富氧燃燒技術(shù)在水泥企業(yè)應(yīng)用的探討

干志強(qiáng)（西南水泥有限公司，四川 成都 610000）

1 富氧燃燒技術(shù)概述

通常將氧氣含量大于21%的空氣稱為富氧空氣，富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)新型的適用于各種工業(yè)鍋爐（窯爐）的節(jié)能集成技術(shù)，將富氧空氣送入燃燒區(qū)，提高燃燒區(qū)域的氧氣濃度，提高燃料的燃燒速率，提高火焰溫度，達(dá)到減低燃料消耗，提高產(chǎn)品產(chǎn)量等效果。

2 富氧燃燒在水泥行業(yè)的發(fā)展

富氧燃燒技術(shù)在很多行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，富氧空氣參與助燃具有節(jié)能效果，近年來(lái)，水泥行業(yè)對(duì)富氧燃燒的應(yīng)用日益關(guān)注。

在對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)線的能耗指標(biāo)對(duì)標(biāo)中發(fā)現(xiàn)，節(jié)能降耗存在一定空間，其中燃料(煤)及電的消耗和國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，目前余熱發(fā)電技術(shù)降低了一部分電力的成本，而煤耗大的問(wèn)題卻一直在困擾著企業(yè)。相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)為借助富氧燃燒，構(gòu)建一個(gè)針對(duì)回轉(zhuǎn)窯整體的控制系統(tǒng)，合理調(diào)配、使用富氧空氣，可以提高燃料的完全燃燒效率，促進(jìn)劣質(zhì)煤替代優(yōu)質(zhì)煤，有效降低熟料(水泥)的成本。

3 空氣分離富氧方法

目前，空氣分離富氧方法主要有三種，即深冷法、變壓吸附法和膜法，深冷法由于投資、不適用水泥行業(yè)等原因本文不做討論。表1是對(duì)膜法和變壓吸附法進(jìn)行的比較。

3.1 變壓吸附方法

空氣中的主要組份是氮和氧，通過(guò)選擇對(duì)氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，使氮和氧分離制得氧氣。氮?dú)庠诜肿雍Y上的吸附能力比氧氣強(qiáng)，當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過(guò)裝有分子篩吸附劑的吸附床時(shí)，氮?dú)獗环肿雍Y吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮?dú)夥蛛x獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)庵两咏柡秃?，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮?dú)饪梢越馕鰜?lái)，分子篩得到再生并重復(fù)利用。兩個(gè)以上的吸附床輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。（見(jiàn)圖1）

表1 膜法制氧與變壓吸附制氧的對(duì)比

3.2 膜滲透法

膜分離法富氧是利用高分子薄膜對(duì)氧氣、氮?dú)膺x擇性透過(guò)的特性，即透過(guò)氧氣多，透過(guò)氮?dú)馍賉1]。這種透過(guò)氣體的特性稱薄膜的透氣性。透過(guò)富氧膜組件產(chǎn)生富氧空氣，進(jìn)入氣水分離器，再經(jīng)脫水罐脫水，由增壓風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)富氧預(yù)熱器預(yù)熱，由管道輸送到爐前的富氧噴嘴，再進(jìn)人爐膛，參與助燃（見(jiàn)圖2）。

圖1 變壓吸附富氧機(jī)組原理圖

圖2 膜法制氧原理圖

4 富氧煅燒技術(shù)在熟料生產(chǎn)中的節(jié)煤機(jī)理

由于燃料在富氧中能夠充分燃燒，熱輻射會(huì)迅速增強(qiáng)，從而提高了燃料的燃燒速度和燃盡率。富氧煅燒將燃料本身具有的能量比較集中的釋放出來(lái)，減小了燃燒的邊際效應(yīng)，減少了由于不完全燃燒導(dǎo)致的浪費(fèi)，通過(guò)提高燃料能量的利用率實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。同時(shí)，也可在一定程度上減少燃燒用風(fēng)提高火點(diǎn)溫度、減少?gòu)U氣排放降低熱能損失。

