姜政華:膜法制氧技術(shù)在干法水泥爐窯應(yīng)用前景展望
9月25日,由中國(guó)水泥網(wǎng)主辦、中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司特別主辦、淄博市魯中耐火材料有限公司特別協(xié)辦的“2013中國(guó)水泥節(jié)能技術(shù)交流大會(huì)”在山東濟(jì)南成功召開(kāi),大會(huì)邀請(qǐng)到行業(yè)內(nèi)眾多知名企業(yè)家、專家、學(xué)者共聚一堂,總結(jié)和分享國(guó)內(nèi)多年水泥節(jié)能技術(shù)發(fā)展成果,將對(duì)水泥行業(yè)節(jié)能技術(shù)發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)“十二五”綠色GDP發(fā)展目標(biāo)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。會(huì)上煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司董事長(zhǎng)姜政華作了題為《膜法制氧技術(shù)在干法水泥爐窯應(yīng)用前景展望》的主題報(bào)告,就膜法制氧技術(shù)在水泥爐窯中的應(yīng)用和前景作了詳細(xì)的講解,全文如下:
煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司董事長(zhǎng)姜政華
一、國(guó)外膜法制氧助燃技術(shù)的發(fā)展
膜法制氧助燃技術(shù)源于美國(guó);70年代末,富氧氣體分離膜法制氧技術(shù)是由美國(guó)孟山都公司發(fā)明,首先應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上;1983年美國(guó)康寧公司率先在溶化爐采用全富氧燃燒技術(shù),獲得成功。
興起在德國(guó);上世紀(jì)八十年代末,林德公司開(kāi)始批量生產(chǎn)膜法制氧助燃設(shè)備。
日本松下電器工業(yè)有限公司50Nm3/h 板式富氧膜組件
發(fā)展在日本;上世紀(jì)九十年代,日本引進(jìn)該技術(shù),并且政府介入。從1996始,日本政府規(guī)定,所有的工業(yè)爐窯、工業(yè)鍋爐,包括船用鍋爐都不能用空氣助燃,必須用富氧助燃。從而帶動(dòng)世界許多國(guó)家全面推廣采用膜法制氧助燃技術(shù)。
前蘇聯(lián)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、捷克等國(guó)家均有膜法制氧用于助燃的報(bào)道。
日本松下電器工業(yè)有限公司250Nm3/h 制氧系統(tǒng)
日本第二代富氧產(chǎn)品
日本膜法制氧助燃技術(shù)的應(yīng)用
日本曾在以氣、油、煤為燃料的不同場(chǎng)合進(jìn)行了富氧應(yīng)用試驗(yàn),得出如下結(jié)論:用23%的全富氧助燃可節(jié)能10-25%;用25%的全富氧助燃可節(jié)能20-40%;用27%的全富氧助燃則節(jié)能高達(dá)30-50%等。
綜上所述,燃料在氧濃度26%的全富氧燃燒下,運(yùn)行最經(jīng)濟(jì),節(jié)能效果最明顯。
[Page]二、應(yīng)用于燃燒領(lǐng)域的制氧方法及概況
深冷空分技術(shù):始于1903年,高爐煉鋼主要采用(深冷法)富氧噴煤技術(shù),已有將近一個(gè)世紀(jì)的歷史,綜合節(jié)能效益非常顯著。至今是鋼鐵廠標(biāo)配的主流工藝技術(shù),現(xiàn)建鋼廠必建制氧車(chē)間。
變壓吸附制氧技術(shù):發(fā)明于1958年,上世紀(jì)70年代應(yīng)用在燃燒領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代我國(guó)把高爐富氧噴煤作為發(fā)展鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的重點(diǎn)改造項(xiàng)目,在冶金行業(yè)推廣使用。
膜法制氧技術(shù):上世紀(jì)70年代興起,1983年美國(guó)康寧公司率先應(yīng)用在燃燒領(lǐng)域,在熔化爐采用全富燃燒技術(shù)并成功。
膜法制氧技術(shù)是成熟的技術(shù),為提供富氧空氣用于燃燒領(lǐng)域開(kāi)辟了一條新途徑。特別是對(duì)回轉(zhuǎn)窯需要大流量富氧空氣,膜法制氧是最安全、投資量少,且安裝簡(jiǎn)單,操作方便靈活,使用壽命長(zhǎng),維修費(fèi)用低,為我國(guó)工業(yè)爐窯應(yīng)用膜法制氧開(kāi)辟出一條全新的道路。
