳減排技術(shù)有：

源頭減碳：通過原燃材料替代、生活污泥資源化利用、清潔能源使用等技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)源頭降碳。

過程降碳：通過提高能源利用效率、富氧燃燒、構(gòu)建“零外購(gòu)電”平臺(tái)超低排放技術(shù)升級(jí)及系統(tǒng)數(shù)字化、智能化改造等綜合能效技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程降碳。

末端固碳：通過制備可燃?xì)?、礦化建筑材料、CO₂儲(chǔ)能等二氧化碳捕集和轉(zhuǎn)化利用等技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用助力水泥生產(chǎn)碳”近零”排放。

二、綜合能效提升技改及工程化應(yīng)用

1.技術(shù)開發(fā)目標(biāo)及預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)的開發(fā)

為提高能源利用效率，強(qiáng)化窯爐運(yùn)行質(zhì)量，圍繞“噸熟料標(biāo)煤耗低于94kg，噸熟料綜合電耗低于45kWh”的目標(biāo)，開展預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)性能提升、高效粉磨、高效冷卻等一系列技術(shù)研發(fā)及工程化應(yīng)用。

2.綜合能效提升改造運(yùn)行情況

41%水泥熟料線（63條）實(shí)施綜合能效提升改造。

改造后，噸熟料標(biāo)煤耗、綜合電耗基本達(dá)到GB16780-2021標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1級(jí)指標(biāo)。

三、替代燃料技術(shù)開發(fā)及在水泥窯上應(yīng)用

1.水泥窯替代燃料技術(shù)開發(fā)要點(diǎn)

考慮到替代燃料燃燒需要充足的氧氣，同時(shí)避免替代燃料落入煙室造成窯工況波動(dòng)影響生產(chǎn)，替代燃料喂料點(diǎn)設(shè)計(jì)位置：

方案①：三次風(fēng)管頂部：靠近分解爐接口處；

方案②：三次風(fēng)管正上方分解爐柱體上：距離三次風(fēng)管頂部1-1.5m左右；

方案③：分解爐柱體上：下料口底邊與三次風(fēng)管中心線平齊處，靠近三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口且位于其切向上軌跡上。

通過CFD數(shù)值模擬分析，多組分廢棄物預(yù)燒裝置能促進(jìn)不同替代燃料共燃，預(yù)燒裝置、分解爐內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定，不會(huì)引起分解爐流場(chǎng)紊亂或局部高溫；燃燒較為充分。

2.替代燃料在水泥窯爐上應(yīng)用情況

輕質(zhì)替代燃料應(yīng)用方面成功案例：ZYHL農(nóng)林生物質(zhì)替代水泥窯燃料應(yīng)用項(xiàng)目

項(xiàng)目主要利用秸稈和稻殼作為水泥窯爐的替代燃料；

替代燃料系統(tǒng)使用稻殼時(shí)，投加分解爐的稻殼量為20-25t/h；

替代燃料系統(tǒng)使用秸稈時(shí)，投加分解爐的秸稈量為12-15-25t/h。

混合替代燃料應(yīng)用方面成功案例：TLHL替代水泥窯燃料應(yīng)用項(xiàng)目

項(xiàng)目替代燃料主要是：生活垃圾、廢紡等替代燃料；

替代燃料處置量20.1t/h(其中生活垃圾8.9t/h)。

目前，海螺水泥已在50余家子公司生產(chǎn)線推廣應(yīng)用了替代燃料技術(shù)；涉及替代燃料種類有RDF、帶熱值工業(yè)固廢、生物質(zhì)燃料、廢舊橡膠、炭黑等類別；上半年替代燃料使用量約占用煤總量的11%。

四、水泥工廠熟料線SCR脫硝技術(shù)應(yīng)用

1.海螺高溫高塵SCR脫硝系統(tǒng)布置

2.海螺高溫高塵SCR脫硝系統(tǒng)工程應(yīng)用效果

SCR工程應(yīng)用效果

自主研發(fā)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)高溫高塵SCR脫硝系統(tǒng)在90余條水泥窯推廣應(yīng)用；

