富氧燃燒技術(shù)在水泥窯的應用

李明飛，陶從喜，李小金，孫于龍，陳宏艷，鄭麗雅

1 前言

水泥工業(yè)從誕生之日起至今，一直采用常規(guī)空氣作為燃料燃燒時所需的氧氣來源。因此，圍繞燃料燃燒所開展的節(jié)能技術(shù)主要是在此供氧方式基礎上對窯頭燃燒器的發(fā)展和創(chuàng)新，包括改變?nèi)紵鳉饬骱兔悍郾壤?、改變氣流的旋轉(zhuǎn)方式、增加煤粉和空氣的接觸、優(yōu)化燃燒火焰的形狀和長度以及增加煤粉的適應性等。然而，與理想的節(jié)能要求相比，目前的燃燒技術(shù)仍存在如下弊端：尾氣風量大，且該部分氣體以300～400°C的高溫廢氣形式排出（不考慮余熱發(fā)電），帶走了大量熱量（約643kJ/kg熟料）；采用空氣助燃過程中，向系統(tǒng)中引入了大量惰性氣體氮氣，該氣體不僅會帶走大量熱量，還可能導致NOx排放濃度升高，尾氣中CO2濃度降低，以致難以分離和捕集[1]。

1937年，富氧技術(shù)成功應用于底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼（Bessemer）上，這不僅是世界上最早的富氧冶煉技術(shù)[2]，也是該技術(shù)在工業(yè)上的早期研究與生產(chǎn)實踐。富氧技術(shù)發(fā)展至今，已成功應用于有色金屬冶煉、玻璃池爐、化鐵爐和鑄造爐節(jié)能等，并顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了能源消耗以及環(huán)境污染，節(jié)能率一般在5%～16%[3]。

在水泥工業(yè)中，相對于空氣供氧的燃燒技術(shù)而言，富氧燃燒也不斷顯現(xiàn)出其優(yōu)勢：該技術(shù)可以降低尾氣體積、減少該部分熱量損失、提高火焰溫度及黑度、加大火焰對物料的輻射傳熱能力、提高尾氣中的CO2濃度以利于其捕集與封存等。除此之外，該技術(shù)還存在一些潛在的優(yōu)勢，如可降低漏風量、減少窯尾結(jié)圈（或預熱器內(nèi)結(jié)皮）以及減小設備尺寸等[4]。因此，富氧燃燒技術(shù)為水泥工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟、節(jié)能減排、走綠色環(huán)保道路指出了一個新的方向，也不斷實現(xiàn)著由概念到實際應用的轉(zhuǎn)化。圍繞該技術(shù)，國內(nèi)外一些水泥企業(yè)已進行了一定的研究并取得了一些成果。比如Txi's Midlothian水泥廠、California Portland's Mojave水泥廠以及韓國的東洋水泥廠均取得了5%以上的節(jié)能率[5,6]；在國內(nèi)的水泥企業(yè)中，如山東煙臺海洋700t/d生產(chǎn)線、河南汝州天瑞5000t/d生產(chǎn)線也都取得了良好的經(jīng)濟效益。富氧燃燒技術(shù)在水泥工業(yè)中極具應用前景。

2 富氧燃燒技術(shù)方案

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把氧含量大于21%的空氣叫做富氧空氣。所謂富氧燃燒（oxygen enriched combustion，簡稱OEC），是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度時與燃料發(fā)生的化學反應的過程。按助燃劑的類型，富氧燃燒可分為局部富氧和整體富氧燃燒；按氧氣的濃度，富氧燃燒可分為低濃度（21%～30%O2）、高濃度（30%～90%）、全氧（90%～95%）直至純氧（95%～100%）燃燒。而對于富氧燃燒的工業(yè)窯爐來說，富氧空氣中的氧含量一般不超過28%～30%[7]。

2.1 富氧空氣的制取

富氧空氣的制取是富氧助燃技術(shù)實現(xiàn)應用的關(guān)鍵因素之一，也是國內(nèi)外研究的主要課題。目前，工業(yè)制氧方法大致可分為空氣冷凍分離法、變壓吸附法和膜法制氧三種方式[8]。

（1）空氣冷凍分離法。該法是利用空氣中氧氣和氮氣的沸點不同，從空氣中制備氧氣的方法。首先，把空氣預冷、凈化（去除空氣中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氫化合物等氣體和灰塵等雜質(zhì)），然后壓縮、冷卻，使之成為液態(tài)空氣。其次，在精餾塔中把液態(tài)空氣多次蒸發(fā)和冷凝，最終將氧氣和氮氣分離。

