姜政华：膜法制氧技术在干法水泥炉窑应用前景展望

　　9月25日，由中国水泥网主办、中国联合水泥集团有限公司特别主办、淄博市鲁中耐火材料有限公司特别协办的“2013中国水泥节能技术交流大会”在山东济南成功召开，大会邀请到行业内众多知名企业家、专家、学者共聚一堂，总结和分享国内多年水泥节能技术发展成果，将对水泥行业节能技术发展以及实现“十二五”绿色GDP发展目标产生深远影响。会上烟台华盛燃烧设备工程有限公司董事长姜政华作了题为《膜法制氧技术在干法水泥炉窑应用前景展望》的主题报告，就膜法制氧技术在水泥炉窑中的应用和前景作了详细的讲解，全文如下：

 烟台华盛燃烧设备工程有限公司董事长姜政华

　　一、国外膜法制氧助燃技术的发展

　　膜法制氧助燃技术源于美国；70年代末，富氧气体分离膜法制氧技术是由美国孟山都公司发明，首先应用在农业上；1983年美国康宁公司率先在溶化炉采用全富氧燃烧技术，获得成功。

　　兴起在德国；上世纪八十年代末，林德公司开始批量生产膜法制氧助燃设备。

日本松下电器工业有限公司50Nm3/h 板式富氧膜组件

　　发展在日本；上世纪九十年代，日本引进该技术，并且政府介入。从1996始，日本政府规定，所有的工业炉窑、工业锅炉，包括船用锅炉都不能用空气助燃，必须用富氧助燃。从而带动世界许多国家全面推广采用膜法制氧助燃技术。

　　前苏联、俄罗斯、英国、法国、捷克等国家均有膜法制氧用于助燃的报道。

日本松下电器工业有限公司250Nm3/h 制氧系统

日本第二代富氧产品

　　日本膜法制氧助燃技术的应用

　　日本曾在以气、油、煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验，得出如下结论：用23％的全富氧助燃可节能10-25％；用25%的全富氧助燃可节能20-40％；用27%的全富氧助燃则节能高达30-50％等。

　　综上所述，燃料在氧浓度26%的全富氧燃烧下，运行最经济，节能效果最明显。

　　二、应用于燃烧领域的制氧方法及概况

　　深冷空分技术：始于1903年，高炉炼钢主要采用（深冷法）富氧喷煤技术，已有将近一个世纪的历史，综合节能效益非常显着。至今是钢铁厂标配的主流工艺技术，现建钢厂必建制氧车间。

　　变压吸附制氧技术：发明于1958年，上世纪70年代应用在燃烧领域。20世纪90年代我国把高炉富氧喷煤作为发展钢铁工业节能降耗的重点改造项目，在冶金行业推广使用。

　　膜法制氧技术：上世纪70年代兴起，1983年美国康宁公司率先应用在燃烧领域，在熔化炉采用全富燃烧技术并成功。

　　膜法制氧技术是成熟的技术，为提供富氧空气用于燃烧领域开辟了一条新途径。特别是对回转窑需要大流量富氧空气，膜法制氧是最安全、投资量少，且安装简单，操作方便灵活，使用寿命长，维修费用低，为我国工业炉窑应用膜法制氧开辟出一条全新的道路。

　　三、膜法制氧技术原理

　　膜法制氧技术是利用渗透的原理，即氧分子通过膜向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的该气体分压差，由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，氧分子优先通过分离膜从而达到提纯富氧气体的目的，称作膜法制氧，氧浓度一般在30％左右。氧浓度大于21%、小于40%的气体称为富氧。

　　四、膜法制氧工艺流程

　　膜法制氧助燃节能装置是由：1.空气净化器、2.离心通风机、3.大型集成化膜组件、4.真空泵、5.脱湿装置6、稳压装置、7.增压风机、8.系统管路、9.自动化控制操作系统等组成的。