三、膜法制氧技術(shù)原理
膜法制氧技術(shù)是利用滲透的原理,即氧分子通過(guò)膜向化學(xué)勢(shì)降低的方向運(yùn)動(dòng),首先運(yùn)動(dòng)至膜的外表面層上,并溶解于膜中,然后在膜的內(nèi)部擴(kuò)散至膜的內(nèi)表面層解吸,其推動(dòng)力為膜兩側(cè)的該氣體分壓差,由于混合氣體中不同組分的氣體通過(guò)膜時(shí)的速度不同,氧分子優(yōu)先通過(guò)分離膜從而達(dá)到提純富氧氣體的目的,稱作膜法制氧,氧濃度一般在30%左右。氧濃度大于21%、小于40%的氣體稱為富氧。
四、膜法制氧工藝流程
膜法制氧助燃節(jié)能裝置是由:1.空氣凈化器、2.離心通風(fēng)機(jī)、3.大型集成化膜組件、4.真空泵、5.脫濕裝置6、穩(wěn)壓裝置、7.增壓風(fēng)機(jī)、8.系統(tǒng)管路、9.自動(dòng)化控制操作系統(tǒng)等組成的。
五、膜法制氧-富氧助燃技術(shù)節(jié)能原理
富氧條件下的爐內(nèi)各有關(guān)溫度的變化及傳熱量的變化
富氧助燃技術(shù)是近代燃燒的新突破,它是使燃料中的揮發(fā)份和沒(méi)燃盡的碳粒子在富氧中充分燃燒,在不增加燃料的前提下,火焰溫度提高100~350℃,使燃燒速度加快,熱輻射迅速增強(qiáng)的技術(shù)。該技術(shù)強(qiáng)化燃燒,降低空氣過(guò)量系數(shù),降低燃燒后的排氣量和粉塵量,降低二氧化碳,提高燃燒效率,使燃料在富氧燃燒中極大的轉(zhuǎn)化成熱能,工業(yè)爐窯或工業(yè)鍋爐采用該技術(shù)后,一般節(jié)能率在5~15%,設(shè)備投資回收期短,經(jīng)濟(jì)效益或社會(huì)效益是巨大的。發(fā)達(dá)國(guó)家稱該技術(shù)為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”,并已經(jīng)在燃燒的各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
六、膜法制氧的安全性
膜法制氧的過(guò)程是純物理過(guò)程,無(wú)相變等,常溫低壓下靜態(tài)制氧,制取的氧氣純度約為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燒工程案例中證明是安全可靠的,無(wú)需按照氧氣站建設(shè)規(guī)范建設(shè)、無(wú)需采用氧用介質(zhì)的輸送設(shè)備,無(wú)需脫脂處理,無(wú)任何安全隱患。
[Page]七、膜法制氧與變壓吸附制氧應(yīng)用于水泥行業(yè)的使用壽命對(duì)比與參考
大多數(shù)人常誤認(rèn)為膜分離器的膜材料不如變壓吸附的分子篩耐用,是因?yàn)椴涣私鈨煞N材料對(duì)應(yīng)環(huán)境下的工業(yè)設(shè)計(jì)條件。實(shí)際上,無(wú)論膜法制氧的膜分離材料還是變壓吸附的分子篩(吸附劑),都是一種分離材料,其壽命都對(duì)應(yīng)于實(shí)際使用的環(huán)境,在不同的環(huán)境下材料具有不同的使用壽命。工業(yè)設(shè)計(jì)中,均需對(duì)環(huán)境污染條件進(jìn)行必要的過(guò)濾設(shè)計(jì),以高效過(guò)濾措施方可滿足其長(zhǎng)效的使用壽命。
眾所周知,在水泥工業(yè)高濃度的粉塵污染環(huán)境中,水泥粉是高堿性的粉塵污染物,具有3微米的正態(tài)分布中徑,工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,將使用嚴(yán)格的過(guò)濾措施方可保證材料的長(zhǎng)效使用壽命。
膜法制氧是靜態(tài)制氧。經(jīng)不斷的研發(fā)與改進(jìn),且長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)踐證明,多級(jí)高效過(guò)濾器祛除粉塵污染物之后的膜材料具有10年以上的超長(zhǎng)使用壽命。而且膜法制氧的分離過(guò)程是錯(cuò)流的,其空氣通道與富氧通道是分開(kāi)的,因不斷輸入的空氣會(huì)將沉積在膜分離材料表面的粉塵在空氣通道帶走從而形成一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),這并不影膜法制氧過(guò)程的使用。通俗的說(shuō),膜法制氧的過(guò)程的粉塵污染是有進(jìn)有出,最終達(dá)到平衡而不影響使用。即使存在的一定量的粉塵污染,當(dāng)10年后達(dá)到富氧膜達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命時(shí),沉積下較多的粉塵也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)清洗措施使得制氧設(shè)備恢復(fù)其大部分性能。