4.1 煤粉在不同氧含量中的燃燒實(shí)驗(yàn)

煤粉在不同氧的體積分?jǐn)?shù)下的實(shí)驗(yàn)所得DTG曲線如圖3。氧的體積分?jǐn)?shù)φ(O)的增加使得試樣的DTG曲線向低溫區(qū)移動(dòng)，也就是著火溫度降低，且最大質(zhì)量損失速率隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，說(shuō)明煤的活性隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增大得到增強(qiáng)。煤樣燃燒的平均質(zhì)量損失率也隨氧的體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，這說(shuō)明隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增加，煤樣從開(kāi)始燃燒到燃盡所需的燃燒時(shí)間縮短，煤中易燃物質(zhì)整體燃燒速率得到提高。還可看到，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增大，燃燒曲線的后部尾端變陡，即煤的燃盡性能提高。

圖3 煤在不同氧的體積分?jǐn)?shù)的DTG曲線

4.2 富氧助燃能提高火焰的絕對(duì)溫度

富氧空氣的助燃，直接影響到燃燒溫度，在富氧空氣狀態(tài)下，燃料的燃燒溫度起了變化。煤炭的低發(fā)熱值越高，在同等的富氧率情況下，火用損失就越少，煤炭的節(jié)約率也就越高。

4.3 富氧助燃能提高爐內(nèi)火焰溫度

在常規(guī)燃燒時(shí)，空氣中僅有21%的氧氣參與燃燒過(guò)程，而約為79%的氮?dú)庠谖樟舜罅咳紵磻?yīng)放出的熱量后[3]，卻作為煙氣排出，造成能源浪費(fèi)。富氧濃度與火焰溫度及相對(duì)效益的關(guān)系如圖4。

圖4 富氧濃度與火焰溫度及相對(duì)效益的關(guān)系圖

加裝富氧助燃節(jié)能裝置后，因氮?dú)饬繙p少，空氣量及煙氣量均顯著減少，故火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，進(jìn)而提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱。

表2 低熱值煤炭在不同全富氧濃度中的燃燒溫度

如當(dāng)空氣中氧氣的濃度為25%時(shí)，火焰的黑度經(jīng)計(jì)算為0.2245，增加約6%；同時(shí)水泥回轉(zhuǎn)窯燃燒帶火焰對(duì)物料的輻射傳熱量提高約20.4%。

4.4 富氧助燃能加快燃燒速度促進(jìn)燃燒完全

燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，富氧的效果雖不及純氧，但促進(jìn)燃燒的原理是相同的。加裝富氧助燃節(jié)能裝置后，不僅可以提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時(shí)溫度提高后，有利于強(qiáng)化燃燒，促進(jìn)燃燒完全，減少不完全燃燒導(dǎo)致的浪費(fèi)。

4.5 富氧助燃能降低燃料的燃點(diǎn)溫度

燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)，它與燃燒狀況、受熱速度、環(huán)境溫度等有關(guān)，所以，用富氧助燃能降低燃料的燃點(diǎn)，提高燃燒的集中度和火焰強(qiáng)度，減少燃燒的邊際效應(yīng)，增加燃燒釋放熱量的利用率。

4.6 富氧助燃能減少燃燒后的排氣量

用普通空氣助燃，只有約五分之一的氧氣參與燃燒，約五分之四的氮?dú)獠坏粎⒂谌紵?，還要帶走大量的熱量。如用富氧燃燒，氮?dú)饬肯鄳?yīng)減少，故燃燒后的排氣量亦減少，熱損失減少，從而提高了燃燒效率。一般來(lái)講，燃燒用空氣的氧濃度每增加1%，煙氣量約下降2%～4.5%，從而能提高燃燒效率等。