（2）變壓吸附法。變壓吸附法是利用氮分子大于氧分子的特性，使用特制的分子篩把空氣中的氧分離出來。首先，用壓縮機迫使干燥的空氣通過分子篩，空氣中的氮分子即被分子篩所吸附，氧氣進入吸附器內(nèi)，當吸附器內(nèi)氧氣達到一定量（壓力達到一定程度）時，即可打開出氧閥門放出氧氣。

（3）膜法制氧。其原理為：在膜兩側(cè)的氣體分壓差推動下，分子通過膜向化學勢降低的方向運動至膜的外表層上并溶解于膜中，然后擴散至膜的內(nèi)表面層進行解吸。由于O2通過膜的速率大于N2通過膜的速率，因此O2率先通過膜表面，而大部分N2直接從排氣孔排入大氣，從而達到氣體分離的目的。

考慮到新型干法窯的實際情況、以及制氧成本、設備維護等方面的因素，不管從操作角度還是投資成本，膜法制氧均具有明顯的優(yōu)勢[9]。因此，在現(xiàn)代中小型水泥生產(chǎn)線上使用膜法制氧，是較為經(jīng)濟可行的制氧方式。

2.2 富氧燃燒技術(shù)實施方法

由于新型干法水泥生產(chǎn)線用氣量較大，以現(xiàn)有的制氧技術(shù)，很難實現(xiàn)全富氧助燃，因此，在水泥生產(chǎn)線中，一般采用局部富氧燃燒技術(shù)[10]，主要包括以下幾種形式：

（1）用富氧空氣代替原窯頭一次風和窯頭、窯尾送煤風，通過煤粉與富氧空氣的充分混合來加強燃燒效果，從而提高煤粉的燃盡率與火焰溫度。

（2）用專門的設備把富氧氣體通入回轉(zhuǎn)窯并以一定的角度噴入，使窯內(nèi)缺氧區(qū)域富集較高濃度的富氧氣體，從而加強燃燒和穩(wěn)定火焰形狀。

（3）用富氧空氣代替窯頭煤風與窯尾煤風。這種助燃方案主要應用于產(chǎn)氣量較小的情況。

3 富氧燃燒技術(shù)在某水泥廠的應用實例

為了進一步降低水泥生產(chǎn)成本，國內(nèi)某水泥廠加裝了由國內(nèi)一知名公司生產(chǎn)的2500型富氧助燃節(jié)能裝置。在富氧設備正常運行后，我們對該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)進行了現(xiàn)場熱工測試，并分析了富氧燃燒技術(shù)對該廠水泥窯運行過程中的助燃及節(jié)能減排效果。

3.1 制氧流程

該廠采用了國內(nèi)外廣泛使用的低能耗、高流量的膜法制氧系統(tǒng)，流程圖如圖1所示。首先，將普通空氣經(jīng)過噴淋式空氣過濾器濾除粉塵顆粒及油污等雜質(zhì)后，用增壓風機送入富氧膜分離裝置，通過羅茨真空機組抽真空，使富氧膜分離裝置形成負壓，在壓力差的作用下，使?jié)B透速率較快的氧氣率先被分離出來，產(chǎn)生氧氣含量為26%±1%的富氧空氣，通過窯頭羅茨風機、三次風管和窯尾煤風管道分別進入回轉(zhuǎn)窯和分解爐進行富氧燃燒；其次，在窯頭燃燒器噴油管內(nèi)通入由分子篩制氧設備提供的濃度為38%的富氧空氣。

3.2 測試方法

測試和計算方法依據(jù)GB/T 26282-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡測定方法》和GB/T 26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》的要求進行。各種物料的化學分析及煤的工業(yè)分析均以測試期間現(xiàn)場取樣為基準。測試儀器主要有S型皮托管（R1,R2,R3）、鎧裝K型熱電偶（R4）、testo 512數(shù)字壓力計（R5,R6）、testo 435數(shù)字壓力計（R7）、數(shù)字壓力計（R8）、MRU 1600S-IV氣體分析儀（R9）以及火焰溫度測試儀等。

3.3 結(jié)果與分析

為了數(shù)據(jù)的真實可靠，全面反映加富氧前后整個燒成系統(tǒng)熱工參數(shù)的變化，本測試數(shù)據(jù)包括加富氧前和加富氧后兩個階段，對每個階段各測得2～3組數(shù)據(jù)并加以分析。

（1）窯尾廢氣管道的風量。在整個富氧前和富氧后的測試期間內(nèi)，高溫風機的拉風均處于正常的操控水平，閥門開度為97%。從表1所給廢氣總管風量的測試結(jié)果可以看出，加富氧前后廢氣總管所測的風量、風溫和風壓變化較小。這說明加富氧后不會對系統(tǒng)拉風造成較大影響。

