富氧燃烧在水泥行业的应用

　　引言

　　水泥行业是我国国民经济建设的重要基础材料产业，也是主要的能源资源消耗和污染物排放行业之一。与国际先进水平相比，国内水泥企业的主要问题主要表现在高燃料（煤）消耗和高电耗；当前大部分企业利用余热发电技术后降低了一部分电力成本，而煤耗大的问题还困扰着企业。因此，有效降低单位熟料（水泥）煤耗，是水泥企业亟待解决的问题。

　　经过多年的摸索实践和水泥专家的广泛论证，水泥熟料生产线富氧燃烧节能技改方案是一个有效的方法，能够很好地帮助水泥企业降低煤耗问题。该项目以富氧燃烧技术为主要手段，在回转窑中使用28%-35%的富氧空气，提高燃料的燃烧效率，或者使用劣质煤（或工业废弃物）替代优质煤，从而大大降低熟料生产的燃料成本。

　　1富氧燃烧的节能机理

　　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。富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用，既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。

　　1.1改善燃烧特性

　　A、对着火的影响

　　着火是由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程，相对应的温度称为着火温度，它反映了煤粉着火的难易程度。樊越胜[1]、刘国伟[2]、刘靖昀[3]等人研究表明，随着助燃气体氧浓度的提高，各煤样的着火温度均大幅下降。

　图1 氧浓度对着火温度的影响        图2 不同挥发分煤样着火点降低曲线

　　但是，不同的煤种，对加入富氧后的反应变化不一样。其中低挥发分煤种在着火方面对富氧条件的改善更为敏感，即富氧条件的改善可减弱煤种间着火性能方面的差异性。上述研究结果为“富氧条件下采用劣质煤燃烧”提供了实验基础。

　　刘靖昀[3]研究了六种煤在不同富氧浓度条件下的着火温度变化。

　　上述实验数据表明，东北贫煤（工业分析：挥发分13.87%）着火点对氧浓度的变化最为敏感，着火温度下降24%，直接降低了147℃。

　　B、对燃烧速度的影响

　　樊越胜[1，5]、唐强[4]等人利用热天平对煤样在不同氧浓度条件下的燃烧失重曲线进行了研究，结果都表明提高富氧浓度可改善煤种可燃质的整体分解及燃烧速率，缩短燃烧时间，使煤的反应活性得到改善。

图3 煤在不同氧浓度条件下的DTG曲线   图4 煤在不同氧浓度条件下燃烬温度曲线

　　C、对燃料燃烬的影响

　　燃烬温度是煤样基本燃尽的温度，燃烬温度越低，表明燃尽时间越短，煤样越容易燃烧残炭中的可燃剩余量就越少。樊越胜[1，5]、唐强[4]等人研究了不同氧浓度条件下煤粉的燃烬温度的变化趋势，从图4可以看出，随着氧浓度的增加，煤粉燃烧的着火温度和燃烬温度均呈下降趋势，说明富氧可使煤粉的着火提前并燃烧充分。从图4也可看到，当氧浓度大于40%时，这种趋势变缓。

　　樊越胜[1，5]等人研究了不同氧浓度对煤粉燃烧时间和燃烬率的影响。图5表明，当氧浓度从20~40%变化时，燃烧时间减少较快。从图6看到，当氧浓度增加，燃料的未燃烬率明显下降，但这种趋势在氧浓度大于40%时变得不是十分明显。

图5 燃烧时间随氧浓度的变化                 图6 煤未燃烬率随氧浓度的变化

　　D、对火焰形状的影响

　　火焰形状对回转窑熟料煅烧的稳定具有十分重要的作用。一般来说，良好的火焰形状应保持合适的长度，均匀地充满整个窑截面、近料而不触料，在端面上保持圆形、纵向剖面保持“棒槌形”。上述文献均研究表明，合理提高燃烧气氛的富氧浓度，能显著改善煤粉的燃烧特性，特别是改善劣质煤的燃烧特性。煤粉在燃烧气氛中稳定燃烧，为回转窑保持火焰形状提供了最基础的保证。

