純氧燃燒技術(shù)在水泥旋窯的應(yīng)用分析

梅朝鮮

綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（621000）

1 純氧燃燒的的概念

所謂純氧燃燒，就是把燃料與85%～100%純氧按預(yù)定燃料比混合，以更精確的方式來(lái)進(jìn)行燃燒的技術(shù)。

2 純氧燃燒技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

純氧燃燒技術(shù)最早主要被應(yīng)用于熔塊行業(yè)及窯齡較長(zhǎng)的玻璃窯上以維持產(chǎn)量或延長(zhǎng)窯的壽命，到了上世紀(jì)80年代末純氧燃燒技術(shù)在玻璃熔窯中作為更好的選擇方案已逐漸取代常規(guī)空氣燃燒技術(shù),這是因?yàn)榧冄跞紵粌H能大大降低NOx、C02、粉塵等污染物的排放，而且在節(jié)能、提高產(chǎn)量和質(zhì)量、減少設(shè)備投資和節(jié)省廠房場(chǎng)地等諸多方面都有良好的表現(xiàn)。近年來(lái)在玻璃窯上應(yīng)用純氧燃燒在歐美已成為一種趨勢(shì)，應(yīng)用范圍覆蓋各種玻璃產(chǎn)品和窯型。目前深圳、長(zhǎng)沙、馬尾、安陽(yáng)、鄭州、石家莊等玻殼廠及部分日用玻璃廠都采用了純氧燃燒技術(shù)。

而在水泥廠,目前還是主要采用常規(guī)空氣燃燒技術(shù)，以下將對(duì)其采用純氧燃燒技術(shù)的可行性及優(yōu)越性進(jìn)行探討。

3 純氧燃燒技術(shù)在水泥旋窯的應(yīng)用分析及優(yōu)越性

3.1 熱效率提高

因空氣中氧氣只占21%,空氣助燃時(shí)79%的無(wú)用氣體要被加熱然后又被排放，因此熱效率很低。而純氧燃燒時(shí)煙氣量大大減少，其帶走的熱量相應(yīng)減少。假設(shè)出預(yù)熱器廢氣溫度為300℃，此溫度下氮?dú)獾钠骄葻崾?1.313 KJ/m3·℃，每立方米氮?dú)鈳ё叩臒崃渴?300×1.313=393.9 KJ。采用純氧燃燒時(shí)，每引入 1 m3氧氣，相當(dāng)于節(jié)省的熱量是 393.9×79/21=1481 .8 KJ。

3.2 傳熱效率提高

高溫狀態(tài)下主要以輻射傳熱為主。對(duì)分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體如氮?dú)猓∟2），在工業(yè)上常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)發(fā)射和吸收輻射能的能力很小,可以看作是熱輻射的透明體，幾乎無(wú)輻射能力。而對(duì)于多原子（三原子以上）的氣體如二氧化碳CO2和水蒸氣H2O或不對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體如一氧化碳CO等，一般都具有相當(dāng)大的輻射能力。水泥旋窯基本以煤為燃料，若采用空氣助燃，由化學(xué)反應(yīng)方程式 C（s）+O2（g）=CO2（g）,即 1體積的氧氣大約轉(zhuǎn)變?yōu)?體積的二氧化碳?xì)怏w，因此，煙氣中無(wú)輻射能力的氮?dú)膺€是占絕大部分。而純氧燃燒的煙氣產(chǎn)物中主要是二氧化碳CO2和水蒸氣H2O，很顯然，純氧燃燒的傳熱效率要高于空氣助燃的傳熱效率。

3.3 窯內(nèi)氣體流速大大降低

由于純氧燃燒時(shí)煙氣量大大減少,對(duì)一確定尺寸的窯,窯內(nèi)氣體流速與煙氣量是呈正比例的,因此，煙氣量減少多少,則流速降低多少。流速降低則可降低窯內(nèi)揚(yáng)塵,揚(yáng)塵的減少,相當(dāng)于是提高了窯的產(chǎn)量，降低最后一級(jí)旋風(fēng)筒的負(fù)荷。

3.4 更環(huán)保

空氣中含有大量的氮?dú)?燃燒時(shí)產(chǎn)生有毒的NOx等污染物。純氧燃燒由于幾乎沒(méi)有氮?dú)鈪⑴c，因此也幾乎不會(huì)產(chǎn)生NOx等污染物。而且純氧燃燒時(shí)煙氣量大大減少，窯內(nèi)氣體流速降低，從而降低窯內(nèi)揚(yáng)塵，也必然降低粉塵的排放。因此，純氧燃燒技術(shù)更環(huán)保。