　　五、膜法制氧-富氧助燃技术节能原理

富氧条件下的炉内各有关温度的变化及传热量的变化

　　富氧助燃技术是近代燃烧的新突破，它是使燃料中的挥发份和没燃尽的碳粒子在富氧中充分燃烧，在不增加燃料的前提下，火焰温度提高100～350℃，使燃烧速度加快，热辐射迅速增强的技术。该技术强化燃烧，降低空气过量系数，降低燃烧后的排气量和粉尘量，降低二氧化碳，提高燃烧效率，使燃料在富氧燃烧中极大的转化成热能，工业炉窑或工业锅炉采用该技术后，一般节能率在5～15%，设备投资回收期短，经济效益或社会效益是巨大的。发达国家称该技术为“资源的创造性技术”，并已经在燃烧的各个领域得到应用。

　　六、膜法制氧的安全性

　　膜法制氧的过程是纯物理过程，无相变等，常温低压下静态制氧，制取的氧气纯度约为30%，制氧本身的安全性好，30%以下的富氧已在近百年的富氧燃烧工程案例中证明是安全可靠的，无需按照氧气站建设规范建设、无需采用氧用介质的输送设备，无需脱脂处理，无任何安全隐患。

　　七、膜法制氧与变压吸附制氧应用于水泥行业的使用寿命对比与参考

　　大多数人常误认为膜分离器的膜材料不如变压吸附的分子筛耐用，是因为不了解两种材料对应环境下的工业设计条件。实际上，无论膜法制氧的膜分离材料还是变压吸附的分子筛（吸附剂），都是一种分离材料，其寿命都对应于实际使用的环境，在不同的环境下材料具有不同的使用寿命。工业设计中，均需对环境污染条件进行必要的过滤设计，以高效过滤措施方可满足其长效的使用寿命。

　　众所周知，在水泥工业高浓度的粉尘污染环境中，水泥粉是高碱性的粉尘污染物，具有3微米的正态分布中径，工业设计过程中，将使用严格的过滤措施方可保证材料的长效使用寿命。

　　膜法制氧是静态制氧。经不断的研发与改进，且长期的应用实践证明，多级高效过滤器祛除粉尘污染物之后的膜材料具有10年以上的超长使用寿命。而且膜法制氧的分离过程是错流的，其空气通道与富氧通道是分开的，因不断输入的空气会将沉积在膜分离材料表面的粉尘在空气通道带走从而形成一个稳定的状态，这并不影膜法制氧过程的使用。通俗的说，膜法制氧的过程的粉尘污染是有进有出，最终达到平衡而不影响使用。即使存在的一定量的粉尘污染，当10年后达到富氧膜达到其设计寿命时，沉积下较多的粉尘也可以通过现场清洗措施使得制氧设备恢复其大部分性能。

　　变压吸附制氧过程是动态制氧，无论双塔还是多塔，需要很多阀门进行切换，可靠性与膜法制氧相比要差的多，阀门需要定期维护密封件。分子筛一般具有5～10年的使用寿命，维护成本较膜法制氧系统高。变压吸附的分子筛即使采用了严格的粉尘过滤，因无法截留100%的粉尘，而且气流通过吸附分离床中装填的分子筛制氧，这相当于一个死端过滤过程，不断进入的微粒类粉尘将严重堵塞分子筛的空气流道。通俗的说，变压吸附过程的粉尘污染是有进无出或者有进少量的出，最终影响床层的压差与分离性能，直至分离性能丧失。可以毫不夸张的说，在水泥工业，无论将变压吸附制氧过程的罗茨鼓风机带入的水泥粉尘过滤到什么程度，都将有部分粉尘进入吸附床层，堵塞分子筛空气通道，这一过程是无法克服的。

　　比如，一套1000m3/h，90%的变压吸附制氧设备，需要加工的空气量是12000m3/h，即使过滤到含尘量0.5 mg/m3计（工业过程实际上难以达到这一水平），1年累积进入的粉尘将达到：

　　0.5 mg/m3×12000m3/h×24h×330天/年=47.52kg/年

　　床层将以年40多千克的粉尘累积，结合分子筛吸附的水分，与水泥的高碱性（水溶解平衡后的碱性将达到PH值为13）将严重的破坏分子筛，降低其性能指标。

　　而如果需要维护，则需要大动干戈去更换，甚至无法在制造厂按照通常的活化手段来恢复其性能。

　　因此，相比较而言，膜法制氧更适宜干法水泥炉窑。

　　八、膜法制氧的可操作性

　　膜法制氧控制过程简单，泵开即开，泵停即停，本身无需控制，围绕回转窑进行富氧燃烧时设计的控制过程主要是机泵的保护、连锁、故障报警以及流体分配，对结合水泥窑富氧燃烧进行富氧纯度、流量调节时，仅需简单的改变真空泵的转速和真空度参数即可满足纯度与流量的调节，调节过程连续供氧，无需缓冲容积。

