富氧燃燒節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于水泥生產(chǎn)

　　燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過(guò)程，富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度直至純氧燃燒，富氧燃燒適用于所有的燃料（包括氣體、液體和固體）和燃燒熱被（工業(yè)鍋爐、窯爐），即能擴(kuò)大劣質(zhì)煤燃料的應(yīng)用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)燃料的性能，凡是用空氣參與的反應(yīng)均可用富氧代替。

　　富氧助燃氧濃度高、反應(yīng)快、燃燒火焰溫度高，使燃料充分燃燒，提高燃燒效率，顯著改善燃燒工況，穩(wěn)定燃燒過(guò)程，增加了熱量利用率，降低了能耗，效益顯著，對(duì)企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

　　1 水泥窯爐富氧燃燒改造意義

　　水泥生產(chǎn)需要消耗較多的能源和資源，并且原煤的設(shè)計(jì)有一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于原煤的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，煤炭灰分過(guò)高，熱值過(guò)低，因此燃料在燃燒的過(guò)程中存在不完全燃燒，飛灰機(jī)械不完全損失大等一系列問(wèn)題而造成預(yù)熱分解系統(tǒng)“連接堵塞”，降低熟料生產(chǎn)質(zhì)量，影響水泥生產(chǎn)效率和水泥質(zhì)量。富氧燃燒是解決燃料燃燒不完全最有利的措施，可以促進(jìn)燃料的完全燃燒，提高整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，提高水泥生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

　　2 水泥熟料煅燒質(zhì)量的影響因素

　　研究表明，優(yōu)質(zhì)熟料主要特征是C₃S+C₂S礦物含量高，堿含量低，礦物晶粒粒徑較細(xì)小均勻，當(dāng)生料工藝質(zhì)量參數(shù)和粉磨細(xì)度、顆粒粒徑分布、化學(xué)成分、有害成分等保持穩(wěn)定不變的情況下，回轉(zhuǎn)窯煅燒操作熱工制度和煅燒溫度、升溫速率、峰值溫度、保溫時(shí)間、窯速和冷卻速率等就決定了熟料硅酸鹽礦物C₃S和C₂S的含量和活性，熟料中晶體尺寸大小，主要決定于水泥生料的易燒性和窯的煅燒操作熱工制度的穩(wěn)定性。因此，回轉(zhuǎn)窯的煅燒操作熱工制度對(duì)硅酸鹽水泥熟料煅燒質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。

　　2.1煤質(zhì)的影響

　　水泥企業(yè)對(duì)煤質(zhì)要求并不低，對(duì)原煤品質(zhì)要求主要體現(xiàn)在灰份、揮發(fā)份、含硫和發(fā)熱量。一般回轉(zhuǎn)窯煅燒用煤質(zhì)量要求灰分A≤30%，揮發(fā)分V在18%～30%，發(fā)熱量QDW≥5000kcal/kg，煤粉細(xì)度要求控制在8%～15%，實(shí)際上，我國(guó)當(dāng)前由于優(yōu)質(zhì)煤炭供應(yīng)緊張且價(jià)格較高，許多廠(chǎng)家實(shí)際達(dá)不到這一要求，由于煤質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，煤粉在燃燒過(guò)程中存在不完全燃燒的現(xiàn)象并且煤粉燃燒后灰分全部沉落在燒成帶的熟料顆粒表面上，造成熟料顆粒表面富硅化，從而改變熟料表層礦物成分，C₃S含量下降，C₂S含量上升，從而影響熟料質(zhì)量，當(dāng)前相應(yīng)的對(duì)策措施，一是適度調(diào)整增加干法窯尾分解爐用煤量和降低窯頭噴煤量，其比例控制在6：4左右，以增加分解爐中煤灰分與灼燒生料的混合程度，降低窯頭煤灰對(duì)熟料質(zhì)量的負(fù)面影響；二是采取窯尾分解爐與窯頭喂煤質(zhì)量分別控制，分解爐喂低熱值煤，窯頭喂高熱值煤，可降低劣質(zhì)煤對(duì)窯頭熟料質(zhì)量的不利影響。

