水泥工业是高耗能、高碳排放行业，生物质替代燃料应用于水泥行业有助于降低化石能源消耗和碳排放。本文系统梳理并分析了生物质替代燃料在水泥行业的应用进展及存在的相关问题，并给出了解决思路，包括开展更为贴近工程应用的研究，以工程用生物质燃料为对象，开展规模较大的中试研究和CFD模拟；完善相关标准规范，建立完整的上下游产业链；促进与水泥窑系统的融合，提高生物质燃料的热量替代率和利用效率，降低对水泥窑系统的影响。
生物质替代燃料在水泥行业的应用进展
王俊杰1，杨华伟1,2，湛月平1,3，柴 祯1，蔡 军1,3,4，朱治平1,3,4
1.中国科学院工程热物理研究所煤炭高效低碳利用全国重点实验室
2.煤灵活燃烧与热转化山西省重点实验室
3.山西省煤炭清洁高效燃烧与气化工程研究中心
4.中国科学院大学
1）从水泥生产角度，阐述生物质燃料的特点。摆脱单纯介绍生物质的束缚，紧密结合水泥生产工艺，从生物质特点出发，分析其应用对于水泥单位熟料烟气量、生产热耗、熟料质量、生产稳定性等影响。
2）丰富翔实的数据。分析了全球水泥行业生物质替代燃料的应用比例及种类，汇总了国外五大跨国水泥集团生物质替代燃料的应用数据，并对国内应用生物质替代燃料的部分水泥企业进行汇总，对其使用情况进行分析。
3）从实际生产角度，提出生物质替代燃料发展建议。围绕生物质替代燃料的诸多研究，通常会对生物质燃料进行研磨、烘干、筛分等处理，再进行相关实验和分析，所得结果与实际应用的生物质燃料相差甚远。以此为例，本文从实际角度出发，提出了生物质替代燃料的发展建议。
研究背景
水泥工业是重要的基础原材料行业，同时也是高耗能、高碳排放行业。2020年我国水泥工业二氧化碳排放约占全国碳排放总量的12.4%。我国生物质资源丰富，生物质替代燃料应用于水泥行业有助于降低化石能源消耗和碳排放，是实现我国水泥工业碳中和的主要途径之一。
研究内容
从水泥生产角度阐述生物质燃料特点，包括其对烟气量、熟料质量、生产稳定性等影响；对比国内外水泥行业生物质燃料标准规范、热量替代率；概述生物质燃料预处理技术，包括机械预处理和高温预处理，对比不同高温预处理装备特点；针对生物质燃料应用面临的问题，如相关理论研究对于生产的指导意义不足、生物质燃料喂入热量存在较大波动、生物质燃料带入窑系统大量水分、与现有水泥热工系统不适应、对熟料质量有一定影响等，提出针对性解决方案。
研究结论
针对生物质替代燃料在水泥行业的应用进展及存在的相关问题，提出如下建议：
1）开展更为贴近工程应用的研究。以工程用生物质燃料为对象，开展规模较大的中试研究和CFD模拟，揭示生物质燃料的燃烧特性，优化其加入水泥窑炉的相对位置、形状尺寸等参数。
2）完善相关标准规范，建立完整的上下游产业链。围绕生物质等替代燃料的收集、制作、储运及在水泥行业的应用等环节，完善相关标准规范，促进生物质等替代燃料的商品化。
3）促进与水泥窑系统的融合。针对生物质燃料特点，围绕输送计量、余热烘干、稳定喂料、燃烧优化、智能控制等环节，开展应用优化研究，提高生物质燃料的热量替代率和利用效率，降低对水泥窑系统的影响。
表1 典型生物质燃料的工业和元素分析结果
引用格式：
王俊杰,杨华伟,湛月平,等.生物质替代燃料在水泥行业的应用进展[J].洁净煤技术,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.
通讯作者
蔡军，男，1977年生，工学博士，研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授，中国科学院青年创新促进会优秀会员，中国工程热物理学会传热传质分会青年委员会首届委员，《洁净煤技术》期刊青年编委。2007年博士毕业于北京科技大学热能工程专业，同年加入中国科学院工程热物理研究所，目前主要从事固体燃料燃烧/热转化（热解、气化）过程强化以及工业窑炉节能减排等方面的基础研究与技术开发工作。基于高速对冲射流强化热质传递过程的思想，从煤粉活化改性角度提出了强化水泥分解炉内NOx还原的新方法，发明了多角度协同强化脱硝技术工艺，并获得工程示范应用，实现水泥窑炉氮氧化物超低排放。作为负责人承担了国家重点研发计划课题、中科院A类战略性先导专项课题、国家自然科学基金面上与青年项目、中科院人才基金以及企业横向委托等多个项目。获得研究所青年突出贡献奖以及北京市科协优秀科技论文奖。发表论文100余篇，论文他引近1300次；出版学术著作2部（第一著者）；申请专利55项，其中授权专利32项，登记软件著作权6项。
作者简介
王俊杰，男，1989年生，工学硕士，本科毕业于武汉理工大学，研究生毕业于中国建筑材料科学研究总院。2014年至2019年，中国建筑材料科学研究总院水泥科学与新型建筑材料研究院从事水泥窑炉节能减排技术研发，作为核心成员先后参与水泥窑炉富氧燃烧、熟料分段烧成、污染物过程减排等国家科技支撑计划、国家重点研发计划项目，在国内外期刊、会议上发表论文20余篇，申请/获得发明专利10余项。2019年至2022年，任FLSmidth中国区工艺经理，为水泥烧成系统节能改造、水泥窑利用替代燃料等提供技术支持及现场调试。在水泥熟料煅烧、窑炉节能降耗、替代燃料利用、污染物减排等方面具有扎实的理论知识和丰富的实践经验。目前研发方向为水泥窑炉低碳技术。
中国科学院工程热物理所研究所循环流化床实验室（以下简称实验室）成立于1981年，面向能源环境领域的重大需求，在固体燃料的高效低碳清洁利用、综合节能减排方面，开展应用基础研究和高技术开发工作。四十余年来，实验室始终致力于通过提出原创技术理论、突破核心关键技术、完成技术集成和工程示范，为技术产业化应用提供强有力的支撑，始终坚持“以原创技术守护祖国绿水青山”的初心和使命。