3.5 降低漏風(fēng)量

前面已提到，以煤為燃料的水泥窯，消耗1體積的氧氣大約轉(zhuǎn)變?yōu)?體積的二氧化碳?xì)怏w，因此，煙氣中的氮?dú)夂繋缀醪蛔?，即與空氣中的含量相近，約79%。也就是說(shuō)，采用純氧燃燒時(shí)窯尾風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量將減少79%,則預(yù)熱器系統(tǒng)各級(jí)負(fù)壓值均會(huì)降低，漏風(fēng)量也隨之降低。

3.6 可減少窯尾結(jié)圈或預(yù)熱器內(nèi)結(jié)皮

當(dāng)窯尾或預(yù)熱器內(nèi)溫度偏高，可使生料液相提前出現(xiàn)，從而容易產(chǎn)生結(jié)皮，這是產(chǎn)生結(jié)皮的原因之一。而燃料（煤粉）燃燒不充分，有些燃料隨氣體流入窯尾或預(yù)熱器中繼續(xù)燃燒，常造成窯尾或預(yù)熱器內(nèi)溫度偏高。若采用純氧燃燒則可避免，原因有二:1)窯內(nèi)氣體流速大大降低，燃料顆粒難以進(jìn)入窯尾或預(yù)熱器；2)由于氧氣濃度極高，煤粉燃燒速度快且充分。在800℃以下，碳的燃燒速度v由化學(xué)反應(yīng)控制，只與空氣中氧的濃度[O2]成正比，其反應(yīng)速度方程式一般認(rèn)為是v＝k[O2]。若空氣中氧氣的的濃度是21%,假設(shè)純氧中氧的濃度為85%,顯然采用純氧燃燒時(shí)碳的燃燒速度比空氣助燃要快85/21≈4倍。

3.7 可減小預(yù)熱器的尺寸

《水泥預(yù)分解技術(shù)與熱工系統(tǒng)工程》一書(shū)中提到預(yù)熱器的尺寸的確定:

試中:Q—筒內(nèi)氣體流量m3/s；VA—假想截面風(fēng)速m/s。

可以看出，旋風(fēng)筒直徑D與旋風(fēng)筒內(nèi)氣體流量的平方根成正比，若流量減少 79%，即 Q=0.21Q原，則 D=0.46D原，旋風(fēng)筒直徑D可減小約一半。設(shè)備尺寸減少，必然可降低在設(shè)備上的投資。

分解爐內(nèi)截面平均風(fēng)速一般在一定的范圍內(nèi),變化不大。顯然，流量減少79%，分解爐內(nèi)徑可縮減為原來(lái)的0.46。若采用原有的分解爐，由空氣助燃改為純氧燃燒，因爐內(nèi)截面平均風(fēng)速不變，必大大增加氧氣含量，就可大大增加燃料噴入量，也就可大大提高分解爐的產(chǎn)量。

以上是筆者對(duì)純氧代替空氣在水泥旋窯中的燃燒作了有利一面的分析，但也要認(rèn)識(shí)到不利的一面。一是氧氣的成本,目前制備1 Nm3氧氣消耗的電能約0.5 kWh,相當(dāng)于1800 kJ。不過(guò)大部分可由節(jié)省氮?dú)鈳ё叩臒崃?481 .8 kJ所抵消?？紤]到其它有利因素（如環(huán)保、降低漏風(fēng)量、減小預(yù)熱器的尺寸等），從經(jīng)濟(jì)上講是可行的。其次是熟料的冷卻，目前熟料主要采用篦式冷卻機(jī)進(jìn)行冷卻,冷卻熟料后的熱風(fēng)除一部分二次風(fēng)滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)窯用，一部分三次風(fēng)滿(mǎn)足分解爐用外,必須有一部分冷卻后的熱空氣也即是余風(fēng)需要放走。顯然，燃燒系統(tǒng)所需的純氧量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足熟料冷卻的要求的。筆者認(rèn)為這一問(wèn)題的解決方法為:純氧可不用去作為冷卻熟料的氣體，完全由空氣去完成就行了,多出的余熱空氣用于余熱發(fā)電即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

純氧燃燒技術(shù)在水泥窯上的應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上有很多有利的因素。

但是,純氧燃燒技術(shù)在水泥旋窯要真正的應(yīng)用還有很多問(wèn)題，還有待在開(kāi)發(fā)、研究過(guò)程中不斷地去解決。

[1]趙乃仁.水泥熟料煅燒中的熱經(jīng)濟(jì)[J].中國(guó)水泥,2009,9(088):64.

[2]大連工學(xué)院無(wú)機(jī)教研室編.無(wú)機(jī)化學(xué)上冊(cè)[M].高等教育出版社,1982,6.

[3]陳全德等編著.水泥預(yù)分解技術(shù)與熱工系統(tǒng)工程 [M].中國(guó)建材出版社出版,1998.