　　九、膜法制氧对改造主体设备的安全性影响

　　膜法制氧直接自空气中制取纯度约为30%富氧，系统自开机1分钟即可达到供氧纯度，无需储存环节，无需混合空气，可直接入炉，没有因混合空气环节带来的安全性风险，不会对窑炉、喷枪、燃烧器等造成损害。使用更安全，并且也因为膜法制氧过程开机迅速，更有利于与窑炉的使用做更安全的无损工艺切换。

　　十、膜法制取富氧气体的特性

　　膜法制氧过程有效的回收了动力设备的压缩能，其制取的是120℃左右的富氧，大量热态富氧空气折算等量功率，其制取能量消耗远低于变压吸附方法，可大幅节约运行成本。

　　十一、膜法制氧富氧助燃技术开辟了水泥炉窑节能减排的新篇章

　　水泥产业是工业领域节能减排的重点和难点，其节能减排效果对完成我国能源消耗目标、工业可持续发展起着举足轻重的作用。

　　膜法制氧富氧助燃节能技术的诞生，就可称为能源科技革命的突破性进展。作为近代燃烧技术创新的一次重大突破，它较好的解决了窑炉燃烧中因缺氧导致热效率低下的问题，并减少烟气的排出，实现了节约能源和保护环境，被誉为燃烧领域的“二次革命”，发达国家称之为“资源的创造性技术”。

2011年4月，烟台华盛燃烧设备工程有限公司研发生产的全国首台MZYR-2500膜法制氧富氧助燃节能装置在烟台海洋水泥有限公司投入运行。

2012年，烟台华盛燃烧设备工程有限公司研发生产的MZYR-12000膜法制氧富氧助燃节能装置在河南天瑞集团汝州水泥日产5000吨的水泥回转窑上投入试运行。

目前，都江堰拉法基水泥有限公司、枣庄中联水泥有限公司业正在安装调试期间。

　　十二、目前存在的问题

　　新型干法水泥生产线应用膜法制氧富氧助燃节能装置，采用富氧煅烧工艺，比用空气煅烧节能减排效果明显、毋容置疑，但为何采用富氧助燃技术的炉窑节能效果有时出现反复。主要有以下原因：

　　1. 干法水泥炉窑的监测仪表、窑操软件都是按空气煅烧工艺设计。自动化程度越高，调整越难。

　　2. 现有的窑操员都是按空气煅烧工艺培养出来的。

　　3. 现有的熟料煅烧工艺都是按空气煅烧制定的。

　　4. 有时炉窑大修，更换燃烧器、罗茨风机和煤种原因造成的。

　　如果干法水泥炉窑采用富氧煅烧工艺，需要调整二次风温，烧成带的监测仪表的位置（因为采用富氧燃烧火焰长度变短，现有的监测仪表位置布置不准，显示不出真实温度）；操窑员应按富氧煅烧工艺操作，工艺部门应修改熟料富氧煅烧工艺，调整操作规程，巩固提高富氧煅烧的节能效果。

　　十三、前景展望

　　据统计，截至2012年底，我国新型干法水泥生产线达到1637条，设计熟料产能达16亿吨。如果这些生产线全部采用目前膜法制氧富氧助燃节能技术，按照节煤10%计，年可节煤1997.55万吨，每吨标煤按980元计，全年可节约资金195.76亿元人民币。减少烟气排放量163199.84万Nm3，减少排放二氧化碳4993.88万吨。如果新型干法水泥生产线采用膜法制氧全富氧助燃节能技术，节煤率可达30-40%，经济效益和社会效益巨大。因此，膜法制氧富氧助燃技术是目前工业炉窑实现节能减排降耗的重要手段和必由之路。该技术的成功应用，不仅能带动其他新生行业，而且标志着我国工业炉窑节能改造在科技创新方面达到了新的高度。随着国家的大力推广节能减排产品，富氧助燃节能技术有望成为水泥行业继纯低温余热发电之后又一新举措，将为我国建材行业节能减排和环保事业作出巨大贡献。