　　2.2火焰形狀和溫度的影響

　　火焰形狀的調(diào)節(jié)一方面取決于煤粉的熱值、灰分、細(xì)度和揮發(fā)分的大小，另一方面還取決于一次風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)量大小，即窯頭燃燒器的規(guī)格和性能，調(diào)整好窯火焰長(zhǎng)度也就是調(diào)整好燒成帶長(zhǎng)度，也即調(diào)整控制了熟料在高溫?zé)蓭Ａ魰r(shí)間，火焰形狀和長(zhǎng)度影響到熟料中C3S礦物的晶粒發(fā)育大小和活性。因此，在燒高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)熟料時(shí)，必須調(diào)整火焰長(zhǎng)度適中，既不拉長(zhǎng)火焰使燒成帶溫度降低，也不縮短火焰使高溫部分過(guò)于集中，從而燒垮窯皮和耐火磚而不利于窯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火焰形狀粗細(xì)必須與窯斷面積相適應(yīng)，要求比較充滿(mǎn)近料而不觸料，正常形狀保持其縱斷面為正柳葉形狀。當(dāng)燒灰分高、熱值低的劣質(zhì)煤時(shí)，其一次風(fēng)風(fēng)速應(yīng)適度加大，對(duì)于使用多通道噴煤管的窯應(yīng)增加內(nèi)、外凈風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)量，使其火焰形狀盡量控制不發(fā)散而形成正?；鹧妗?

　　干法窯窯頭火焰溫度控制，視窯型大小而異，對(duì)于2000t/d以下的窯型一般控制在1650～1850℃之間，對(duì)于大型窯如5000t/d以上窯型，火焰溫度控制在1750～1950℃的較高范圍內(nèi)比較有利，預(yù)分解窯內(nèi)火焰溫度取決于兩部分因素：一是煤粉熱值、灰分和細(xì)度，二是取決于二次風(fēng)溫和風(fēng)量大小，對(duì)于燒劣質(zhì)煤的廠(chǎng)家提高二次風(fēng)溫尤其重要。對(duì)于易燒性差的生料和含堿高的生料，適當(dāng)提高火焰溫度，采用高溫?zé)捎欣谑炝腺|(zhì)量的提高和堿分的充分揮發(fā)可獲得低堿熟料。

　　2.3熟料煅燒溫度的影響

　　一般情況下控制熟料煅燒溫度在1300～1450℃可確保熟料質(zhì)量和燒結(jié)，對(duì)于當(dāng)前我國(guó)相當(dāng)部分廠(chǎng)家由于采用雙高配料（高KH、高SM）生產(chǎn)高強(qiáng)熟料，其生料易燒性變差，相應(yīng)熟料煅燒溫度應(yīng)適度偏高控制，控制在1300～1500℃左右比較有利。

　　2.4燒成帶長(zhǎng)度的影響

　　對(duì)于雙高（高KH、高SM）熟料配料的廠(chǎng)家，要求控制燒成帶長(zhǎng)度比正常情況偏長(zhǎng)一些，煅燒溫度高一些，即"高溫長(zhǎng)帶"煅燒，有利于熟料燒結(jié)和熟料質(zhì)量的提高。

　　2.5窯速的影響

　　對(duì)于短小型預(yù)分解窯，由于其長(zhǎng)度比大型窯短，窯速應(yīng)偏低控制較好，如：Φ3×48m、Φ4×43m預(yù)分解，窯速控制在3.0～3.2轉(zhuǎn)/分。對(duì)熟料質(zhì)量比較有利，主要是因?yàn)槠涓G長(zhǎng)較短，為確保熟料在短窯內(nèi)的高溫停留時(shí)間，窯速偏低控制較為有利。

　　2.6升溫速率和冷卻速率的影響

　　優(yōu)質(zhì)熟料形成要求預(yù)熱器分解爐氣固換熱效率高，傳熱快，在窯內(nèi)過(guò)渡帶升溫階段要求快速升溫，主要操作要求就是要適度提高窯速、加大灼燒生料翻滾頻次，縮短過(guò)渡帶長(zhǎng)度，延長(zhǎng)燒成帶長(zhǎng)度，促進(jìn)熟料的礦物形成和燒結(jié)，燒高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)熟料要求快燒急冷，窯頭篦冷機(jī)操作要求強(qiáng)化一室、二室高壓風(fēng)風(fēng)量迅速，強(qiáng)化冷風(fēng)對(duì)高溫熟料的冷卻效果，這樣有利于熟料質(zhì)量的提高。

