替代燃料，也稱作二次燃料、輔助燃料，是使用可燃廢棄物作為水泥窯熟料生產，替代天然化石燃料，可燃廢棄物在水泥工業中的應用不僅可以節約一次能源，同時有助于環境保護，具有顯著的經濟、環境和社會效益。有數據顯示，如果在水泥生產中使用40％的替代燃料，每生產100萬噸熟料將少排放約10萬噸二氧化碳。從根本上講，減少水泥行業排放的問題是化學問題。要生產熟料（水泥中的關鍵成分），就需要石灰（CaO）。最常見的生產方法是通過煅燒，將石灰石（CaCO3）在水泥窯中加熱至1400°C左右，將其分解成石灰。這個過程會釋放大量的二氧化碳，約占水泥生產總排放量的50%。

為了減少煅燒過程產生的排放，一種方法就是，用其他材料替代熟料在水泥中的比例，但是這些“新型水泥”尚未大規模投入商業使用。

通常來講，近40%的排放來自加熱水泥窯所燃燒的化石燃料（最后5-10%的排放來自運營和運輸）。這意味著通過尋找替代燃料，可以大幅減少水泥的總體排放。在歐洲，水泥生產中天然氣、生物質和垃圾衍生燃料的使用已增加至43%左右，但在中國，這一比例仍僅為8%左右。

由于水泥窯中的煅燒具有如下特征：

1.水泥回轉窯內氣體溫度可達2000℃，其中分解爐溫度可達到1100℃左右；

2.停留時間長：窯內停留時間為8-20s，分解爐內停留時間超過3s；

3.回轉窯內為氧化氣氛。以上特質決定水泥窯煅燒廢舊輪胎、固體廢棄物垃圾的可能性。筆者將在下文中簡述廢舊輪胎、石油焦以及生活垃圾等作為替代能源在水泥工業中的使用情況。

二、生活垃圾

2010年以來，中國取代日本成為世界第二大經濟體，中國經濟的快速發展的同時產生了許多副產品，影響了中國的環境和生態條件，城市固體垃圾Municipal Solid Waste（簡稱為MSW）就是其中一個。目前垃圾生產量以每年8%-10%的速度遞增，2015年城市生活垃圾產生量為2.6億噸，居世界首位，預計2020年中國城市垃圾產量為3.23億噸。另外，相對美國95%的無害化處理率 ，中國無害化處理率僅為63.5%，其中城市77.9%，縣城27.4%。目前國際上對生活垃圾的處理以填埋、焚燒和堆肥為主，不同國家和地區由于經濟發展，生活習慣的區別，在處理方式上有所差異。美國、意大利、英國以衛生填埋為主，丹麥、日本、荷蘭、瑞士則以焚燒為主，而芬蘭、比利時則以堆肥處理為主，但是中國主要以簡易填埋處理為主。垃圾處理方法我國主要為以填埋，占85%；其次為堆肥，約占10%；只有3%-5%為焚燒處理。但是傳統的填埋造成中國土地資源的大量浪費。2015年6月中國工業和信息化部發文《六部委關于開展水泥窯協同處置生活垃圾試點工作的通知》，旨在化解水泥產能嚴重過剩矛盾，推進水泥窯協同處置城市生活垃圾。

新型水泥生產過程中，水泥窯排放的廢氣主要包括N2，CO2，O2，H2O，CO，NxO和硫化物以及有機化合物等。而垃圾焚燒后的排放物除以上廢氣外，垃圾熔渣包含堿性物質如Na2O、K2O等，酸性物質如HCl、SO3等，還會生成重金屬銻Sb，紳As，鎘CD，鉻Cr，汞Hg，鈦Ni和釩V。氣體污染物的主要來源：氯化氫主要來自PVC的燃燒；SO2來自硫化物的燃燒；氟化氫來自氟的燃燒；和NOx來自垃圾中氮氣和空氣中氮氣的燃燒[1]。

水泥窯協同處置垃圾，由于的垃圾中Na2O、K2O、S、Cl等揮發性組分燃燒揮發而在水泥窯窯尾、分解爐、預熱器等部位富集，加劇了相關部位耐火材料的侵蝕，降低耐火材料的壽命。因此協同處理城市垃圾的水泥窯用耐火材料需要特別考慮其抗堿侵蝕性能，分解爐建議選用抗剝落高鋁磚和SiC抗結皮澆注料，而預熱器選用高強耐堿磚和高強耐堿澆注料。

水泥窯處置生活垃圾一方面是可利用垃圾中含有的熱量替代部分燃料熱量，另一方面是為了協同處置廢棄物，所以不能把垃圾純粹看成是燃料，而是為了消除城市污染物，保護環境的一種措施。所以，如果垃圾的熱值不能達到水泥煅燒要求時，還需要加煤補燃，而這種燒垃圾的方法遠比垃圾發電廠更干凈徹底，焚燒后的灰渣全部進入水泥中，成為水泥組成部分，再沒有灰渣排出。垃圾發電廠卻需要將焚燒后的飛灰（危險廢物）再進行填埋，留下二次污染隱患。

三、廢舊輪胎

中國工業和信息化部在2010年12月30日發布的《廢舊輪胎綜合利用指導意見》指出，輪胎是我國最主要的橡膠制品。2009年，我國生產輪胎消耗橡膠已占全國橡膠資源消耗總量的70%左右，年生產廢輪胎2.33億條，重量約合860萬噸，折合橡膠資源約300多萬噸。我國廢舊輪胎綜合利用產業發展還不能適應當前嚴峻的資源環境形勢的要求。據不完全統計，到2013年底我國廢舊輪胎生產量達到2.99億條，重量達到1080萬噸并以每年約8%-10%的速度在增長。如果以平均產量5000t/d的水泥生產線為例，燃料替代率40%，每年可處理廢舊輪胎約70,000t。

