[泥说] 寻求替代燃料还是高效利用低品位煤炭？
采用替代燃料是降低水泥工业CO2排放量的重要途径之一。IEA、WCA及GCCA发布2050年水泥低碳转型技术路线图，水泥工业碳减排技术措施中，替代燃料贡献率为24%（降低熟料系数的贡献率为10%，提高能源效率的改善贡献率为10%）。
欧美水泥生产企业采用替代燃料应用技术较为成熟，如拉豪、海德堡、Cemex等企业的下属部分窑线的TSR(替代燃料的热量替代率)超过50%（Votorantim Cimentos的2030目标为TSR达到52%，LH的2030目标为TSR达到37%），对于城市生活垃圾等的利用形成了丰富经验。
我国水泥企业在替代燃料领域尚处起步阶段，可预计的是在政策利好、供应量持续、未来垃圾分类状况不断改善等政策环境支撑下，TSR也会逐渐提升。垃圾分类是实现生活垃圾热值高效利用的关键，还有很长的路要走。
也许，当下水泥企业考虑如何高效利用低品位煤炭可能更具有现实意义。
水泥生产可燃用的燃料种类较多，包括:
各种煤炭（无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤、煤泥等）；
各种油（原油、重油、轻油等）；
各种气体燃料（天然气、焦炉气、水煤气等）；
替代燃料（各种固体可燃垃圾、石油焦、各种废油、废油脂、各种含热值化工有机废液）；
我国水泥工业一直以煤炭为主要燃料，这是由我国的能源结构所决定的。煤炭是古代植物遗体堆积在湖泊、海湾、浅海等区域，经复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的一种具有可燃性能的沉积岩，化学成分主要为C、H、O、N、S等元素。
我国新型干法水泥企业使用的主要煤炭种类与特性(按煤的挥发份、煤化程度分类)主要是烟煤、褐煤和无烟煤这三种。除了上述三种煤炭外，有没有其它种类煤炭或相关化石燃料可以在水泥行业作为燃料应用呢？下图是煤炭在各个地质时代的形成情况。
图1 | 煤炭在各个地质时代的形成情况
众所周知，不同种类的煤炭的燃烧特性是不同的。非煤燃料着火点：重油（500~600℃）、天然气（530-650℃）；煤质燃料着火点：烟煤（650-840℃）；贫煤（900℃）；无烟煤（1000℃）；随着挥发分的降低，煤质燃料的着火比较困难，不易燃烧；烟煤的着火特性比贫煤、无烟煤好，因此更适合水泥窑生产。表1为各种煤炭的燃烧性能对比。
表1 | 各种煤的燃烧性能比较
我国是能源大国，能源构成以煤炭为主，我国煤炭总储量约占世界总储量的12.6%；我国能源形势严峻且煤炭资源分布不均衡，客观上需要加强对低品位煤炭的高效利用。我国煤炭资源中的低品位煤，如高水分 (褐煤）、高变质（贫煤）低挥发分（无烟煤）、、高灰分煤（石煤、煤矸石）等占有较大比例；图2为中国煤炭产量和煤的碳含量，可见中国的煤含碳量总体偏低。
图2 | 中国煤炭产量和煤的碳含量
另外一个方面，我国煤炭储量分布“北多南少，西多东少”，品质“北优南劣”,“北煤南运，西煤东运”将持续存在；我国经济最发达、能源需求最大的东部 和南部地区，恰恰是煤炭资源贫乏的地区。广东：无烟煤、褐煤各45%；福建：无烟煤>98%；浙江：低品位煤>80%。
无烟煤：
煤化程度最大，固定碳含量高，挥发份产率低、燃点高，燃烧时无烟，6000-6500Kcal/kg
烟煤：
煤化程度中等(无烟煤>烟煤>褐煤)，自然界分布最广、最多；含碳80～90%，氢4～6%，氧10～15%，不含游离腐殖酸，发热量较高。
分为长焰煤、气煤、肥煤、炼焦煤、瘦煤和贫煤等；燃烧火焰长而多烟，比重1.2-1.5，挥发物10-40%，发热量仅次于无烟煤 ，热值约6500-8900Kcal/kg