　　2.7窯氣氛的影響

　　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃煤燃燒過(guò)?？諝庀禂?shù)一般要控制在1.10～1.15左右，以窯尾廢氣中氧濃度控制在2%～3%左右為較好，即保持微氧化氣氛操作，若過(guò)?？諝庀禂?shù)控制過(guò)低，二次風(fēng)不足，易導(dǎo)致還原氣氛產(chǎn)生，窯內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛，會(huì)產(chǎn)生CO氣體，且熟料中Fe₂O₃成分被CO還原成FeO，影響熟料液相成分和黏度，影響熟料燒結(jié)，易產(chǎn)生大量黃心熟料，也浪費(fèi)熱量和燃煤消耗量，從而影響到熟料質(zhì)量的提高。

　　3  富氧燃燒改造優(yōu)點(diǎn)

　　針對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)流程，對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程富氧燃燒改造分成兩個(gè)部分，即分解爐富氧燃燒改造和回轉(zhuǎn)窯富氧燃燒改造。

　　3.1分解爐富氧燃燒優(yōu)點(diǎn)

　　分解爐系統(tǒng)是新型干法水泥生產(chǎn)工藝的重要組成部分，他承擔(dān)預(yù)分解系統(tǒng)中繁重的燃燒、換熱和碳酸鹽分解任務(wù)。這些任務(wù)能否在高效狀態(tài)下順利完成，主要取決于生料與燃料能否在爐內(nèi)很好的分散、混合和均布；燃料能否在爐內(nèi)迅速的完全燃燒，并把燃燒熱及時(shí)的傳遞給物料；生料中的碳酸鹽組分能否迅速的吸熱、分解，逸出的二氧化碳能否及時(shí)排除等。在分解爐內(nèi)生料與高溫氣流之間傳熱快，物料在爐系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)問(wèn)短，化學(xué)反應(yīng)迅速，對(duì)熱工制度的波動(dòng)較為敏感。熱工制度不穩(wěn)定，輕者會(huì)打亂正常的生產(chǎn)秩序，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)造成預(yù)熱器系統(tǒng)的粘結(jié)堵塞，甚至威脅設(shè)備安全。碳酸鹽分解是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，耗量為：碳酸鎂為815kJ/kg，碳酸鈣為1656kJ/kg，由于生料中含有大量的碳酸鹽，因此分解窯系統(tǒng)就需要大量熱，應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)有利于提高分解爐系統(tǒng)的熱效率，穩(wěn)定分解爐熱工制度，提高碳酸鹽的分解效率和質(zhì)量。

　　3.1.1降低燃點(diǎn)，提高燃燒速度

　　燃盡溫度越低，表明燃盡時(shí)間越短，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增加，煤粉燃燒的著火溫度和燃盡溫度均呈下降趨勢(shì)，因此可以說(shuō)明，富氧可燃料燃點(diǎn)并燃燒充分。

　　從上圖可以看出，富氧燃燒有助于減少燃料燃盡時(shí)間，是燃料單位時(shí)間釋放的熱量更多，有利于生產(chǎn)工藝的進(jìn)行。

　　3.1.2提高火焰溫度

　　富氧燃燒會(huì)提高燃燒過(guò)程中的反應(yīng)物濃度，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，補(bǔ)充火焰根部貧氧現(xiàn)象，強(qiáng)化火焰剛性，提高火焰溫度，提高爐內(nèi)溫度，為生產(chǎn)提供良好的條件。

　　3.1.3減少熱量損失，提高熱量利用率

　　分解爐內(nèi)的主要反應(yīng)是石灰石受熱分解成氧化鈣，這是個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，由于物料在分解爐內(nèi)停留時(shí)間短，為了追求反應(yīng)效率，必須為反應(yīng)提供足夠的熱量。富氧燃燒會(huì)減少煙氣量，減少煙氣造成的熱損失，同時(shí)富氧燃燒會(huì)提高爐內(nèi)溫度，提高爐內(nèi)熱量利用率，富氧燃燒有助于提高爐氣輻射換熱能力，使生料能夠進(jìn)行良好的熱傳遞，為石灰石分解過(guò)程提供更多的熱量，提高石灰石分解率，為后續(xù)生產(chǎn)提供良好的基礎(chǔ)。