變壓吸附制氧過(guò)程是動(dòng)態(tài)制氧,無(wú)論雙塔還是多塔,需要很多閥門(mén)進(jìn)行切換,可靠性與膜法制氧相比要差的多,閥門(mén)需要定期維護(hù)密封件。分子篩一般具有5~10年的使用壽命,維護(hù)成本較膜法制氧系統(tǒng)高。變壓吸附的分子篩即使采用了嚴(yán)格的粉塵過(guò)濾,因無(wú)法截留100%的粉塵,而且氣流通過(guò)吸附分離床中裝填的分子篩制氧,這相當(dāng)于一個(gè)死端過(guò)濾過(guò)程,不斷進(jìn)入的微粒類粉塵將嚴(yán)重堵塞分子篩的空氣流道。通俗的說(shuō),變壓吸附過(guò)程的粉塵污染是有進(jìn)無(wú)出或者有進(jìn)少量的出,最終影響床層的壓差與分離性能,直至分離性能喪失??梢院敛豢鋸埖恼f(shuō),在水泥工業(yè),無(wú)論將變壓吸附制氧過(guò)程的羅茨鼓風(fēng)機(jī)帶入的水泥粉塵過(guò)濾到什么程度,都將有部分粉塵進(jìn)入吸附床層,堵塞分子篩空氣通道,這一過(guò)程是無(wú)法克服的。
比如,一套1000m3/h,90%的變壓吸附制氧設(shè)備,需要加工的空氣量是12000m3/h,即使過(guò)濾到含塵量0.5 mg/m3計(jì)(工業(yè)過(guò)程實(shí)際上難以達(dá)到這一水平),1年累積進(jìn)入的粉塵將達(dá)到:
0.5 mg/m3×12000m3/h×24h×330天/年=47.52kg/年
床層將以年40多千克的粉塵累積,結(jié)合分子篩吸附的水分,與水泥的高堿性(水溶解平衡后的堿性將達(dá)到PH值為13)將嚴(yán)重的破壞分子篩,降低其性能指標(biāo)。
而如果需要維護(hù),則需要大動(dòng)干戈去更換,甚至無(wú)法在制造廠按照通常的活化手段來(lái)恢復(fù)其性能。
因此,相比較而言,膜法制氧更適宜干法水泥爐窯。
八、膜法制氧的可操作性
膜法制氧控制過(guò)程簡(jiǎn)單,泵開(kāi)即開(kāi),泵停即停,本身無(wú)需控制,圍繞回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行富氧燃燒時(shí)設(shè)計(jì)的控制過(guò)程主要是機(jī)泵的保護(hù)、連鎖、故障報(bào)警以及流體分配,對(duì)結(jié)合水泥窯富氧燃燒進(jìn)行富氧純度、流量調(diào)節(jié)時(shí),僅需簡(jiǎn)單的改變真空泵的轉(zhuǎn)速和真空度參數(shù)即可滿足純度與流量的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)過(guò)程連續(xù)供氧,無(wú)需緩沖容積。
九、膜法制氧對(duì)改造主體設(shè)備的安全性影響
膜法制氧直接自空氣中制取純度約為30%富氧,系統(tǒng)自開(kāi)機(jī)1分鐘即可達(dá)到供氧純度,無(wú)需儲(chǔ)存環(huán)節(jié),無(wú)需混合空氣,可直接入爐,沒(méi)有因混合空氣環(huán)節(jié)帶來(lái)的安全性風(fēng)險(xiǎn),不會(huì)對(duì)窯爐、噴槍、燃燒器等造成損害。使用更安全,并且也因?yàn)槟しㄖ蒲踹^(guò)程開(kāi)機(jī)迅速,更有利于與窯爐的使用做更安全的無(wú)損工藝切換。
十、膜法制取富氧氣體的特性
膜法制氧過(guò)程有效的回收了動(dòng)力設(shè)備的壓縮能,其制取的是120℃左右的富氧,大量熱態(tài)富氧空氣折算等量功率,其制取能量消耗遠(yuǎn)低于變壓吸附方法,可大幅節(jié)約運(yùn)行成本。
十一、膜法制氧富氧助燃技術(shù)開(kāi)辟了水泥爐窯節(jié)能減排的新篇章
水泥產(chǎn)業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排的重點(diǎn)和難點(diǎn),其節(jié)能減排效果對(duì)完成我國(guó)能源消耗目標(biāo)、工業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。