褐煤:
煤化程度最低的矿产煤；也称柴煤,Lignite coal,brown coal,wood coal;介于泥炭、沥青煤之间；
含碳60～77%，挥发分>40%，水分15-60%，含游离腐植酸，燃点低（约270℃），密度1.1-1.2g/cm3，无胶质层厚度，恒湿无灰基高位发热量约5500-6500kcal/kg；燃烧值3000大卡或以下。
化学反应性强，空气中易风化，不易储存和运输。
燃烧时对空气污染严重(煤化程度太低，造成燃烧时会有大量黑灰飘在空中，如不经洗煤处理、提炼，大量使用褐煤会导致我国雾霾问题日益严重)。
中国褐煤储量2118亿吨，约占全国煤炭总资源量的13%；(世界褐煤资源量（26229亿吨）约占世界煤炭资源总量（107539亿吨）的24.4%);主要分布在内蒙古东部和云南东部、东北和华南也有少量。
石煤：
劣质、低热值燃料；由菌藻类等生物在浅海、泻湖、海湾条件下于古老地层中经腐泥煤化而成。
变质度深、含碳少，伴生钒、钼、铀、磷、银等元素多达60种。
灰分＞60%，高含碳呈黑色，低含碳呈灰色，密度1.7-2.3，多夹FeS2、SiO2、磷、钙质结核；热值3.5-10.5mJ/kg。
着火温度较高，燃尽温度也高,对水泥生产控制来说非理想选择，更不应作调制煤混入其它煤，否则影响生产。（早古生代以菌藻类为主浅海相聚煤模式，早寒武纪、早志留纪）
湘政办发〔2019〕71号《湖南省人民政府办公厅关于全面推动矿业绿色发展的若干意见》中要求“全面退出石煤和汞矿开采”。
泥炭：
草炭或泥煤，多水、缺氧条件下由动植物死后形成松软有机物堆积层，主成分为未完全分解的植物残体和完全腐化的腐殖质、矿物质组成，有机物>50%，含水量大，属古代沼泽环境特有产物。
东北属高寒地区，泥炭含N和灰量低，略显酸性或强酸，PH 5.0-5.9。
分类：低位泥炭、中位泥炭、高位泥炭（由富营养到贫营养）；助磨性强。
煤矸石：
是一种与煤层伴生的含碳量较低的黑灰色岩石，包括：掘进、开采中混进的岩石,属碳质、泥质和砂质页岩混合物;含碳20-30%、有些含腐殖酸。
主要成分：Al2O3、SiO2，还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量元素（镓、钒、钛、钴）。
油页岩：
一种高灰分、含可燃有机质的沉积岩；和煤主要区别：灰分>40%，与碳质页岩主要区别含油率>3.5%。
含：油母（复杂高分子有机化合物)，10~50%(干基)，主要为碳、氢及少量氧、氮、硫；水分4-25%，与矿物质颗粒间微孔结构有关。
矿物质：石英、高岭土、粘土、云母、碳酸盐岩及硫铁矿等，褐色泥岩状，1.4~2.7t/m3。
煤泥：
煤加工生过程中形成的含煤、水半固体物；不同煤泥含水和热值相差较大。
一般1500-3500Kcal/kg，更多添加到正常煤炭中形成调质煤出售。
石油焦( PETroleum coke)：
石油经蒸馏、分离重质油，再经热裂后剩余物，主成分为80%碳，其余为H、O、N、S和金属元素。
金属光泽、多为不规则、多孔隙、黑色块(或颗粒)状结构。
一般石油焦热值较高，着火温虽较高，与我国相对难燃无烟煤基本相当；可作为水泥生产用的燃料；石油焦中常含有硫(SO3)和可能混入失效催化剂等，影响生产稳定性和环境，须加控制。
烧挥发分低的燃料，如Petcoke时易在烧成带局部形成还原气氛，从而使得硫酸钙发生分解，从而引起熟料中f-CaO含量增加。
图3 | 高硫燃料（高硫煤、石油焦等）应用对窑内硫循环影响示意图