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　　3.1.4促進(jìn)燃燒完全，減少燃料消耗量

　　富氧燃燒可以提高燃料燃盡率，提高燃料利用率，負(fù)荷相同時(shí)，富氧燃燒將消耗較少的燃料，減少燃料消耗量，同時(shí)由于富氧燃燒，燃料燃燒更充分，使灰渣中的含碳量降低，減少了燃料浪費(fèi)量，降低了產(chǎn)品的成本。

　　3.2回轉(zhuǎn)窯富氧燃燒優(yōu)點(diǎn)

　　熱工制度對(duì)水泥熟料質(zhì)量影響：

　　回轉(zhuǎn)窯的主要作用是為生料的完全分解和熟料礦物的形成提供所需的溫度和一定的停留時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)熟料的燒成。在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中主要是C₃S、C₂S礦物的形成，優(yōu)質(zhì)熟料要求C₃S、C₂S礦物含量高，堿含量低，礦物晶粒粒徑較細(xì)小均勻，發(fā)育良好。熟料中硅酸鹽礦物C₃S和C₂S的含量和活性，熟料晶體尺寸發(fā)育大小主要決定于回轉(zhuǎn)窯煅燒操作熱工制度和煅燒溫度、升溫速率、峰值溫度、保溫時(shí)間等。因此，回轉(zhuǎn)窯的煅燒操作熱工制度對(duì)硅酸鹽水泥熟料煅燒質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)加入富氧空氣以改善窯內(nèi)燃料的燃燒工況，穩(wěn)定窯系統(tǒng)的熱工制度，提高水泥熟料的生產(chǎn)質(zhì)量。

　　3.2.1穩(wěn)定火焰形狀，提高火焰溫度

　　研究表明火焰形狀和長(zhǎng)度影響到熟料中C3S礦物的晶粒發(fā)育大小和活性，因此，在燒高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)熟料時(shí)，必須調(diào)整火焰長(zhǎng)度適中，且要求火焰形狀穩(wěn)定。通入富氧以后，燃料燃燒更加穩(wěn)定，所以火焰的穩(wěn)定性能得到加強(qiáng)。采用高溫?zé)捎欣谑炝腺|(zhì)量的提高和堿分的充分揮發(fā)，可獲得低堿熟料。采用富氧燃燒技術(shù)，可使燃燒反應(yīng)更加劇烈，從而提高火焰溫度。

　　3.2.2加快燃燒速度

　　優(yōu)質(zhì)熟料形成要求在窯內(nèi)過(guò)渡帶升溫階段要求快速升溫，促進(jìn)熟料的礦物形成和燒結(jié)，通入富氧空氣以后，可加快燃燒反應(yīng)速度，提高回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的升溫速率。

　　3.2.3提高燃料燃盡率，穩(wěn)定爐內(nèi)溫度

　　富氧燃燒可以提高反應(yīng)物濃度，促進(jìn)燃料燃燒完全，使燃料燃燒單位時(shí)間釋放的熱量增加，減少灰渣含碳量，節(jié)約燃料消耗量，穩(wěn)定爐內(nèi)溫度，保證了熟料礦物燒結(jié)。

　　3.2.4增強(qiáng)輻射換熱能力，提高熱量利用率

　　富氧燃燒后窯內(nèi)溫度升高，燃料燃盡率提高，窯氣中CO2含量增加，窯氣輻射換熱能力增加，同時(shí)熱量利用率跟窯內(nèi)溫度成正比，窯溫升高有利于提高熱量利用率，使熟料燒結(jié)時(shí)可以獲得更多熱量，減少產(chǎn)品消耗燃料量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)速度，增加設(shè)備產(chǎn)能。

　　3.2.5降低過(guò)剩空氣系數(shù)，保證窯氣微氧化氣氛

　　富氧燃燒后，助燃空氣中的氧氣利用率提高，入窯N2量減少，鼓風(fēng)量降低，降低了過(guò)?？諝庀禂?shù)，同時(shí)保證窯氣處于微氧化氣氛，在減少煙氣熱損失，同時(shí)還可以避免由于窯氣還原性氣氛造成的熟料中部分礦物質(zhì)被還原，影響熟料液相的情況，保證熟料品質(zhì)的前提下節(jié)約能源。

