水泥网独家：海螺水泥绿色低碳技术创新研发与应用
水泥 中国水泥网信息中心 2024-10-29
在绿色低碳的浪潮中，海螺水泥以其卓越的节能降碳成果，引领着行业的转型与发展。作为行业的先行者，海螺水泥在技术创新、节能减排、资源循环利用等方面取得了显著成就。
10月24日，“2024中国水泥双碳大会暨第十二届节能环保技术交流大会”在安徽芜湖盛大召开。海螺水泥运营部副部长轩红钟分享了《海螺水泥绿色低碳技术创新研发与应用》。轩红钟表示，结合水泥行业市场情况及海螺水泥高质量低碳发展需求，海螺将加大在节能降碳、绿色环保、清洁能源及低碳水泥等技术研发攻关，未来海螺科技创新主要研究方向如下：1、水泥行业原燃料替代研发工程；2、水泥熟料质量提升研发工程；3、节能降碳技术装备研发工程；4、清洁绿色能源研发制造工程；5、未来碳科技产业探索工程。
一、水泥行业碳排放及海螺技术性碳减排概况
生态环境部于2024年9月9日对《全国碳排放权交易市场覆盖水泥、钢铁、电解铝行业工作方案》（征求意见稿）公开征求意见，文中提出“水泥等行业2025年底前完成首次履约工作”，推动了水泥行业纳入全国碳交易市场的进程。
水泥熟料生产过程中，过程（即碳酸盐分级）二氧化碳排放约58-62%，燃料燃烧二氧化碳排放约33-38%，电力使用间接排放二氧化碳约2-5%。
围绕“双碳、双控”等战略要求，海螺水泥在“源头减碳、过程降碳及末端固碳”多维度加大绿色低碳等技术性碳减排的发和应用，助力水泥行业高质量发展。主要降碳减排技术有：
源头减碳：通过原燃材料替代、生活污泥资源化利用、清洁能源使用等技术研发和应用实现水泥生产源头降碳。
过程降碳：通过提高能源利用效率、富氧燃烧、构建“零外购电”平台超低排放技术升级及系统数字化、智能化改造等综合能效技术研发和应用实现水泥生产过程降碳。
末端固碳：通过制备可燃气、矿化建筑材料、CO2储能等二氧化碳捕集和转化利用等技术的研发和应用助力水泥生产碳”近零”排放。
二、综合能效提升技改及工程化应用
1.技术开发目标及预热预分解系统的开发
为提高能源利用效率，强化窑炉运行质量，围绕“吨熟料标煤耗低于94kg，吨熟料综合电耗低于45kWh”的目标，开展预热预分解系统性能提升、高效粉磨、高效冷却等一系列技术研发及工程化应用。
2.综合能效提升改造运行情况
41%水泥熟料线（63条）实施综合能效提升改造。
改造后，吨熟料标煤耗、综合电耗基本达到GB16780-2021标准规定的1级指标。
三、替代燃料技术开发及在水泥窑上应用
1.水泥窑替代燃料技术开发要点
考虑到替代燃料燃烧需要充足的氧气，同时避免替代燃料落入烟室造成窑工况波动影响生产，替代燃料喂料点设计位置：
方案①：三次风管顶部：靠近分解炉接口处；
方案②：三次风管正上方分解炉柱体上：距离三次风管顶部1-1.5m左右；
方案③：分解炉柱体上：下料口底边与三次风管中心线平齐处，靠近三次风进风口且位于其切向上轨迹上。
通过CFD数值模拟分析，多组分废弃物预烧装置能促进不同替代燃料共燃，预烧装置、分解炉内流场稳定，不会引起分解炉流场紊乱或局部高温；燃烧较为充分。
2.替代燃料在水泥窑炉上应用情况
轻质替代燃料应用方面成功案例：ZYHL农林生物质替代水泥窑燃料应用项目
项目主要利用秸秆和稻壳作为水泥窑炉的替代燃料；
替代燃料系统使用稻壳时，投加分解炉的稻壳量为20-25t/h；
替代燃料系统使用秸秆时，投加分解炉的秸秆量为12-15-25t/h。
混合替代燃料应用方面成功案例：TLHL替代水泥窑燃料应用项目
项目替代燃料主要是：生活垃圾、废纺等替代燃料；
替代燃料处置量20.1t/h(其中生活垃圾8.9t/h)。
目前，海螺水泥已在50余家子公司生产线推广应用了替代燃料技术；涉及替代燃料种类有RDF、带热值工业固废、生物质燃料、废旧橡胶、炭黑等类别；上半年替代燃料使用量约占用煤总量的11%。
四、水泥工厂熟料线SCR脱硝技术应用
1.海螺高温高尘SCR脱硝系统布置
