富氧燃燒技術在水泥窯的應用

李明飛，陶從喜，李小金，孫于龍，陳宏艷，鄭麗雅

1 前言

水泥工業從誕生之日起至今，一直采用常規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能技術主要是在此供氧方式基礎上對窯頭燃燒器的發展和創新，包括改變燃燒器氣流和煤粉比例、改變氣流的旋轉方式、增加煤粉和空氣的接觸、優化燃燒火焰的形狀和長度以及增加煤粉的適應性等。然而，與理想的節能要求相比，目前的燃燒技術仍存在如下弊端：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，富氧技術成功應用于底吹轉爐煉鋼（Bessemer）上，這不僅是世界上最早的富氧冶煉技術[2]，也是該技術在工業上的早期研究與生產實踐。富氧技術發展至今，已成功應用于有色金屬冶煉、玻璃池爐、化鐵爐和鑄造爐節能等，并顯著提高了產品質量，減少了能源消耗以及環境污染，節能率一般在5%～16%[3]。

在水泥工業中，相對于空氣供氧的燃燒技術而言，富氧燃燒也不斷顯現出其優勢：該技術可以降低尾氣體積、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，該技術還存在一些潛在的優勢，如可降低漏風量、減少窯尾結圈（或預熱器內結皮）以及減小設備尺寸等[4]。因此，富氧燃燒技術為水泥工業發展低碳經濟、節能減排、走綠色環保道路指出了一個新的方向，也不斷實現著由概念到實際應用的轉化。圍繞該技術，國內外一些水泥企業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%以上的節能率[5,6]；在國內的水泥企業中，如山東煙臺海洋700t/d生產線、河南汝州天瑞5000t/d生產線也都取得了良好的經濟效益。富氧燃燒技術在水泥工業中極具應用前景。

2 富氧燃燒技術方案

在工業生產中，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實現應用的關鍵因素之一，也是國內外研究的主要課題。目前，工業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），然后壓縮、冷卻，使之成為液態空氣。其次，在精餾塔中把液態空氣多次蒸發和冷凝，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，當吸附器內氧氣達到一定量（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勢[9]。因此，在現代中小型水泥生產線上使用膜法制氧，是較為經濟可行的制氧方式。

2.2 富氧燃燒技術實施方法

由于新型干法水泥生產線用氣量較大，以現有的制氧技術，很難實現全富氧助燃，因此，在水泥生產線中，一般采用局部富氧燃燒技術[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窯并以一定的角度噴入，使窯內缺氧區域富集較高濃度的富氧氣體，從而加強燃燒和穩定火焰形狀。

（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氣量較小的情況。

3 富氧燃燒技術在某水泥廠的應用實例

為了進一步降低水泥生產成本，國內某水泥廠加裝了由國內一知名公司生產的2500型富氧助燃節能裝置。在富氧設備正常運行后，我們對該生產線燒成系統進行了現場熱工測試，并分析了富氧燃燒技術對該廠水泥窯運行過程中的助燃及節能減排效果。

3.1 制氧流程

該廠采用了國內外廣泛使用的低能耗、高流量的膜法制氧系統，流程圖如圖1所示。首先，將普通空氣經過噴淋式空氣過濾器濾除粉塵顆粒及油污等雜質后，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，使滲透速率較快的氧氣率先被分離出來，產生氧氣含量為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窯和分解爐進行富氧燃燒；其次，在窯頭燃燒器噴油管內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GB/T 26282-2010《水泥回轉窯熱平衡測定方法》和GB/T 26281-2010《水泥回轉窯熱平衡、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分析均以測試期間現場取樣為基準。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數字壓力計（R5,R6）、testo 435數字壓力計（R7）、數字壓力計（R8）、MRU 1600S-IV氣體分析儀（R9）以及火焰溫度測試儀等。

3.3 結果與分析

為了數據的真實可靠，全面反映加富氧前后整個燒成系統熱工參數的變化，本測試數據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組數據并加以分析。

（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，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象，通入富氧空氣后，分解爐煤粉燃燒情況有所好轉。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生的CO，造成NOx的排放濃度波動較大[11]。在不完全燃燒狀態下，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）加富氧后系統的節能量。經72h連續無富氧運行測試，平均產熟料2942t/d，投生料4744t/d，轉子秤耗煤141.16kg/t熟料。又經72h連續加富氧運行測試，平均產熟料2992t/d，投生料4680t/d，轉子秤耗煤133.53kg/t熟料。富氧系統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GB/T 26281-2010《水泥回轉窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》及GB/T13234-2009《企業節能量計算方法》，系統的節能量按單項技術節能量計算可表示為：

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量（按運行330 d計算），t

帶入相關數據計算得到一年內的節煤量為：

加裝富氧助燃設備后凈節煤率εc按產品節能率計算可表示為：

代入相關數據可以得到:

即加裝富氧助燃設備后，該生產線的凈節煤率為5.12%。

4 結語

（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現，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的煤粉燃燒狀況，有利于水泥熟料的煅燒，對提高熟料質量有利。

（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，該生產線分解爐煤粉的不完全燃燒狀況有所緩解，但沒有發生根本性的改變，如果能夠繼續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量分析，加富氧后熟料的質量略有提高。

（5）加富氧后生產線用煤量明顯降低，節能效果明顯，單位熟料標煤耗減少了7.63 kgce/t。扣除富氧運行時所消耗的電耗，節煤率最高可達5.12%。

[1]孫新紅.富氧技術在水泥行業的應用可行性經濟分析[J].中國水泥,2012（7）:49-53.δ

[2]蘇俊林.富氧燃燒技術研究現狀及發展[J].工業鍋爐,2008，（3）:1-3.

[3]黃美榮.大規模膜法空氣分離技術應用進展[J].現代工業,2002，（9）:10-15.

[4]郭濤.水泥窯富氧助燃技術應用及研究進展[A].水泥工業技術與管理—天津院六十年論文集（1953—2013）.[C].北京:中國建材工業出版社.

[5]Greg Mayes,Oxygen Enrichment at the Txi Midlothian Cement Plant,IEEE,2001.

[6]Bruce Shafer,Oxygen Enrichment at the Califonia Portland CenmentCompany's Mojave plant,IEEE,2001.

[7]田濤.高原缺氧環境制氧技術與裝備的分析及發展對策[A],第十五屆中國科協年會第22分會場:高原環境下的疾病防治與健康工程論壇論文集[C],2013.

[8]李化治.制氧技術[M].北京:冶金工業出版社,2009.

[9]馬保國,田鍵.水泥熱工過程與節能關鍵技術[M].北京:化學工業出版社,2010.

[10]Experimental Study on the Characteristics of Coal Combustion in Oxygen-enriched Environments[A].Proceedings of 2011 International Conference on Materials for Renewable Energy&Environment（ICMREE 2011） VOL.02[C].2011.

[11]崔素萍.水泥窯NOx的形成機理[J].中國水泥.2010，（5）:55-59.■