　　3.2.6降低煤質(zhì)限制，擴(kuò)大煤種選擇范圍

　　富氧燃燒可以提高燃料燃燒時(shí)單位時(shí)間放熱量，強(qiáng)化燃燒過(guò)程，燃燒優(yōu)質(zhì)煤時(shí)可以充分利用燃料，燃燒劣質(zhì)煤時(shí)可以強(qiáng)化燃燒過(guò)程，減弱燃燒波動(dòng)，穩(wěn)定燃燒工況，擴(kuò)大了煤種的選擇范圍。

　　4 富氧燃燒安全性分析

　　4.1用氧安全分析

　　我公司富氧改造所用的氧源來(lái)源有制氧所得，有生產(chǎn)副產(chǎn)品，有工藝氣等不同的途徑，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，對(duì)于以上氧源的處理、調(diào)制、使用已有了完善的理論和技術(shù)。

　　純氧使用部分：

　　國(guó)家將‘壓縮氧’和‘液態(tài)氧’列為危險(xiǎn)的不燃?xì)怏w，對(duì)于這兩者使用有嚴(yán)格的安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，我公司通過(guò)多年的研究和實(shí)踐，對(duì)于‘壓縮氧’和‘液態(tài)氧’等純氧調(diào)制使用已經(jīng)有了一套完整的理念和技術(shù)，設(shè)計(jì)、施工、使用、安全防護(hù)等均滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)規(guī)定；

　　富氧使用部分：

　　富氧氣體是指氧濃度低于100%的氣體，不屬于國(guó)家對(duì)危險(xiǎn)氧的管理范圍，不具備危險(xiǎn)性。我公司可以通過(guò)回收富氧工藝氣作為氧源，通過(guò)相關(guān)處理后得到可以使用的相對(duì)穩(wěn)定富氧氣體，對(duì)燃燒設(shè)備進(jìn)行富氧燃燒改造。

　　4.2富氧改造安全

　　分解爐富氧燃燒改造：

　　實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，通常分解爐和回轉(zhuǎn)窯消耗燃料比是6:4，分解爐工作時(shí)要求爐內(nèi)反應(yīng)速度快，所以對(duì)分解爐富氧時(shí)，在分解爐設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，不影響物料懸浮預(yù)熱的情況下，對(duì)分解爐進(jìn)行改造。改造時(shí)只是利用富氧氣體代替普通空氣進(jìn)行助燃，不對(duì)分解爐做任何改動(dòng)，不會(huì)使分解爐產(chǎn)生安全問(wèn)題。

　　回轉(zhuǎn)窯富氧燃燒改造：

　　回轉(zhuǎn)窯是熟料燒結(jié)的地方，生產(chǎn)時(shí)需要嚴(yán)格控制窯內(nèi)溫度，避免生過(guò)燒率過(guò)高引起熟料品質(zhì)惡劣。富氧改造時(shí)根據(jù)回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)溫度和生產(chǎn)工況，進(jìn)行富氧，保證熟料燒結(jié)時(shí)得到充足的熱量的同時(shí)不會(huì)增加生過(guò)燒率；富氧燃燒后強(qiáng)化了火焰剛性，不會(huì)因富氧燃燒改造而引起熟料出爐時(shí)溫度過(guò)高，保證熟料的品質(zhì)。

　　4.3富氧系統(tǒng)使用安全

　　由于分解爐和回轉(zhuǎn)窯對(duì)爐內(nèi)工況要求嚴(yán)格，我公司設(shè)計(jì)的富氧系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備工況來(lái)設(shè)定運(yùn)行工況，使富氧系統(tǒng)能夠自動(dòng)化匹配設(shè)備工況，當(dāng)設(shè)備工況波動(dòng)時(shí)，富氧系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備工況自動(dòng)化調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高、速度快，不增加操作工額外操作，避免的人為誤差出現(xiàn)的幾率；

　　當(dāng)需要切出富氧系統(tǒng)時(shí)，只需要關(guān)閉富氧系統(tǒng)即可，不需要設(shè)備工況做出任何改動(dòng)，保持了設(shè)備的獨(dú)立性，停止富氧系統(tǒng)后，設(shè)備即可恢復(fù)原工作狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生新的安全和生產(chǎn)問(wèn)題。

水泥生產(chǎn)過(guò)程富氧燃燒改造流程示意圖