富氧燃燒技術在水泥企業應用的探討

干志強（西南水泥有限公司，四川 成都 610000）

1 富氧燃燒技術概述

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

2 富氧燃燒在水泥行業的發展

富氧燃燒技術在很多行業都有著廣泛的應用，富氧空氣參與助燃具有節能效果，近年來，水泥行業對富氧燃燒的應用日益關注。

在對新型干法水泥生產線的能耗指標對標中發現，節能降耗存在一定空間，其中燃料(煤)及電的消耗和國際先進水平有較大差距，目前余熱發電技術降低了一部分電力的成本，而煤耗大的問題卻一直在困擾著企業。相關技術人員認為借助富氧燃燒，構建一個針對回轉窯整體的控制系統，合理調配、使用富氧空氣，可以提高燃料的完全燃燒效率，促進劣質煤替代優質煤，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、不適用水泥行業等原因本文不做討論。表1是對膜法和變壓吸附法進行的比較。

3.1 變壓吸附方法

空氣中的主要組份是氮和氧，通過選擇對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。氮氣在分子篩上的吸附能力比氧氣強，當空氣在加壓狀態下通過裝有分子篩吸附劑的吸附床時，氮氣被分子篩吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附床，使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當分子篩吸附氮氣至接近飽和后，停止通空氣并降低吸附床的壓力，分子篩吸附的氮氣可以解吸出來，分子篩得到再生并重復利用。兩個以上的吸附床輪流切換工作，便可連續生產出氧氣。（見圖1）

表1 膜法制氧與變壓吸附制氧的對比

3.2 膜滲透法

膜分離法富氧是利用高分子薄膜對氧氣、氮氣選擇性透過的特性，即透過氧氣多，透過氮氣少[1]。這種透過氣體的特性稱薄膜的透氣性。透過富氧膜組件產生富氧空氣，進入氣水分離器，再經脫水罐脫水，由增壓風機增壓后，經富氧預熱器預熱，由管道輸送到爐前的富氧噴嘴，再進人爐膛，參與助燃（見圖2）。

圖1 變壓吸附富氧機組原理圖

圖2 膜法制氧原理圖

4 富氧煅燒技術在熟料生產中的節煤機理

由于燃料在富氧中能夠充分燃燒，熱輻射會迅速增強，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，減小了燃燒的邊際效應，減少了由于不完全燃燒導致的浪費，通過提高燃料能量的利用率實現了節能的目的。同時，也可在一定程度上減少燃燒用風提高火點溫度、減少廢氣排放降低熱能損失。

4.1 煤粉在不同氧含量中的燃燒實驗

煤粉在不同氧的體積分數下的實驗所得DTG曲線如圖3。氧的體積分數φ(O)的增加使得試樣的DTG曲線向低溫區移動，也就是著火溫度降低，且最大質量損失速率隨著氧的體積分數的增加而增大，說明煤的活性隨著氧的體積分數的增大得到增強。煤樣燃燒的平均質量損失率也隨氧的體積分數的增加而增大，這說明隨著氧的體積分數的增加，煤樣從開始燃燒到燃盡所需的燃燒時間縮短，煤中易燃物質整體燃燒速率得到提高。還可看到，隨著氧的體積分數的增大，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數的DTG曲線

4.2 富氧助燃能提高火焰的絕對溫度

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

4.3 富氧助燃能提高爐內火焰溫度

在常規燃燒時，空氣中僅有21%的氧氣參與燃燒過程，而約為79%的氮氣在吸收了大量燃燒反應放出的熱量后[3]，卻作為煙氣排出，造成能源浪費。富氧濃度與火焰溫度及相對效益的關系如圖4。

圖4 富氧濃度與火焰溫度及相對效益的關系圖

加裝富氧助燃節能裝置后，因氮氣量減少，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，進而提高火焰輻射強度和強化輻射傳熱。

表2 低熱值煤炭在不同全富氧濃度中的燃燒溫度

如當空氣中氧氣的濃度為25%時，火焰的黑度經計算為0.2245，增加約6%；同時水泥回轉窯燃燒帶火焰對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，但促進燃燒的原理是相同的。加裝富氧助燃節能裝置后，不僅可以提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導，同時溫度提高后，有利于強化燃燒，促進燃燒完全，減少不完全燃燒導致的浪費。

4.5 富氧助燃能降低燃料的燃點溫度

燃料的燃點溫度不是一個常數，它與燃燒狀況、受熱速度、環境溫度等有關，所以，用富氧助燃能降低燃料的燃點，提高燃燒的集中度和火焰強度，減少燃燒的邊際效應，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，約五分之四的氮氣不但不參于燃燒，還要帶走大量的熱量。如用富氧燃燒，氮氣量相應減少，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 富氧燃燒技術降低成本粗略計算