2.海螺高温高尘SCR脱硝系统工程应用效果
SCR工程应用效果
自主研发设计的国内高温高尘SCR脱硝系统在90余条水泥窑推广应用；
国内首套高温高尘SCR脱硝系统项目于2020年5月在白马山水泥厂2#窑建成投运；
NOx稳定控制在50mg/Nm³，氨逃逸控制在5mg/Nm³，氨水用量大幅度下降40%左右；
该技术成果经行业专家鉴定达到国际先进水平。
五、海螺节能减碳降污新技术探索及示范应用
1.海螺水泥掺氢燃烧关键技术研发及中试
关键技术：
研究绿氢煅烧气氛下烧成系统气固流场、热-能-质传递机制，形成不同比例氢气掺烧时系统烟气量、节煤效果、CO2生成量及露点理论计算模型；
攻克氢能高效利用煅烧水泥的装备产品，研发出氢气燃烧器核心技术设备；
结合氢气燃烧速度快、瞬时需氧大及分解炉温度场分布，制定不同比例掺氢耦合煤粉燃烧技术方案。
水泥窑掺氢燃烧中试结果：
氢气在分解炉内掺烧，替代分解炉煤粉3.6%~5.5%，与传统化石燃料煅烧方式高度耦合，系统温度场稳定，对烧成工艺及熟料品质无影响。
缺氧状态下，分解炉锥部掺氢燃烧不仅能替代4%煤粉，且分解炉出口NOx含量降低了25%，脱氮效果明显。
2.富氧燃烧技术在水泥生产线上的应用
海螺首套富氧燃烧系统于2020年在CZ海螺建成投用；采用深冷直送技术，制得氧气浓度约为35-37%，富氧流量约为8500Nm³/h，带压富氧直接供窑头一次风和送煤风，经行业鉴定，水泥窑炉富氧燃烧成果技术达到国际先进水平。
海螺第二套富氧装置已于2024年10月在BS海螺投用；富氧制氧量约1500Nm³/h，氧浓度约99.6%；混合形成氧浓度约40%的富氧主供一次风和窑头送煤风，提高窑头空气助燃能力，增强窑的煅烧能力。
3.CO2矿化纤维板中试示范项目
联合武汉理工大学攻关研究高效固碳纤维板制备工艺，并开展项目中试。
碳矿化材料的体系设计：研究碳矿化材料CO2吸收矿化机理、物理力学性能的影响机理，优化材料配合比，研究煅烧工艺、离子掺杂等对碳矿化物相反应活性的影响，进一步提升碳矿化材料的性能。
开发碳矿化材料的制备方法：研究尾气成分、温度、湿度与反应压力等因素对碳矿化材料矿化反应程度、强度与微结构的影响规律，优化碳矿化材料的制备工艺。
碳矿化材料的耐久性能研究：研究碳矿化材料耐盐雾腐蚀等耐久性能，针对特定碳矿化材料的性能检测要求，开展相应的性能表征与测试，从而反馈指导材料的设计与制备方法。
2024年5月完成海螺首个《CO2转化利用技术》-固碳纤维板示范项目中试。
4.新型低碳胶凝材料研发及中试项目
联合西安建筑科技大学利用煤矸石活化替代熟料，普遍能达到项目预期的替代熟料30~40%，低碳胶凝材料28d抗压强度达到42.5标号水泥标准的目标，降低15-20%碳排放。
关键技术突破：
1.通过对煤矸石物性、活化条件、反应机理及动力学等的基础研究，利用悬浮态煅烧技术完成95-98%的反应，利用高温停留槽完成剩余2-5%的反应，即可提高反应效率又能保证活化效果。
2.以活化煤矸石为原料制备低碳胶凝材料，经对材料配比与低碳材料的力学性能关系、水化反应机理及产物、低碳材料的性能特征等进行系统研究，发现：活化煤矸石与石灰石按照2:1的比例掺入水泥熟料效果最优，可实现20%-40%范围内可靠替代。
目前活化煤矸石已通过陕西省新材料认定，已完成项目中试，年产6.5万吨活化煤矸石示范项目正在建设中，预计11月建成。
5.生物质（竹炭、树皮等）常压、低温热裂解制备替代燃料示范项目
攻关研究国家重大专项和安徽省揭榜挂帅项目-生物质（竹炭、树皮等）常压、低温热裂解制备替代燃料关键技术研发及工程化示范应用，实现生物质替代燃料高热值、易燃性，提高替代比例。
关键技术：
开发替代燃料常温致密成型预处理技术，提高压缩成型率和升级生物质成型设备。
开发替代燃料高效清洁燃烧成套技术，解决替代燃料在分解炉内分散不开、提高与煤粉燃烧、生料分解协同性等问题。
结合水泥厂生产工艺，充分利用水泥窑废热烟气用于生物质原料干燥，提高废气余热综合利用。