　　1.2降低空气过剩系数，提高烟气温度和传热效率

　　回转窑的操作要求保持窑内的微氧化氛围。在保证相同氧浓度的情况下，由于采用了富氧空气，则可降低空气的过剩系数。空气过剩系数降低，不仅能减少排放烟气，也可减少带入的N₂，提高燃烧烟气的温度。同时，由于燃烧烟气中N₂含量的减少，相对的，烟气中的CO₂含量则会增加。总体来说，增加了烟气中三原子气体的含量。由于在火焰中能发生强大辐射作用的只有H₂O和CO₂等三原子气体，故火焰温度和火焰的黑度均随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，进而提高了窑内气氛的辐射传热能力，即强化了窑内总体传热效率，所以用富氧燃烧能显著节约能源。

　　1.3节能途径

　　综合上述文献表明，由于富氧氛围可明显改善燃烧特性、提高传热效率。因此在保持水泥生产线其它条件不变的情况下，采用劣质煤替代较高品质的煤种，由于二者之间的价格差而实现节能。

　　同时，由于富氧氛围下燃料的燃烧速度增大，提高了系统的热力强度，因此可提高原生产线的处理能力，由于产能提升，从而熟料单耗下降。上述两方面都可实现回转窑的节能。

　　樊越胜[1]、刘靖昀[3]等人研究表明，在保持其它条件不变的条件下，适当提高煤粉的细度也可达到原来不使用富氧的燃烧效果。因此，在富氧条件下，可适当提高煤粉细度，从而减少煤磨的功耗而实现节能。

　　更进一步的说，由于富氧氛围下燃料燃烧特性的改善，可在水泥生产工业中适当参加部分工业废弃物作为燃料燃烧。我公司在都江堰某企业的工程数据表明，当煤粉中加入部分替代燃料后的节能效果明显好于只是用煤粉的效果。

　　2氧气制取工艺

　　目前工业上大规模获得氧气的途径主要有深冷法和变压吸附法。深冷法的主要特点是单套装置产气量大，通常适用于单产20000Nm³/h以上的工况，同时，其相对于变压吸附最大的优点就是能够副产高纯度氮气和其它稀有气体。但是，由于深冷法的能耗较大、设备多、检修复杂、有高压低温等安全隐患等诸多缺点，目前工业富氧燃烧领域主要采用变压吸附法。成都华西化工研究所股份有限公司作为变压吸附技术的领导者，已在国内外成功推广几百套变压吸附制氧装置，该装置目前已广泛应用于钢铁、有色冶金、玻纤等各行业。

　　近年来，国内部分厂家陆续推出膜分离工艺制氧设备。但实际上膜分离工艺在工艺气体分离上并不成熟，目前没有在工业上大规模使用的成熟案例，仅在一些小型燃烧设备上配套使用，且规模都较小。究其原因，主要因为膜分离对环境的敏感、可靠性不高、产品氧气需要脱湿、膜组件寿命较短等因素，在空分制氧领域，其另一个较大的障碍在于其能耗较高。

　　因此，变压吸附空分制氧是目前工业制氧（燃烧领域）最合理的工艺方案。目前变压吸附制氧的消耗为0.38kWh/h（折合为纯氧）。由于其本身较低的消耗水平，因此同等条件下可实现更大的节能空间。

　　3结论

　　i富氧氛围可显著改善煤粉的燃烧特性，如降低煤粉的着火温度、燃烬温度，增加燃烧速度、减少燃烬时间，降低未燃烬率等。这种改善对劣质煤更加明显。

　　ii由于燃烧特性的改善，可通过使用劣质煤、添加其它替代燃料、提升产能、适当提升煤粉细度等途径实现节能。

　　iii变压吸附制氧工艺具有流程简单、设备少、全自动的操作和极少的维护、自身能耗极低等优点，因此是富氧燃烧行业最合适的氧气获取途径。

　　参考文献

　　[1] 樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋。煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究[J].中国电机工程学报，2005,25（24）：118-121.

　　[2] 刘国伟，董芃，别如山。富氧条件下煤粉气流的着火性能变化[J].化工学报，2013,64（7）：2596-2603.

　　[3] 刘靖昀。富氧条件下煤粉燃烧特性试验研究。浙江大学硕士学位论文。

　　[4] 唐强，王丽朋，闫云飞。富氧气氛下煤粉燃烧及动力学特性的实验研究[J].煤炭转化，2009,32（3）：55-59.

　　[5] 樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋。富氧气氛中煤粉燃烧特性改善的实验研究[J].西安交通大学学报，2006,40（1）：18-21.