5 富氧燃燒技術(shù)降低成本粗略計(jì)算

通過(guò)與國(guó)內(nèi)多家具備富氧燃燒技術(shù)的單位交流及初步測(cè)算，水泥企業(yè)使用富氧燃燒技術(shù)可以達(dá)到[2]：

1）熟料實(shí)物煤耗按160kg/t熟料計(jì)算，富氧煅燒節(jié)煤率按7%計(jì)算，進(jìn)廠原煤成本按600元/噸計(jì)算，噸熟料可降低成本6.72元。

2）膜法富氧耗電按5.0kwh/t熟料計(jì)算，變壓吸附按2.5kwh/t計(jì)算，供電價(jià)格按0.55元/kwh計(jì)算，膜法增加成本2.75元，變壓吸附增加成本1.37元。

3）對(duì)余熱發(fā)電的影響和SNCR脫銷成本可忽略不計(jì)。

4）因使用富氧燃燒技術(shù)可提產(chǎn)，導(dǎo)致熟料電耗的降低未計(jì)算在內(nèi)。

5）因使用富氧燃燒技術(shù)可提高熟料質(zhì)量，導(dǎo)致水泥熟料料耗的降低未計(jì)算在內(nèi)。

6）因使用富氧燃燒技術(shù)可使用采購(gòu)價(jià)格較低的劣質(zhì)煤，導(dǎo)致噸熟料煤炭成本的降低未計(jì)算在內(nèi)。

6 考察案例

6.1 天津塘沽區(qū)某冶煉企業(yè)“變壓吸附法”制氧站

1）變壓吸附制氧法：VPSA－1870制氧系統(tǒng)，利用VPSA專用分子篩，選擇性吸附空氣中的氮?dú)?、二氧化碳和水等雜質(zhì)，在抽真空的條件下對(duì)分子篩進(jìn)行解吸，從而循環(huán)制得純度較高的氧氣(90%-94%)。

2）工藝流程：用真空泵（羅茨風(fēng)機(jī)）將大氣鼓進(jìn)兩個(gè)吸附罐，利用吸附罐內(nèi)吸附劑對(duì)特定氣體的吸附和脫吸附能力，將空氣中氧氣分離，再經(jīng)過(guò)氧壓機(jī)將氧氣壓縮后，輸送至使用端。

3）設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)：設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量≥1870 Nm3/h；實(shí)際產(chǎn)氣量2000 Nm3/h。設(shè)計(jì)產(chǎn)氧氣純度：≥90%-94%；實(shí)際產(chǎn)氧氣純度：94%。裝機(jī)容量1010KW；制氧綜合電耗：0.50－0.55KWh/Nm3/h 。

4）運(yùn)行情況：運(yùn)行正常， 日常維修較少，已運(yùn)行7年，提高冶煉產(chǎn)量、純度。

6.2 北京某水泥企業(yè)

該水泥廠“膜法”制氧設(shè)備在2013年4月剛投入前期運(yùn)行，考察時(shí)制氧設(shè)備處于停機(jī)整改階段，前期一直處于設(shè)備調(diào)試階段，只設(shè)計(jì)了投入分解爐部分，據(jù)介紹，投入后尾煤有明顯的下降，但制氧的效果受外界氣溫影響較大。

1）設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量：≥2600Nm3/h；

2）實(shí)際產(chǎn)氣量：2600－3000Nm3/h；

3）設(shè)計(jì)產(chǎn)氧氣純度：≥27% ；

4）實(shí)際產(chǎn)氧氣純度：27.9% ；裝機(jī)容量：300KW。

5.3 河南某水泥企業(yè)熟料線富氧煅燒生產(chǎn)實(shí)踐效果

該企業(yè)Φ4.8×72m水泥回轉(zhuǎn)窯，應(yīng)用的富氧制氣系統(tǒng)為一套MZYR-12000型富氧裝置，設(shè)備占地面積319m2（29×11m），場(chǎng)地不含電器設(shè)備安裝面積；冷卻水消耗量為43.5×2t/h，水溫不超過(guò)30度；富氧設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度為0～40℃。