通過與國內多家具備富氧燃燒技術的單位交流及初步測算，水泥企業使用富氧燃燒技術可以達到[2]：

1）熟料實物煤耗按160kg/t熟料計算，富氧煅燒節煤率按7%計算，進廠原煤成本按600元/噸計算，噸熟料可降低成本6.72元。

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

3）對余熱發電的影響和SNCR脫銷成本可忽略不計。

4）因使用富氧燃燒技術可提產，導致熟料電耗的降低未計算在內。

5）因使用富氧燃燒技術可提高熟料質量，導致水泥熟料料耗的降低未計算在內。

6）因使用富氧燃燒技術可使用采購價格較低的劣質煤，導致噸熟料煤炭成本的降低未計算在內。

6 考察案例

6.1 天津塘沽區某冶煉企業“變壓吸附法”制氧站

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

2）工藝流程：用真空泵（羅茨風機）將大氣鼓進兩個吸附罐，利用吸附罐內吸附劑對特定氣體的吸附和脫吸附能力，將空氣中氧氣分離，再經過氧壓機將氧氣壓縮后，輸送至使用端。

3）設計和運行參數：設計產氣量≥1870 Nm3/h；實際產氣量2000 Nm3/h。設計產氧氣純度：≥90%-94%；實際產氧氣純度：94%。裝機容量1010KW；制氧綜合電耗：0.50－0.55KWh/Nm3/h 。

4）運行情況：運行正常， 日常維修較少，已運行7年，提高冶煉產量、純度。

6.2 北京某水泥企業

該水泥廠“膜法”制氧設備在2013年4月剛投入前期運行，考察時制氧設備處于停機整改階段，前期一直處于設備調試階段，只設計了投入分解爐部分，據介紹，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）設計產氣量：≥2600Nm3/h；

2）實際產氣量：2600－3000Nm3/h；

3）設計產氧氣純度：≥27% ；

4）實際產氧氣純度：27.9% ；裝機容量：300KW。

5.3 河南某水泥企業熟料線富氧煅燒生產實踐效果

該企業Φ4.8×72m水泥回轉窯，應用的富氧制氣系統為一套MZYR-12000型富氧裝置，設備占地面積319m2（29×11m），場地不含電器設備安裝面積；冷卻水消耗量為43.5×2t/h，水溫不超過30度；富氧設備運行環境溫度為0～40℃。

1）爐窯運行參數對比

加裝富氧助燃裝置前，用紫外線測溫測試的火焰溫度為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，二次風溫度為1050℃～1100℃，加裝富氧助燃裝置后，二次風溫度為1144℃～1194℃，平均為1153℃，二次風溫度提高100℃。

2）節煤效果測試

經120小時連續無富氧運行測試，共投生料46674噸，折算熟料29919噸，平均日產5983.6噸熟料，平均噸熟料轉子秤耗煤138.94公斤。經144小時連續加富氧運行測試，共投生料56259噸，折算熟料36063噸，平均日產6010噸熟料，平均噸熟料實物耗煤127.58公斤。經反復對比測試，最終節煤效果達到8.18%。

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

4）該企業分別進行了無富氧、有富氧運行測試，加富氧后窯的煅燒能力明顯提高，熟料28d抗壓強度無富氧為50.4MPa，有富氧53.2MPa，有富氧運行抗壓強度提高2.8MPa，熟料還原料明顯減少，顏色明顯改善。

5）爐窯操作運行穩定、窯內熱負荷穩定，窯皮平穩，熟料質量穩定，有提高熟料產量的能力，不影響低溫余熱發電工作，向大氣排放的主要指標均呈下降趨勢，富氧系統實際耗電6.0KWh/t熟料。

7 結 語

富氧燃燒技術在水泥企業屬于起步階段，但制氧工藝已比較成熟，目前變壓吸附法和膜法兩種工藝，各具優勢。使用富氧燃燒技術可在一定程度起到節煤、提產、提升熟料質量等效果，但生產線采用富氧燃燒的前提是：生產線工藝狀況穩定，原燃材料穩定，生產管理和操作技能的規范化、制度化，才能夠實現富氧燃燒精細化的調整、控制、管理。富氧燃燒技術在水泥行業運用，雖然是一項創新技術，也是水泥熟料生產企業降低熟料煤耗最有效的措施之一，但現在國內富氧燃燒技術仍處于起步階段，企業應在考慮企業資金投入風險的同時根據自身企業特點進行嘗試探索。

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

[2]丁強 富氧燃燒在水泥回轉窯生產上的應用理論 [J]科技信息 2010(16)

[3]王松雪 膜分離技術及應用 [M]北京:科學出版社，1994，(4)