（2）加富氧前后的氣體成分。從圖2所示的氣體成分可以看出，加富氧后，各測試點的氧含量明顯上升。加富氧前后窯尾煙室均僅含有極少量的CO，說明該生產(chǎn)線窯頭煤粉燃燒比較充分，但分解爐有時會存在不完全燃燒的現(xiàn)象，通入富氧空氣后，分解爐煤粉燃燒情況有所好轉(zhuǎn)。加富氧前后窯尾煙室和分解爐出口的NOx含量略有增加，但預熱器出口變化不大。

圖1 富氧燃燒流程圖

表1 加富氧前后廢氣總管風量的測試

圖2 富氧前后氣體成分對比圖

（3）各測點的溫度。圖3為加富氧前后各測點溫度的對比。可以看出，該生產(chǎn)線煙室的溫度較高，有時甚至超過1300℃；加富氧后煙室、二次風和三次風的溫度高于不加富氧時測試的溫度，加富氧后窯頭火焰的溫度有較大幅度的提升，最高達到1920℃，且窯頭火焰明顯變亮。

（4）NOx的排放濃度。圖4是將窯尾煙囪中NOx濃度折算為10%基準氧含量下的對比圖。從測試的窯尾煙囪排放濃度分析，由于有時存在不完全燃燒產(chǎn)生的CO，造成NOx的排放濃度波動較大[11]。在不完全燃燒狀態(tài)下，加富氧前后NOx的排放濃度均在300～400 ppm左右；而在完全燃燒狀態(tài)下，加富氧前后的排放濃度在450～550 ppm左右。由此可以得出，加富氧后，窯尾煙囪廢氣中NOx含量變化不大。

（5）熟料的3d強度。表2是加富氧前后熟料3d強度的對比情況。從表中可以看出，加富氧后，第一天和第二天熟料3d強度略微上升。綜合來看，加富氧后熟料3d強度略有上升。

（6）加富氧后系統(tǒng)的節(jié)能量。經(jīng)72h連續(xù)無富氧運行測試，平均產(chǎn)熟料2942t/d，投生料4744t/d，轉(zhuǎn)子秤耗煤141.16kg/t熟料。又經(jīng)72h連續(xù)加富氧運行測試，平均產(chǎn)熟料2992t/d，投生料4680t/d，轉(zhuǎn)子秤耗煤133.53kg/t熟料。富氧系統(tǒng)耗電量折算為標煤后的值為0.4tce/t熟料。

加裝富氧助燃設備后，依據(jù)GB/T 26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》及GB/T13234-2009《企業(yè)節(jié)能量計算方法》，系統(tǒng)的節(jié)能量按單項技術(shù)節(jié)能量計算可表示為：

表2 加富氧前后熟料3d強度的對比

圖3 加富氧前后各測點溫度測試結(jié)果分析

圖4 加富氧前后窯尾煙囪NOx排放濃度對比圖

式中：

ΔEo——加裝富氧助燃設備的節(jié)煤量，tce

eo——加裝富氧助燃設備前的單位熟料標煤耗，tce/t熟料

ef——加裝富氧助燃設備后的單位熟料標煤耗，tce/t熟料

em——富氧助燃設備的耗電量折算為標煤后的值，tce/t熟料

Mo——加裝富氧助燃設備前的年熟料產(chǎn)量（按運行330 d計算），t

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得到一年內(nèi)的節(jié)煤量為：

加裝富氧助燃設備后凈節(jié)煤率εc按產(chǎn)品節(jié)能率計算可表示為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到:

即加裝富氧助燃設備后，該生產(chǎn)線的凈節(jié)煤率為5.12%。

4 結(jié)語

（1）加裝富氧助燃設備后，窯頭火焰溫度明顯提高。在窯頭可視處同一位置進行對比測試時發(fā)現(xiàn)，加富氧的火焰溫度最高達到1920℃以上，從而可以有效改善窯內(nèi)的煤粉燃燒狀況，有利于水泥熟料的煅燒，對提高熟料質(zhì)量有利。

（2）加裝富氧助燃設備后，窯尾煙囪的NOx排放濃度變化不大。

（3）加裝富氧助燃設備后，該生產(chǎn)線分解爐煤粉的不完全燃燒狀況有所緩解，但沒有發(fā)生根本性的改變，如果能夠繼續(xù)減小或取消進入二次風的富氧流量，加大進入分解爐中的富氧氣體流量，加富氧后的節(jié)能效果會有進一步的提升。

（4）從加裝富氧助燃設備前后熟料的質(zhì)量分析，加富氧后熟料的質(zhì)量略有提高。

（5）加富氧后生產(chǎn)線用煤量明顯降低，節(jié)能效果明顯，單位熟料標煤耗減少了7.63 kgce/t?？鄢谎踹\行時所消耗的電耗，節(jié)煤率最高可達5.12%。

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