1）爐窯運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

加裝富氧助燃裝置前，用紫外線測(cè)溫測(cè)試的火焰溫度為1380℃～1450℃，加裝富氧助燃裝置后，火焰溫度為1580℃～1600℃，火焰溫度平均增加150℃以上。加裝富氧助燃裝置前，二次風(fēng)溫度為1050℃～1100℃，加裝富氧助燃裝置后，二次風(fēng)溫度為1144℃～1194℃，平均為1153℃，二次風(fēng)溫度提高100℃。

2）節(jié)煤效果測(cè)試

經(jīng)120小時(shí)連續(xù)無(wú)富氧運(yùn)行測(cè)試，共投生料46674噸，折算熟料29919噸，平均日產(chǎn)5983.6噸熟料，平均噸熟料轉(zhuǎn)子秤耗煤138.94公斤。經(jīng)144小時(shí)連續(xù)加富氧運(yùn)行測(cè)試，共投生料56259噸，折算熟料36063噸，平均日產(chǎn)6010噸熟料，平均噸熟料實(shí)物耗煤127.58公斤。經(jīng)反復(fù)對(duì)比測(cè)試，最終節(jié)煤效果達(dá)到8.18%。

3）富氧系統(tǒng)運(yùn)行耗電量，19～24日富氧裝置總用電量為219963kwh，期間熟料總產(chǎn)量為36063噸，富氧裝置噸熟料電耗為6.1kwh/t熟料。

4）該企業(yè)分別進(jìn)行了無(wú)富氧、有富氧運(yùn)行測(cè)試，加富氧后窯的煅燒能力明顯提高，熟料28d抗壓強(qiáng)度無(wú)富氧為50.4MPa，有富氧53.2MPa，有富氧運(yùn)行抗壓強(qiáng)度提高2.8MPa，熟料還原料明顯減少，顏色明顯改善。

5）爐窯操作運(yùn)行穩(wěn)定、窯內(nèi)熱負(fù)荷穩(wěn)定，窯皮平穩(wěn)，熟料質(zhì)量穩(wěn)定，有提高熟料產(chǎn)量的能力，不影響低溫余熱發(fā)電工作，向大氣排放的主要指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，富氧系統(tǒng)實(shí)際耗電6.0KWh/t熟料。

7 結(jié) 語(yǔ)

富氧燃燒技術(shù)在水泥企業(yè)屬于起步階段，但制氧工藝已比較成熟，目前變壓吸附法和膜法兩種工藝，各具優(yōu)勢(shì)。使用富氧燃燒技術(shù)可在一定程度起到節(jié)煤、提產(chǎn)、提升熟料質(zhì)量等效果，但生產(chǎn)線采用富氧燃燒的前提是：生產(chǎn)線工藝狀況穩(wěn)定，原燃材料穩(wěn)定，生產(chǎn)管理和操作技能的規(guī)范化、制度化，才能夠?qū)崿F(xiàn)富氧燃燒精細(xì)化的調(diào)整、控制、管理。富氧燃燒技術(shù)在水泥行業(yè)運(yùn)用，雖然是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，也是水泥熟料生產(chǎn)企業(yè)降低熟料煤耗最有效的措施之一，但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)富氧燃燒技術(shù)仍處于起步階段，企業(yè)應(yīng)在考慮企業(yè)資金投入風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)根據(jù)自身企業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行嘗試探索。

[1]沈光林 膜法富氧技術(shù)用于節(jié)能研究 [J]節(jié)能，1996，(9):29-30

[2]丁強(qiáng) 富氧燃燒在水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)上的應(yīng)用理論 [J]科技信息 2010(16)

[3]王松雪 膜分離技術(shù)及應(yīng)用 [M]北京:科學(xué)出版社，1994，(4)