富氧燃燒技術(shù)和有色火法冶金“碳達(dá)峰”

華志宇，楊云冬，王 斌

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，云?呈貢 650000)

0 引 言

習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上的講話當(dāng)中表示，中國(guó)將提高我國(guó)自主貢獻(xiàn)，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳力爭(zhēng)“2030排放達(dá)到峰值、2060年努力爭(zhēng)取碳中和”。

目前，中央把“碳達(dá)峰、碳中和”工作列為八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。習(xí)近平總書記在2021年4月22日“世界地球日”領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)視頻會(huì)議上發(fā)表了《共同構(gòu)建人與自然生命共同體》的講話，“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”是基于推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出的重大戰(zhàn)略決策。

與歐洲相比，其在20世紀(jì)90年代就達(dá)到峰值，是一個(gè)自然而然的過程，是在事后才知道碳達(dá)峰，并經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期過程后才開始二氧化碳排放緩慢下降，開始走向碳中和。

然而，石化能源在我國(guó)總能源占比高達(dá)80 %，二氧化碳排放仍在攀升，至今沒有看到峰頂；同時(shí)，我國(guó)的單位GDP碳強(qiáng)度是世界平均水平的3倍多，是歐盟的6倍；故我國(guó)需參照國(guó)外相關(guān)的政策、市場(chǎng)、技術(shù)等方面，來實(shí)現(xiàn)具有中國(guó)特色的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場(chǎng)，加快石化能源低碳轉(zhuǎn)型需要對(duì)現(xiàn)存的能源消費(fèi)和利用方式進(jìn)行重塑，在消費(fèi)、供給、輸送、儲(chǔ)存、市場(chǎng)機(jī)制等環(huán)節(jié)均面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，需要開展技術(shù)創(chuàng)新，以提供高效的解決方案。

提高石化能源的使用效率，是目前我國(guó)激發(fā)更多創(chuàng)新活力、從根本上支撐碳達(dá)峰愿景實(shí)現(xiàn)的有力措施之一，而富氧燃燒技術(shù)則是一種有色火法冶金實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”可靠的技術(shù)手段。

1 富氧燃燒技術(shù)

近20年，隨著國(guó)際能源供應(yīng)趨緊和能源價(jià)格的日益高漲，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量的人力物力研究富氧燃燒技術(shù)，均得出節(jié)能、增產(chǎn)、提高品質(zhì)、減少煙塵排放、減少二氧化碳排放、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的結(jié)論。我國(guó)在工業(yè)窯爐、火力發(fā)電方面就富氧燃燒進(jìn)行助燃、節(jié)能，也取得了一定的技術(shù)進(jìn)步，目前主要應(yīng)用于火力發(fā)電廠燃煤鍋爐、玻璃行業(yè)、水泥爐窯等方面，在富氧度23 %～30 %情況下，可節(jié)能10 %～45 %。

1.1 富氧燃燒理論

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣中氧氣的體積含量約為20.93 %，氮?dú)饧s為79 %，另外存在極少量惰性氣體；真正參與燃燒有用的氧氣只占空氣總量的五分之一，占了空氣總量五分之四的氮?dú)獠坏恢?，反而在燃燒排放還帶走了大量的熱能，嚴(yán)重制約了各種工業(yè)與民用爐窯的熱效率。在燃燒爐使用了富氧燃燒后，通過減少無用氣體含量來降低熱損失外，同時(shí)也改善了爐膛內(nèi)部的熱場(chǎng)分布。富氧助燃通過增強(qiáng)燃料的燃燒強(qiáng)度、加快燃料的燃盡速度、提高燃料的熱量釋放效率，具有明顯的“碳達(dá)峰、碳減排”效益。

在爐窯內(nèi)的氧含量增加4 %～5 %，爐窯內(nèi)火焰溫度一般可升高200～300 ℃。也就是說，當(dāng)爐窯內(nèi)氧含量為20.93 %時(shí)，一般爐窯，如回轉(zhuǎn)窯，工作溫度1 250 ℃，當(dāng)富氧度達(dá)到25 %～26 %時(shí)，窯內(nèi)工作溫度可達(dá)到1 400 ℃，大大提高爐窯的工作效率。

1.2 富氧燃燒種類

富氧燃燒目前按照富氧形式，可分為以下4類。

1.2.1 氧氣噴槍噴吹燃燒

氧氣噴槍噴吹燃燒就是利用氧氣噴槍直接在燃燒室內(nèi)局部注入氧氣進(jìn)行燃燒的技術(shù)。

這種技術(shù)起源于鋼鐵企業(yè)煉鋼工藝，目前也有用于銅冶煉的艾薩爐或側(cè)吹爐、錫冶煉的奧斯邁特爐等。氧氣噴槍噴吹燃燒系統(tǒng)要求氧氣純度高、工作壓力大，適用于冶煉強(qiáng)度高的冶金裝置；缺點(diǎn)是一般使用深冷制氧系統(tǒng)，因冷卻液化制取純氧，而導(dǎo)致制氧電耗成本高，除非生產(chǎn)必須使用，在其他裝置當(dāng)中不建議運(yùn)用。

1.2.2 微富氧燃燒

微富氧燃燒系在爐外將氧氣和空氣按一定富氧度混合，呈微富氧狀態(tài)，之后進(jìn)入燃燒器燃燒。

這種技術(shù)主要運(yùn)用于燃燒區(qū)域內(nèi)工作壓力不超過20 kPa的爐窯，氧氣可以是純氧，也可以是富氧空氣。

微富氧燃燒在爐外通過可靠的混均裝置可以將氧氣、空氣充分混均，爐內(nèi)燃料燃燒完全、熱場(chǎng)分布均勻，如使用膜法富氧，獲得富氧空氣能耗更低，故此運(yùn)用較廣。