经验证，生物质热裂解制备替代燃料工艺路线的可行性，形成多品种且热值可调（收到基低位热值在6000-7000kcal/kg）的生物质炭产品，生物质炭按照60%比例掺烧后，标煤耗指标优于1级指标，但目前生物质炭的制备成本较高，市场效益不达预期。
6.芜湖海螺10MW/80MWh二氧化碳储能项目
2023年12月，全球水泥行业首个二氧化碳储能示范项目成功并网发电。系统采用水泥行业新型储能技术领域首创的气液互转二氧化碳储能技术路线，将水泥生产线上捕捉的二氧化碳作为介质用于储能系统，实现二氧化碳循环利用并降低储能系统成本。
关键技术：
升级隔膜材料，降低辐射温升，提高储能系统效率
隔热系统全部或部分采用不透光膜、双层膜或高阻隔红外线膜，代替原有普通外膜。减少太阳辐射对夹层气体温度、压力的影响，减少补风风机能耗，提升储能系统效率。
优化轴封结构，保持压力梯度，保障透平机安全和效率
针对闭式系统开展微正压自密封系统，密封形式为迷宫密封+碳环密封，进一步因减少CO2外泄引起的工质损失热。
水泥余热与新型二氧化碳储能耦合技术，充分利用余热资源
研究开发高效低阻多相换热组件，高能量密度存储容器及压力稳定系统和多品质热源动力系统等，实现对水泥窑80-100℃低品位余热资源充分利用。
7.生活污泥预处理+水泥窑协同处置替代燃料资源化
生活污泥预处理及资源化利用工艺：
预处理工艺：通过机械脱水、能源干化方式，实现污泥减量化、资源化，干化后污泥还具有一定热值，可以替代部分燃料。
资源化利用：干化污泥与煤、生活垃圾或水泥原料粉等进行混合焚烧，可实现彻底处置。污泥混烧可利用现有设备设施就近焚烧，节省大量费用，运行成本低，在国内、外已有部分工程应用。
生活污泥预处理及资源化利用技术优点：
重金属分解、无需二次处置；吸收有害气体；热源成本及运行成本低。
巢湖海螺污泥干化资源化利用示范项目：
干化后污泥含水率≤35%、收到基低位热值≥1350kcal/kg；吨干化污泥可节约标煤122.73kg，可减少碳排约319.52kg，达到预期成果。
8.构建“零外购电”智慧绿色能源示范企业
以提高绿色清洁能源、显著降低传统化石能源消耗为目标，通过集成水泥窑余热发电、生物质气化补气发电、光伏发电和风力发电、生活垃圾发电等新型绿色清洁能源技术，研究开发先进的负荷平衡控制调度系统。
济宁海螺零外购电智慧能源示范园区于2023年入选全国工业领域电力需求侧管理第七批示范企业园区名单。
9.海螺水泥智慧工厂
结合海螺集团三十余年在水泥行业积累的技术、管理优势，利用现代信息、控制技术，以制造过程高效化与绿色化为目标，研发以全流程质量管控、全产线无人值守、全工厂智慧管控为目标的新一代智慧工厂，实现水泥生产从矿山开采到产品出厂全流程智慧化管控。
车路云系统：基于芯-端-云技术实现“云”上的矿山工程机械智能交通管控系统，项目已在铜陵、芜湖、白马山、池州4家推广应用。
骨料散装全自动装车系统：上置式装车机移动布料，散装车无需移动，实现了散装全流程无人化自动装车，系统在线率≥98%，骨料装车已实施全自动29条，半自动53条车道。
“烛龙”专家系统：控制算法PID、MPC、EID-MPC自主化率100%；关键参数稳定性提升30%；游离钙标准偏差下降10%；操作人员劳动强度下降50%。已在兴安2#线等10余条产线及河北敬业钢铁等外部企业推广应用。
智慧管控平台：已在40余家推广应用。
六、海螺未来碳减排技术创新应用发展方向
海螺水泥科技创新主要研究方向
结合水泥行业市场情况及海螺水泥高质量低碳发展需求，海螺将加大在节能降碳、绿色环保、清洁能源及低碳水泥等技术研发攻关，未来海螺科技创新主要研究方向如下：
1、水泥行业原燃料替代研发工程；2、水泥熟料质量提升研发工程；3、节能降碳技术装备研发工程；4、清洁绿色能源研发制造工程；5、未来碳科技产业探索工程。
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