近年来，社会对能源的需求日益增长，作为主要能源的化石燃料迅速减少，开发利用可持续的替代能源势在必行。水泥工业是我国资源综合利用的重要产业之一，同时也是传统的能源消耗大户，其碳排放占全国比重超过10%，2020年，我国明确提出碳达峰和碳中和的战略目标，水泥行业面临的碳减排压力十分严峻，因此使用替代燃料是水泥行业发展的重要战略方向，其中利用生物质燃料代替煤炭是水泥行业的发展趋势之一。
生物质燃料具有可再生、清洁环保、点火容易、CO2近似零排放等优点，农作物秸秆就是生物质燃料的一种，我国每年产生的农作物秸秆在10亿t左右，加快推进农作物秸秆的资源化综合利用，对促进资源节约、环境保护，实现碳减排等方面具有重大意义。
吉林省某县为我国玉米产量大县之一，据统计，该县每年可收集玉米秸秆量61.52万t左右，除农民自用燃烧、加工饲料外，玉米秸秆剩余量可达16万t。该县某水泥企业计划建设生物质燃料资源综合利用项目，采用玉米秸秆替代燃煤，不仅可以处置大量农作物秸秆，减少农民焚烧秸秆造成的环境污染，保护生态环境，而且可以减少煤炭等化石燃料的使用量，有效减少二氧化碳排放量。另外对于企业而言，还可以降低熟料生产成本，增加营业利润。本文在对农作物秸秆燃料特性分析的基础上，通过研究玉米秸秆的理化特性、设计秸秆应用的工艺流程和探讨使用秸秆对水泥生产运行影响等，对水泥厂应用玉米秸秆作为替代燃料的可行性进行了较为系统分析和论证，以为上述资源综合利用项目的建设和运行提供支撑。
1.1 含碳量低
秸秆燃料中碳元素含量较低，一般在40%~50%，尤其是固定碳的含量，明显比煤炭少。
1.2 挥发分较高
秸秆燃料中的挥发分明显较高，主要是由于大多数碳和氢组成了低分子的碳氢化合物，碳氢化合物到一定温度后热分解会析出挥发物，因此秸秆易被引燃，燃烧初期（250~350 ℃）挥发物析出量较大，燃烧剧烈。
1.3 热值较高
秸秆燃料一般热值在12.54~20.90 MJ/kg，易于引燃，燃烧时可相对减少供给空气量。
1.4 密度小
秸秆燃料的密度与煤炭相比明显较低，大约在0.8~1.3 g/cm3左右，质地比较疏松，但是更容易燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量比煤灰少。
1.5 含硫低
秸秆燃料含硫量一般小于0.2%，燃烧时不必单独设置气体脱硫装置，有利于降低生产成本。
1.6 含氮量低
秸秆中蛋白质、脂肪、植物碱、叶绿素等含有氮，氮含量一般在1%以下，影响不大。
1.7 CO2零排放
秸秆燃料燃烧所释放出的CO2与其生长时通过光合作用所吸收的CO2相当，不考虑运输过程时，CO2零排放，所以秸秆燃料燃烧被认为是“碳中和”的有效方式。
对吉林省某县经过晾晒的玉米秸秆取样并在实验室将样品破碎至30 mm以下。玉米秸秆的工业分析结果见表1，玉米秸秆燃烧后灰分化学成分数据见表2。
表1 玉米秸秆工业分析
表2 玉米秸秆灰分主要化学成分分析 %
由表1可以看出，玉米秸秆的水分较低，挥发分高，固定碳较少；燃烧后产生的灰分低；发热量近14.06 MJ/kg，可用于水泥窑替代燃料。
由表2可知，玉米秸秆灰中钙、硅氧化物含量高，是生产水泥熟料的有益成分；Na、K含量较高，对水泥熟料生产不利；Cl-含量不高，如秸秆用量不多，对水泥熟料生产影响小。
3.1 在熟料烧成系统中应用位置
水泥回转窑系统在煅烧熟料时要求窑内火焰温度能达到1 550 ℃以上，以保证物料能达到1 450 ℃的熟料烧成温度；同时也要求窑内火焰形状合理，以保证窑内温度分布恰当、合理，燃料燃烧速度可控，因此玉米秸秆并不能完全适应回转窑煅烧要求。