國(guó)內(nèi)首套高溫高塵SCR脫硝系統(tǒng)項(xiàng)目于2020年5月在白馬山水泥廠2#窯建成投運(yùn)；

NOx穩(wěn)定控制在50mg/Nm3，氨逃逸控制在5mg/Nm3，氨水用量大幅度下降40%左右；

該技術(shù)成果經(jīng)行業(yè)專家鑒定達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

五、海螺節(jié)能減碳降污新技術(shù)探索及示范應(yīng)用

1.海螺水泥摻氫燃燒關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及中試

關(guān)鍵技術(shù)：

研究綠氫煅燒氣氛下燒成系統(tǒng)氣固流場(chǎng)、熱-能-質(zhì)傳遞機(jī)制，形成不同比例氫氣摻燒時(shí)系統(tǒng)煙氣量、節(jié)煤效果、CO₂生成量及露點(diǎn)理論計(jì)算模型；

攻克氫能高效利用煅燒水泥的裝備產(chǎn)品，研發(fā)出氫氣燃燒器核心技術(shù)設(shè)備；

結(jié)合氫氣燃燒速度快、瞬時(shí)需氧大及分解爐溫度場(chǎng)分布，制定不同比例摻氫耦合煤粉燃燒技術(shù)方案。

水泥窯摻氫燃燒中試結(jié)果：

氫氣在分解爐內(nèi)摻燒，替代分解爐煤粉3.6%~5.5%，與傳統(tǒng)化石燃料煅燒方式高度耦合，系統(tǒng)溫度場(chǎng)穩(wěn)定，對(duì)燒成工藝及熟料品質(zhì)無(wú)影響。

缺氧狀態(tài)下，分解爐錐部摻氫燃燒不僅能替代4%煤粉，且分解爐出口NOx含量降低了25%，脫氮效果明顯。

2.富氧燃燒技術(shù)在水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用

海螺首套富氧燃燒系統(tǒng)于2020年在CZ海螺建成投用；采用深冷直送技術(shù)，制得氧氣濃度約為35-37%，富氧流量約為8500Nm3/h，帶壓富氧直接供窯頭一次風(fēng)和送煤風(fēng)，經(jīng)行業(yè)鑒定，水泥窯爐富氧燃燒成果技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

海螺第二套富氧裝置已于2024年10月在BS海螺投用；富氧制氧量約1500Nm3/h，氧濃度約99.6%；混合形成氧濃度約40%的富氧主供一次風(fēng)和窯頭送煤風(fēng)，提高窯頭空氣助燃能力，增強(qiáng)窯的煅燒能力。

3.CO₂礦化纖維板中試示范項(xiàng)目

聯(lián)合武漢理工大學(xué)攻關(guān)研究高效固碳纖維板制備工藝，并開展項(xiàng)目中試。

碳礦化材料的體系設(shè)計(jì)：研究碳礦化材料CO₂吸收礦化機(jī)理、物理力學(xué)性能的影響機(jī)理，優(yōu)化材料配合比，研究煅燒工藝、離子摻雜等對(duì)碳礦化物相反應(yīng)活性的影響，進(jìn)一步提升碳礦化材料的性能。

開發(fā)碳礦化材料的制備方法：研究尾氣成分、溫度、濕度與反應(yīng)壓力等因素對(duì)碳礦化材料礦化反應(yīng)程度、強(qiáng)度與微結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，優(yōu)化碳礦化材料的制備工藝。

碳礦化材料的耐久性能研究：研究碳礦化材料耐鹽霧腐蝕等耐久性能，針對(duì)特定碳礦化材料的性能檢測(cè)要求，開展相應(yīng)的性能表征與測(cè)試，從而反饋指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)與制備方法。

2024年5月完成海螺首個(gè)《CO₂轉(zhuǎn)化利用技術(shù)》-固碳纖維板示范項(xiàng)目中試。

4.新型低碳膠凝材料研發(fā)及中試項(xiàng)目

聯(lián)合西安建筑科技大學(xué)利用煤矸石活化替代熟料，普遍能達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的替代熟料30~40%，低碳膠凝材料28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到42.5標(biāo)號(hào)水泥標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，降低15-20%碳排放。

