富氧燃烧技术在水泥企业应用的探讨

干志强（西南水泥有限公司，四川 成都 610000）

1 富氧燃烧技术概述

通常将氧气含量大于21%的空气称为富氧空气，富氧燃烧技术是一项新型的适用于各种工业锅炉（窑炉）的节能集成技术，将富氧空气送入燃烧区，提高燃烧区域的氧气浓度，提高燃料的燃烧速率，提高火焰温度，达到减低燃料消耗，提高产品产量等效果。

2 富氧燃烧在水泥行业的发展

富氧燃烧技术在很多行业都有着广泛的应用，富氧空气参与助燃具有节能效果，近年来，水泥行业对富氧燃烧的应用日益关注。

在对新型干法水泥生产线的能耗指标对标中发现，节能降耗存在一定空间，其中燃料(煤)及电的消耗和国际先进水平有较大差距，目前余热发电技术降低了一部分电力的成本，而煤耗大的问题却一直在困扰着企业。相关技术人员认为借助富氧燃烧，构建一个针对回转窑整体的控制系统，合理调配、使用富氧空气，可以提高燃料的完全燃烧效率，促进劣质煤替代优质煤，有效降低熟料(水泥)的成本。

3 空气分离富氧方法

目前，空气分离富氧方法主要有三种，即深冷法、变压吸附法和膜法，深冷法由于投资、不适用水泥行业等原因本文不做讨论。表1是对膜法和变压吸附法进行的比较。

3.1 变压吸附方法

空气中的主要组份是氮和氧，通过选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，使氮和氧分离制得氧气。氮气在分子筛上的吸附能力比氧气强，当空气在加压状态下通过装有分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。（见图1）

表1 膜法制氧与变压吸附制氧的对比

3.2 膜渗透法

膜分离法富氧是利用高分子薄膜对氧气、氮气选择性透过的特性，即透过氧气多，透过氮气少[1]。这种透过气体的特性称薄膜的透气性。透过富氧膜组件产生富氧空气，进入气水分离器，再经脱水罐脱水，由增压风机增压后，经富氧预热器预热，由管道输送到炉前的富氧喷嘴，再进人炉膛，参与助燃（见图2）。

图1 变压吸附富氧机组原理图

图2 膜法制氧原理图

4 富氧煅烧技术在熟料生产中的节煤机理

由于燃料在富氧中能够充分燃烧，热辐射会迅速增强，从而提高了燃料的燃烧速度和燃尽率。富氧煅烧将燃料本身具有的能量比较集中的释放出来，减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的浪费，通过提高燃料能量的利用率实现了节能的目的。同时，也可在一定程度上减少燃烧用风提高火点温度、减少废气排放降低热能损失。

4.1 煤粉在不同氧含量中的燃烧实验

煤粉在不同氧的体积分数下的实验所得DTG曲线如图3。氧的体积分数φ(O)的增加使得试样的DTG曲线向低温区移动，也就是着火温度降低，且最大质量损失速率随着氧的体积分数的增加而增大，说明煤的活性随着氧的体积分数的增大得到增强。煤样燃烧的平均质量损失率也随氧的体积分数的增加而增大，这说明随着氧的体积分数的增加，煤样从开始燃烧到燃尽所需的燃烧时间缩短，煤中易燃物质整体燃烧速率得到提高。还可看到，随着氧的体积分数的增大，燃烧曲线的后部尾端变陡，即煤的燃尽性能提高。

图3 煤在不同氧的体积分数的DTG曲线

4.2 富氧助燃能提高火焰的绝对温度

富氧空气的助燃，直接影响到燃烧温度，在富氧空气状态下，燃料的燃烧温度起了变化。煤炭的低发热值越高，在同等的富氧率情况下，火用损失就越少，煤炭的节约率也就越高。

4.3 富氧助燃能提高炉内火焰温度

在常规燃烧时，空气中仅有21%的氧气参与燃烧过程，而约为79%的氮气在吸收了大量燃烧反应放出的热量后[3]，却作为烟气排出，造成能源浪费。富氧浓度与火焰温度及相对效益的关系如图4。

图4 富氧浓度与火焰温度及相对效益的关系图

加装富氧助燃节能装置后，因氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热。

表2 低热值煤炭在不同全富氧浓度中的燃烧温度

如当空气中氧气的浓度为25%时，火焰的黑度经计算为0.2245，增加约6%；同时水泥回转窑燃烧带火焰对物料的辐射传热量提高约20.4%。

4.4 富氧助燃能加快燃烧速度促进燃烧完全

燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，富氧的效果虽不及纯氧，但促进燃烧的原理是相同的。加装富氧助燃节能装置后，不仅可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时温度提高后，有利于强化燃烧，促进燃烧完全，减少不完全燃烧导致的浪费。

4.5 富氧助燃能降低燃料的燃点温度

燃料的燃点温度不是一个常数，它与燃烧状况、受热速度、环境温度等有关，所以，用富氧助燃能降低燃料的燃点，提高燃烧的集中度和火焰强度，减少燃烧的边际效应，增加燃烧释放热量的利用率。

4.6 富氧助燃能减少燃烧后的排气量

用普通空气助燃，只有约五分之一的氧气参与燃烧，约五分之四的氮气不但不参于燃烧，还要带走大量的热量。如用富氧燃烧，氮气量相应减少，故燃烧后的排气量亦减少，热损失减少，从而提高了燃烧效率。一般来讲，燃烧用空气的氧浓度每增加1%，烟气量约下降2%～4.5%，从而能提高燃烧效率等。