分解炉容积较大，燃料在燃烧室停留时间较长，过剩空气系数低，玉米秸秆能基本适应在分解炉内燃烧。根据玉米秸秆燃烧特点和新型干法水泥生产工艺煅烧特性可以得出，玉米秸秆从分解炉投入用于替代水泥窑尾煤。
3.2 在水泥厂中应用工艺流程
目前，水泥厂使用秸秆燃料一般通过两种途径获得：一种是购买成型（颗粒）秸秆燃料，另一种是自己生产成型（颗粒）秸秆燃料。上述水泥企业拟建设一条能力为5 t/h玉米秸秆颗粒加工制备生产线，通过将玉米秸秆加工成颗粒燃料进行使用。建设内容包括玉米秸秆颗粒生产线及输送、计量喂料系统，以及相应配套的电气设施、消防设施等。玉米秸秆颗粒生产工艺流程图如图1所示。
玉米秸秆经汽车运输到厂内加工车间，由一台桥式抓机用于秸秆上料，另设一台轮式抓机用于秸秆的卸料、堆放及清理等。抓机抓料后放到皮带机上，玉米秸秆经皮带机输送到粉碎机内粉碎，经沙克龙收集到的秸秆粉料经由皮带机投入到成型机中制粒，制好的颗粒经皮带机、提升机输送至窑尾框架缓冲仓内。在缓冲仓仓底设置一台全封闭皮带秤，将秸秆颗粒定量喂料到分解炉中。秸秆颗粒喂料量根据分解炉燃烧情况可随时调节。
图1 玉米秸秆颗粒生产工艺流程框图
3.3 对熟料质量的影响
玉米秸秆颗粒热值、灰分及生产能力见表3。
表3 玉米秸秆颗粒热值、灰分、生产能力
理论上，单位质量熟料烧成来自玉米秸秆的热量按下式计算（熟料产量230 t/h）：
经计算得知，熟料烧成来自玉米秸秆的热量为244.5 kJ/kg，根据原煤热值22 099 kJ/kg，熟料单位热耗3 097.4 kJ/kg和煤灰分20.36%等，则知：
玉米秸秆替代燃煤即熟料线热量替代率为：
244.5/3 097.4×100%=7.89%
玉米秸秆代替分解炉燃煤即窑尾热量替代率为：
244.5/（3 097.4×0.6）×100%=13.16%
燃料秸秆灰掺入比例为：
4×4.44%/230×100%=0.077%
煤灰掺入比例为：
（3 097.4×230-14.06×4）/22 099×20.36%/230 ×100%=2.53%
配料计算见表4，计算的熟料配比与配料要求的对比见表5。
由以上计算分析可以看出，吉林某水泥企业使用玉米秸秆代替分解炉部分原煤，理论上窑尾热量替代比例能够达到13.16%，其灰分掺加到熟料中，不会影响水泥熟料的煅烧质量。
表5 熟料配比与配料要求 %
4.1 生态环境效益
采用玉米秸秆代替部分原煤，合理利用生物质燃料（玉米秸秆）资源，变废为宝，不仅减少农作物秸秆废弃到田间产生的环境污染，而且节约煤炭资源，实现资源节约型发展。在不影响熟料煅烧质量的情况下，上述资源综合利用项目年消耗玉米秸秆27 044.8 t，代替原煤14 087.91 t，能分别减少CO2产生量26 768 t、SO2产生量131 t、NOx产生量77 t，具有良好的环境效益。
4.2 经济效益
近年来，随着燃煤价格的攀高，水泥企业生产成本不断提高。采用玉米秸秆代替部分燃煤，因玉米秸秆价格低廉，能在一定程度上减少原煤使用，降低熟料生产成本，增加企业利润，有效提高企业竞争力，同时也会为当地的财政收入贡献一分力量。
另外周边农民可将原来弃置焚烧的玉米秸秆出售给上述水泥企业，在减少秸秆焚烧造成严重环境污染的同时，可使当地农民每亩耕地增加收入150~200元，给农民带来经济效益。
4.3 增加就业岗位
项目新增劳动定员12人，可为社会提供相应的就业岗位，缓解政府压力，有利于促进当地社会的稳定。
采用玉米秸秆替代分解炉部分原煤煅烧水泥熟料，窑尾热量替代率可达13.16%，且其灰分掺加到熟料中，不会影响熟料的煅烧质量，从技术上是可行的，并具有很好的推广价值。利用玉米秸秆作为水泥生产替代燃料，具有良好的经济、社会和环境效益，其对于促进我国建设资源节约型社会、降低水泥窑二氧化碳排放、推动水泥企业绿色发展和提高农民的收入等具有重要意义。