1.2.3 空-氧燃燒

空-氧燃燒方式是空氣和氧氣同時(shí)進(jìn)入燃燒器，在燃燒器內(nèi)混合后燃燒。

因這種方式空氣和氧氣混合不均勻，爐窯內(nèi)熱場(chǎng)分布不均，且燃燒器制造難度大，故除特殊需要外，一般不使用。

1.2.4 純氧燃燒

純氧燃燒就是利用氧氣直接取代空氣進(jìn)行的燃燒方式，是目前在可封閉爐窯上，可大力推廣使用的燃燒方式。這種方式需要二氧化碳進(jìn)行回流，但燃燒熱效率最高，同時(shí)可以進(jìn)行“碳捕捉”，進(jìn)而可以進(jìn)行“碳固定”。

這種方法目前在有色冶金行業(yè)研究尚未起步，尤其是氧化鋁行業(yè)，值得進(jìn)行深入研究。

1.3 氧氣或富氧空氣的來源

目前，可用于富氧燃燒的氧氣或富氧空氣主要有以下4個(gè)來源。

1.3.1 液氧

系深冷制氧機(jī)制取，純度99.5 %以上。

1.3.2 變壓吸附分子篩制氧

利用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)，從而取得純度較高的氧氣(～93 %)。

1.3.3 膜法富氧

膜法富氧是利用空氣中各組分透過膜時(shí)的滲透速率不同，在壓力差驅(qū)動(dòng)下，使空氣中氧氣優(yōu)先通過膜而得到富氧空氣。用這種膜進(jìn)行多氣體分離，即可以得到含30 %以上氧氣的富氧氣空氣。

1.3.4 磁效應(yīng)富氧

磁效應(yīng)富氧磁致氣流助燃技術(shù)是利用氧氣分子和氮?dú)夥肿拥牟煌捻槾判院湍娲判?，?種氣體分子經(jīng)過高磁磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)生不同方向的偏轉(zhuǎn)，而得到富氧空氣。

液氧和變壓吸附制氧主要應(yīng)用于高強(qiáng)度冶煉的轉(zhuǎn)爐、艾薩爐、奧斯邁特爐等；而膜法富氧主要運(yùn)用于玻璃爐窯、水泥窯、電站鍋爐等；磁效應(yīng)富氧系近年內(nèi)研究成果，運(yùn)用還較少。

2 有色冶金行業(yè)富氧燃燒的案例簡(jiǎn)介

2.1 純氧-空氣微富氧燃燒系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)窯超音速富氧旋流噴吹試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。就某甲公司進(jìn)行的回轉(zhuǎn)窯超音速富氧旋流噴吹試驗(yàn)，和某乙公司進(jìn)行的富氧燃燒試驗(yàn)，目前，成功完成了窯內(nèi)富氧度25 %～27 %的生產(chǎn)試驗(yàn)。

圖1 回轉(zhuǎn)窯超音速富氧旋流噴吹試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of supersonic oxygen-enriched cyclone injection test system of rotary kiln

該試驗(yàn)設(shè)置一座純氧-壓縮空氣混合混均站，純氧流量1 200 Nm3/h，工作壓力0.6 MPa；壓縮空氣流量5 000 Nm3/h，工作壓力0.14 MPa；混合混均站富氧空氣出口富氧度最高35.5 %；回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)計(jì)算富氧度25 %～27 %；屬于微富氧燃燒技術(shù)形式。

在27 %富氧度燃燒時(shí)，回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)高溫區(qū)工作溫度提高至1 410 ℃，較原工作溫度提高160 ℃；焦比由原50 %降低至42 %，節(jié)約焦炭2.25 t/h，減少CO2排放8.27 t/h，年減少CO2排放量65 498 t/y，“節(jié)能碳減排”效益明顯。

2.2 富氧膜微富氧燃燒系統(tǒng)

膜法富氧系統(tǒng)示意圖見圖1，某甲公司進(jìn)行的膜法富氧系統(tǒng)富氧空氣增壓燃燒技術(shù)在16 t天然氣鍋爐上獲得了良好的效果。

系統(tǒng)設(shè)置空氣過濾器、鼓風(fēng)機(jī)、富氧膜組堆組件、真空泵、富氧空氣脫水穩(wěn)壓裝置，富氧空氣經(jīng)過增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入16 t天然氣鍋爐進(jìn)行富氧燃燒，富氧度26 %。

富氧燃燒前，天然氣耗量81.4 Nm3/t蒸汽；富氧燃燒后，天然氣耗量75.9 Nm3/t蒸汽；節(jié)約天然氣5.5 Nm3/t蒸汽；按燃燒1 Nm3天然氣，產(chǎn)生CO21.964 kg/Nm3天然氣，年減少CO2排放量1 368.8 t/y；“節(jié)能碳減排”效益明顯。

圖2 膜法富氧系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of membrane oxygen-enriched system

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合我國(guó)的“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，富氧燃燒技術(shù)在當(dāng)前能源格局條件下，盡管不能使化石能源退出有色冶金行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，但可以大幅提高爐窯設(shè)備的熱效率，減少碳排放，尤其是純氧燃燒技術(shù)，可以進(jìn)行高效的“碳捕集”，進(jìn)而可以進(jìn)行“碳固定”，比如氧化鋁廠的煅燒爐方面可以全力推進(jìn)純氧燃燒技術(shù)，既然我無法進(jìn)行碳中和，那么我來碳固定，簡(jiǎn)單粗暴可靠；另外，如在類似回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)設(shè)備方面進(jìn)行超音速富氧燃?xì)庑鲊姶?，更是可以形成類似“天然氣燃?xì)廨啓C(jī)高效聯(lián)合發(fā)電”的效果。