5 富氧燃烧技术降低成本粗略计算

通过与国内多家具备富氧燃烧技术的单位交流及初步测算，水泥企业使用富氧燃烧技术可以达到[2]：

1）熟料实物煤耗按160kg/t熟料计算，富氧煅烧节煤率按7%计算，进厂原煤成本按600元/吨计算，吨熟料可降低成本6.72元。

2）膜法富氧耗电按5.0kwh/t熟料计算，变压吸附按2.5kwh/t计算，供电价格按0.55元/kwh计算，膜法增加成本2.75元，变压吸附增加成本1.37元。

3）对余热发电的影响和SNCR脱销成本可忽略不计。

4）因使用富氧燃烧技术可提产，导致熟料电耗的降低未计算在内。

5）因使用富氧燃烧技术可提高熟料质量，导致水泥熟料料耗的降低未计算在内。

6）因使用富氧燃烧技术可使用采购价格较低的劣质煤，导致吨熟料煤炭成本的降低未计算在内。

6 考察案例

6.1 天津塘沽区某冶炼企业“变压吸附法”制氧站

1）变压吸附制氧法：VPSA－1870制氧系统，利用VPSA专用分子筛，选择性吸附空气中的氮气、二氧化碳和水等杂质，在抽真空的条件下对分子筛进行解吸，从而循环制得纯度较高的氧气(90%-94%)。

2）工艺流程：用真空泵（罗茨风机）将大气鼓进两个吸附罐，利用吸附罐内吸附剂对特定气体的吸附和脱吸附能力，将空气中氧气分离，再经过氧压机将氧气压缩后，输送至使用端。

3）设计和运行参数：设计产气量≥1870 Nm3/h；实际产气量2000 Nm3/h。设计产氧气纯度：≥90%-94%；实际产氧气纯度：94%。装机容量1010KW；制氧综合电耗：0.50－0.55KWh/Nm3/h 。

4）运行情况：运行正常， 日常维修较少，已运行7年，提高冶炼产量、纯度。

6.2 北京某水泥企业

该水泥厂“膜法”制氧设备在2013年4月刚投入前期运行，考察时制氧设备处于停机整改阶段，前期一直处于设备调试阶段，只设计了投入分解炉部分，据介绍，投入后尾煤有明显的下降，但制氧的效果受外界气温影响较大。

1）设计产气量：≥2600Nm3/h；

2）实际产气量：2600－3000Nm3/h；

3）设计产氧气纯度：≥27% ；

4）实际产氧气纯度：27.9% ；装机容量：300KW。

5.3 河南某水泥企业熟料线富氧煅烧生产实践效果

该企业Φ4.8×72m水泥回转窑，应用的富氧制气系统为一套MZYR-12000型富氧装置，设备占地面积319m²（29×11m），场地不含电器设备安装面积；冷却水消耗量为43.5×2t/h，水温不超过30度；富氧设备运行环境温度为0～40℃。

1）炉窑运行参数对比

加装富氧助燃装置前，用紫外线测温测试的火焰温度为1380℃～1450℃，加装富氧助燃装置后，火焰温度为1580℃～1600℃，火焰温度平均增加150℃以上。加装富氧助燃装置前，二次风温度为1050℃～1100℃，加装富氧助燃装置后，二次风温度为1144℃～1194℃，平均为1153℃，二次风温度提高100℃。

2）节煤效果测试

经120小时连续无富氧运行测试，共投生料46674吨，折算熟料29919吨，平均日产5983.6吨熟料，平均吨熟料转子秤耗煤138.94公斤。经144小时连续加富氧运行测试，共投生料56259吨，折算熟料36063吨，平均日产6010吨熟料，平均吨熟料实物耗煤127.58公斤。经反复对比测试，最终节煤效果达到8.18%。

3）富氧系统运行耗电量，19～24日富氧装置总用电量为219963kwh，期间熟料总产量为36063吨，富氧装置吨熟料电耗为6.1kwh/t熟料。

4）该企业分别进行了无富氧、有富氧运行测试，加富氧后窑的煅烧能力明显提高，熟料28d抗压强度无富氧为50.4MPa，有富氧53.2MPa，有富氧运行抗压强度提高2.8MPa，熟料还原料明显减少，颜色明显改善。

5）炉窑操作运行稳定、窑内热负荷稳定，窑皮平稳，熟料质量稳定，有提高熟料产量的能力，不影响低温余热发电工作，向大气排放的主要指标均呈下降趋势，富氧系统实际耗电6.0KWh/t熟料。

7 结 语

富氧燃烧技术在水泥企业属于起步阶段，但制氧工艺已比较成熟，目前变压吸附法和膜法两种工艺，各具优势。使用富氧燃烧技术可在一定程度起到节煤、提产、提升熟料质量等效果，但生产线采用富氧燃烧的前提是：生产线工艺状况稳定，原燃材料稳定，生产管理和操作技能的规范化、制度化，才能够实现富氧燃烧精细化的调整、控制、管理。富氧燃烧技术在水泥行业运用，虽然是一项创新技术，也是水泥熟料生产企业降低熟料煤耗最有效的措施之一，但现在国内富氧燃烧技术仍处于起步阶段，企业应在考虑企业资金投入风险的同时根据自身企业特点进行尝试探索。

[1]沈光林 膜法富氧技术用于节能研究 [J]节能，1996，(9):29-30

[2]丁强 富氧燃烧在水泥回转窑生产上的应用理论 [J]科技信息 2010(16)

[3]王松雪 膜分离技术及应用 [M]北京:科学出版社，1994，(4)