關(guān)鍵技術(shù)突破：

1.通過對(duì)煤矸石物性、活化條件、反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)等的基礎(chǔ)研究，利用懸浮態(tài)煅燒技術(shù)完成95-98%的反應(yīng)，利用高溫停留槽完成剩余2-5%的反應(yīng)，即可提高反應(yīng)效率又能保證活化效果。

2.以活化煤矸石為原料制備低碳膠凝材料，經(jīng)對(duì)材料配比與低碳材料的力學(xué)性能關(guān)系、水化反應(yīng)機(jī)理及產(chǎn)物、低碳材料的性能特征等進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)：活化煤矸石與石灰石按照2:1的比例摻入水泥熟料效果最優(yōu)，可實(shí)現(xiàn)20%-40%范圍內(nèi)可靠替代。

目前活化煤矸石已通過陜西省新材料認(rèn)定，已完成項(xiàng)目中試，年產(chǎn)6.5萬(wàn)噸活化煤矸石示范項(xiàng)目正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)11月建成。

5.生物質(zhì)（竹炭、樹皮等）常壓、低溫?zé)崃呀庵苽涮娲剂鲜痉俄?xiàng)目

攻關(guān)研究國(guó)家重大專項(xiàng)和安徽省揭榜掛帥項(xiàng)目-生物質(zhì)（竹炭、樹皮等）常壓、低溫?zé)崃呀庵苽涮娲剂详P(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程化示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)替代燃料高熱值、易燃性，提高替代比例。

關(guān)鍵技術(shù)：

開發(fā)替代燃料常溫致密成型預(yù)處理技術(shù)，提高壓縮成型率和升級(jí)生物質(zhì)成型設(shè)備。

開發(fā)替代燃料高效清潔燃燒成套技術(shù)，解決替代燃料在分解爐內(nèi)分散不開、提高與煤粉燃燒、生料分解協(xié)同性等問題。

結(jié)合水泥廠生產(chǎn)工藝，充分利用水泥窯廢熱煙氣用于生物質(zhì)原料干燥，提高廢氣余熱綜合利用。

經(jīng)驗(yàn)證，生物質(zhì)熱裂解制備替代燃料工藝路線的可行性，形成多品種且熱值可調(diào)（收到基低位熱值在6000-7000kcal/kg）的生物質(zhì)炭產(chǎn)品，生物質(zhì)炭按照60%比例摻燒后，標(biāo)煤耗指標(biāo)優(yōu)于1級(jí)指標(biāo)，但目前生物質(zhì)炭的制備成本較高，市場(chǎng)效益不達(dá)預(yù)期。

6.蕪湖海螺10MW/80MWh二氧化碳儲(chǔ)能項(xiàng)目

2023年12月，全球水泥行業(yè)首個(gè)二氧化碳儲(chǔ)能示范項(xiàng)目成功并網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)采用水泥行業(yè)新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域首創(chuàng)的氣液互轉(zhuǎn)二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)路線，將水泥生產(chǎn)線上捕捉的二氧化碳作為介質(zhì)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二氧化碳循環(huán)利用并降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵技術(shù)：

升級(jí)隔膜材料，降低輻射溫升，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)效率

隔熱系統(tǒng)全部或部分采用不透光膜、雙層膜或高阻隔紅外線膜，代替原有普通外膜。減少太陽(yáng)輻射對(duì)夾層氣體溫度、壓力的影響，減少補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)能耗，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)效率。

優(yōu)化軸封結(jié)構(gòu)，保持壓力梯度，保障透平機(jī)安全和效率

針對(duì)閉式系統(tǒng)開展微正壓自密封系統(tǒng)，密封形式為迷宮密封+碳環(huán)密封，進(jìn)一步因減少CO2外泄引起的工質(zhì)損失熱。

水泥余熱與新型二氧化碳儲(chǔ)能耦合技術(shù)，充分利用余熱資源

研究開發(fā)高效低阻多相換熱組件，高能量密度存儲(chǔ)容器及壓力穩(wěn)定系統(tǒng)和多品質(zhì)熱源動(dòng)力系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥窯80-100℃低品位余熱資源充分利用。