膜法制氧富氧助燃節(jié)能技術(shù)的誕生,就可稱為能源科技革命的突破性進(jìn)展。作為近代燃燒技術(shù)創(chuàng)新的一次重大突破,它較好的解決了窯爐燃燒中因缺氧導(dǎo)致熱效率低下的問(wèn)題,并減少煙氣的排出,實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境,被譽(yù)為燃燒領(lǐng)域的“二次革命”,發(fā)達(dá)國(guó)家稱之為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”。
2011年4月,煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司研發(fā)生產(chǎn)的全國(guó)首臺(tái)MZYR-2500膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置在煙臺(tái)海洋水泥有限公司投入運(yùn)行。
2012年,煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司研發(fā)生產(chǎn)的MZYR-12000膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置在河南天瑞集團(tuán)汝州水泥日產(chǎn)5000噸的水泥回轉(zhuǎn)窯上投入試運(yùn)行。
目前,都江堰拉法基水泥有限公司、棗莊中聯(lián)水泥有限公司業(yè)正在安裝調(diào)試期間。
十二、目前存在的問(wèn)題
新型干法水泥生產(chǎn)線應(yīng)用膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置,采用富氧煅燒工藝,比用空氣煅燒節(jié)能減排效果明顯、毋容置疑,但為何采用富氧助燃技術(shù)的爐窯節(jié)能效果有時(shí)出現(xiàn)反復(fù)。主要有以下原因:
1. 干法水泥爐窯的監(jiān)測(cè)儀表、窯操軟件都是按空氣煅燒工藝設(shè)計(jì)。自動(dòng)化程度越高,調(diào)整越難。
2. 現(xiàn)有的窯操員都是按空氣煅燒工藝培養(yǎng)出來(lái)的。
3. 現(xiàn)有的熟料煅燒工藝都是按空氣煅燒制定的。
4. 有時(shí)爐窯大修,更換燃燒器、羅茨風(fēng)機(jī)和煤種原因造成的。
如果干法水泥爐窯采用富氧煅燒工藝,需要調(diào)整二次風(fēng)溫,燒成帶的監(jiān)測(cè)儀表的位置(因?yàn)椴捎酶谎跞紵鹧骈L(zhǎng)度變短,現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)儀表位置布置不準(zhǔn),顯示不出真實(shí)溫度);操窯員應(yīng)按富氧煅燒工藝操作,工藝部門(mén)應(yīng)修改熟料富氧煅燒工藝,調(diào)整操作規(guī)程,鞏固提高富氧煅燒的節(jié)能效果。
十三、前景展望
據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2012年底,我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線達(dá)到1637條,設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)能達(dá)16億噸。如果這些生產(chǎn)線全部采用目前膜法制氧富氧助燃節(jié)能技術(shù),按照節(jié)煤10%計(jì),年可節(jié)煤1997.55萬(wàn)噸,每噸標(biāo)煤按980元計(jì),全年可節(jié)約資金195.76億元人民幣。減少煙氣排放量163199.84萬(wàn)Nm3,減少排放二氧化碳4993.88萬(wàn)噸。如果新型干法水泥生產(chǎn)線采用膜法制氧全富氧助燃節(jié)能技術(shù),節(jié)煤率可達(dá)30-40%,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。因此,膜法制氧富氧助燃技術(shù)是目前工業(yè)爐窯實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降耗的重要手段和必由之路。該技術(shù)的成功應(yīng)用,不僅能帶動(dòng)其他新生行業(yè),而且標(biāo)志著我國(guó)工業(yè)爐窯節(jié)能改造在科技創(chuàng)新方面達(dá)到了新的高度。隨著國(guó)家的大力推廣節(jié)能減排產(chǎn)品,富氧助燃節(jié)能技術(shù)有望成為水泥行業(yè)繼純低溫余熱發(fā)電之后又一新舉措,將為我國(guó)建材行業(yè)節(jié)能減排和環(huán)保事業(yè)作出巨大貢獻(xiàn)。
編輯:劉冰
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