廢舊輪胎tire derived fuel 簡稱為TDF能源，由于含碳高、高熱值(達到35.6MJ/kg)和低水分等優勢，使得波蘭、烏克蘭等東歐國家使用廢舊輪胎作為水泥回轉窯的能源（燃料替代率達到60%以上）。其投入方式可以進行調整：廢舊輪胎可以整體投入和切成碎片投入，并且投入的位置有從窯尾預分解投入，窯尾上升煙道投入，以及回轉窯中部投入等。廢舊輪胎在水泥窯燃燒時，它的所有成分都對水泥生產有用。尤其是當完整的輪胎作為原材料時，輪胎中的強化鐵絲可以用來替代原料中的鐵元素;并且適量的ZnO可以降低水泥的燒成溫度。Puertas and Blanco-Varela指出使用TDF或者化石能源生產的水泥熟料，其化學組成沒有明顯區別，并且不同粒度的輪胎可以均可作為替代能源使用。

輪胎橡膠由60%的揮發性有機物，30%的固定碳和10%的灰飛組成。熱重分析顯示橡膠輪胎在250℃開始高溫分解，550℃結束。大體上，輪胎分解的固體灰分與水泥熟料融合。通常鐵礦石加入到水泥工藝中，但是輪胎的輪胎卷邊和鋼帶含有鐵，因此可以減少鐵礦石的加入量。但是同時卷邊和鋼帶中含有將近1.4%的鋅，將會對水泥的水化和硬化產生負面影響。

相同質量的廢舊輪胎比標煤多產生25%的熱量，即使用TDF能源替代煤時，1噸TDF燃料產生的熱量相當于1.25噸標煤。與單獨使用廢輪胎和煤作燃料相比，廢舊輪胎的使用可以明顯改善高灰煤的燃燒特性，尤其是其點火性能，表明廢輪胎與低質煤可以共同燃燒，因此使用TDF替代能源可以減少優質煤炭的使用。其次，水泥熟料生產過程中需要預防使用不同種類能源燃燒導致的氯化鉀、硫酸鉀、硫酸鈉、硫酸鈣等鹽揮發形成的結皮，

因此要注意在窯口、下料斜坡等部位使用抗結皮澆注料。

四、石油焦

近些年， 石油焦在北美水泥生產基地中用作主要能源煤的替代能源。過去幾年中，一些生產基地將石油焦和其他替代能源的比例從10-25%到100%。石油焦作為能源很重要的一個原因是經濟因素，即石油焦熱值/價格比。考慮到低廉的價格以及較高的熱值使得石油焦成為減少能源消耗的有效途徑。

     銅陵樅陽海螺水泥有限公司生物質替代燃料項目每年利用秸稈等生物質15萬噸/年，實現年節約標準煤7.3萬噸，緩解水泥工業對煤炭的依賴性，減少水泥窯煤的用量及二氧化硫、氮氧化物、溫室氣體的排放，是推進水泥生產工業“低碳、環保、減排”的有效途徑，對水泥行業節能減排和廢物資源化利用具有重要意義，具有良好的社會效益、經濟效益和環境效益。2020年，銅陵市秸稈綜合利用率由試點前的88.9%提升到92.44%。

推廣應用條件

     銅陵市企業主導、政府推動、多方參與的秸稈產業化、規模化利用模式，對秸稈產生量可進行機械化收集作業的地區具有借鑒意義。在推廣應用過程中注意以下問題：

     一是要加強秸稈禁燒和綜合利用的宣傳，制定秸稈產業化利用獎補政策，開辟秸稈及產品的運輸綠色通道。

     二是制定秸稈收儲點建設、管理標準，推進農作物聯合收獲、撿拾打捆全程機械化，為秸稈規模化、產業化利用創造條件。

三是制定秸稈等生物質在水泥企業燃料化應用技術標準，便于在水泥企業推廣應用。

該項目作為 國內水泥行業首套生物質替代燃料系統，正在試生產調試階段。后期運行中仍需對秸稈破碎輸送設備選型進行優化，并對秸稈燃燒熱值低導致替代率低、水泥窯燃燒穩定性不高，秸稈中的堿性物質導致分解爐結皮影響生產線的正常運行等問題進行進一步探索和優化。

日前，“樅陽海螺國內首條生物質替代燃料系統試生產”的消息一經發布就引起業內廣泛關注。據報道顯示，該項目是國內水泥行業首套生物質替代燃料系統，項目通過利用新型干法水泥窯的技術優勢，積極破解秸稈處理難題，項目一期正常運行后預計每年可節省原煤約4.9萬噸，同時可處理掉秸稈等生物質“廢物”約15萬噸/年，且正常運行后還將實現生物質替代燃料替代率超過40%。當前，樅陽海螺與海螺設計院及設備廠家仍在不斷的進行技術研討和交流。通過不斷調試和優化，正常運行后將實現 生物質替代燃料替代率超過40%，能有效解決分解爐結皮行業共性難題，滿足水泥熟料的大規模化生產，節約資源，降低生產成本，實現秸稈減量化、無害化處置。

該項目一期正常運行后預計 每年可節省原煤約4.9萬噸，同時可處理掉秸稈等生物質“廢物”約15萬噸/年，不僅可緩解水泥工業對煤炭的依賴性，同時可將秸稈等生物質“廢物”燃料化工藝形成技術標準，而且帶動了區域內的生物質“廢物”資源化產業發展，幫助周邊農民創收，具有良好的生態效益、經濟效益及社會效益。