7.生活污泥預(yù)處理+水泥窯協(xié)同處置替代燃料資源化

生活污泥預(yù)處理及資源化利用工藝：

預(yù)處理工藝：通過機(jī)械脫水、能源干化方式，實(shí)現(xiàn)污泥減量化、資源化，干化后污泥還具有一定熱值，可以替代部分燃料。

資源化利用：干化污泥與煤、生活垃圾或水泥原料粉等進(jìn)行混合焚燒，可實(shí)現(xiàn)徹底處置。污泥混燒可利用現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施就近焚燒，節(jié)省大量費(fèi)用，運(yùn)行成本低，在國(guó)內(nèi)、外已有部分工程應(yīng)用。

生活污泥預(yù)處理及資源化利用技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

重金屬分解、無(wú)需二次處置；吸收有害氣體；熱源成本及運(yùn)行成本低。

巢湖海螺污泥干化資源化利用示范項(xiàng)目：

干化后污泥含水率≤35%、收到基低位熱值≥1350kcal/kg；噸干化污泥可節(jié)約標(biāo)煤122.73kg，可減少碳排約319.52kg，達(dá)到預(yù)期成果。

8.構(gòu)建“零外購(gòu)電”智慧綠色能源示范企業(yè)

以提高綠色清潔能源、顯著降低傳統(tǒng)化石能源消耗為目標(biāo)，通過集成水泥窯余熱發(fā)電、生物質(zhì)氣化補(bǔ)氣發(fā)電、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電、生活垃圾發(fā)電等新型綠色清潔能源技術(shù)，研究開發(fā)先進(jìn)的負(fù)荷平衡控制調(diào)度系統(tǒng)。

濟(jì)寧海螺零外購(gòu)電智慧能源示范園區(qū)于2023年入選全國(guó)工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理第七批示范企業(yè)園區(qū)名單。

9.海螺水泥智慧工廠

結(jié)合海螺集團(tuán)三十余年在水泥行業(yè)積累的技術(shù)、管理優(yōu)勢(shì)，利用現(xiàn)代信息、控制技術(shù)，以制造過程高效化與綠色化為目標(biāo)，研發(fā)以全流程質(zhì)量管控、全產(chǎn)線無(wú)人值守、全工廠智慧管控為目標(biāo)的新一代智慧工廠，實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)從礦山開采到產(chǎn)品出廠全流程智慧化管控。

車路云系統(tǒng)：基于芯-端-云技術(shù)實(shí)現(xiàn)“云”上的礦山工程機(jī)械智能交通管控系統(tǒng)，項(xiàng)目已在銅陵、蕪湖、白馬山、池州4家推廣應(yīng)用。

骨料散裝全自動(dòng)裝車系統(tǒng)：上置式裝車機(jī)移動(dòng)布料，散裝車無(wú)需移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了散裝全流程無(wú)人化自動(dòng)裝車，系統(tǒng)在線率≥98%，骨料裝車已實(shí)施全自動(dòng)29條，半自動(dòng)53條車道。

“燭龍”專家系統(tǒng)：控制算法PID、MPC、EID-MPC自主化率100%；關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)定性提升30%；游離鈣標(biāo)準(zhǔn)偏差下降10%；操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度下降50%。已在興安2#線等10余條產(chǎn)線及河北敬業(yè)鋼鐵等外部企業(yè)推廣應(yīng)用。

智慧管控平臺(tái)：已在40余家推廣應(yīng)用。

六、海螺未來(lái)碳減排技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展方向

海螺水泥科技創(chuàng)新主要研究方向

結(jié)合水泥行業(yè)市場(chǎng)情況及海螺水泥高質(zhì)量低碳發(fā)展需求，海螺將加大在節(jié)能降碳、綠色環(huán)保、清潔能源及低碳水泥等技術(shù)研發(fā)攻關(guān)，未來(lái)海螺科技創(chuàng)新主要研究方向如下：

1、水泥行業(yè)原燃料替代研發(fā)工程；2、水泥熟料質(zhì)量提升研發(fā)工程；3、節(jié)能降碳技術(shù)裝備研發(fā)工程；4、清潔綠色能源研發(fā)制造工程；5、未來(lái)碳科技產(chǎn)業(yè)探索工程。