富氧燃燒在水泥行業(yè)的應用

　　引言

　　水泥行業(yè)是我國國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)，也是主要的能源資源消耗和污染物排放行業(yè)之一。與國際先進水平相比，國內(nèi)水泥企業(yè)的主要問題主要表現(xiàn)在高燃料（煤）消耗和高電耗；當前大部分企業(yè)利用余熱發(fā)電技術(shù)后降低了一部分電力成本，而煤耗大的問題還困擾著企業(yè)。因此，有效降低單位熟料（水泥）煤耗，是水泥企業(yè)亟待解決的問題。

　　經(jīng)過多年的摸索實踐和水泥專家的廣泛論證，水泥熟料生產(chǎn)線富氧燃燒節(jié)能技改方案是一個有效的方法，能夠很好地幫助水泥企業(yè)降低煤耗問題。該項目以富氧燃燒技術(shù)為主要手段，在回轉(zhuǎn)窯中使用28%-35%的富氧空氣，提高燃料的燃燒效率，或者使用劣質(zhì)煤（或工業(yè)廢棄物）替代優(yōu)質(zhì)煤，從而大大降低熟料生產(chǎn)的燃料成本。

　　1富氧燃燒的節(jié)能機理

　　通常將氧氣含量大于21%的空氣稱為富氧空氣，富氧燃燒技術(shù)是一項新型的適用于各種工業(yè)鍋爐（窯爐）的節(jié)能集成技術(shù)。富氧燃燒對所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業(yè)鍋爐均適用，既能提高劣質(zhì)燃料的應用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應的均可用富氧代替。

　　1.1改善燃燒特性

　　A、對著火的影響

　　著火是由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到反應能自動加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程，相對應的溫度稱為著火溫度，它反映了煤粉著火的難易程度。樊越勝[1]、劉國偉[2]、劉靖昀[3]等人研究表明，隨著助燃氣體氧濃度的提高，各煤樣的著火溫度均大幅下降。

　圖1 氧濃度對著火溫度的影響        圖2 不同揮發(fā)分煤樣著火點降低曲線

　　但是，不同的煤種，對加入富氧后的反應變化不一樣。其中低揮發(fā)分煤種在著火方面對富氧條件的改善更為敏感，即富氧條件的改善可減弱煤種間著火性能方面的差異性。上述研究結(jié)果為“富氧條件下采用劣質(zhì)煤燃燒”提供了實驗基礎(chǔ)。

　　劉靖昀[3]研究了六種煤在不同富氧濃度條件下的著火溫度變化。

　　上述實驗數(shù)據(jù)表明，東北貧煤（工業(yè)分析：揮發(fā)分13.87%）著火點對氧濃度的變化最為敏感，著火溫度下降24%，直接降低了147℃。

　　B、對燃燒速度的影響

　　樊越勝[1，5]、唐強[4]等人利用熱天平對煤樣在不同氧濃度條件下的燃燒失重曲線進行了研究，結(jié)果都表明提高富氧濃度可改善煤種可燃質(zhì)的整體分解及燃燒速率，縮短燃燒時間，使煤的反應活性得到改善。

圖3 煤在不同氧濃度條件下的DTG曲線   圖4 煤在不同氧濃度條件下燃燼溫度曲線

　　C、對燃料燃燼的影響

　　燃燼溫度是煤樣基本燃盡的溫度，燃燼溫度越低，表明燃盡時間越短，煤樣越容易燃燒殘?zhí)恐械目扇际Ｓ嗔烤驮缴?。樊越勝[1，5]、唐強[4]等人研究了不同氧濃度條件下煤粉的燃燼溫度的變化趨勢，從圖4可以看出，隨著氧濃度的增加，煤粉燃燒的著火溫度和燃燼溫度均呈下降趨勢，說明富氧可使煤粉的著火提前并燃燒充分。從圖4也可看到，當氧濃度大于40%時，這種趨勢變緩。

　　樊越勝[1，5]等人研究了不同氧濃度對煤粉燃燒時間和燃燼率的影響。圖5表明，當氧濃度從20~40%變化時，燃燒時間減少較快。從圖6看到，當氧濃度增加，燃料的未燃燼率明顯下降，但這種趨勢在氧濃度大于40%時變得不是十分明顯。

圖5 燃燒時間隨氧濃度的變化                 圖6 煤未燃燼率隨氧濃度的變化

　　D、對火焰形狀的影響

　　火焰形狀對回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒的穩(wěn)定具有十分重要的作用。一般來說，良好的火焰形狀應保持合適的長度，均勻地充滿整個窯截面、近料而不觸料，在端面上保持圓形、縱向剖面保持“棒槌形”。上述文獻均研究表明，合理提高燃燒氣氛的富氧濃度，能顯著改善煤粉的燃燒特性，特別是改善劣質(zhì)煤的燃燒特性。煤粉在燃燒氣氛中穩(wěn)定燃燒，為回轉(zhuǎn)窯保持火焰形狀提供了最基礎(chǔ)的保證。

　　1.2降低空氣過剩系數(shù)，提高煙氣溫度和傳熱效率

　　回轉(zhuǎn)窯的操作要求保持窯內(nèi)的微氧化氛圍。在保證相同氧濃度的情況下，由于采用了富氧空氣，則可降低空氣的過剩系數(shù)?？諝膺^剩系數(shù)降低，不僅能減少排放煙氣，也可減少帶入的N₂，提高燃燒煙氣的溫度。同時，由于燃燒煙氣中N₂含量的減少，相對的，煙氣中的CO₂含量則會增加。總體來說，增加了煙氣中三原子氣體的含量。由于在火焰中能發(fā)生強大輻射作用的只有H₂O和CO₂等三原子氣體，故火焰溫度和火焰的黑度均隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而顯著提高，進而提高了窯內(nèi)氣氛的輻射傳熱能力，即強化了窯內(nèi)總體傳熱效率，所以用富氧燃燒能顯著節(jié)約能源。

　　1.3節(jié)能途徑

　　綜合上述文獻表明，由于富氧氛圍可明顯改善燃燒特性、提高傳熱效率。因此在保持水泥生產(chǎn)線其它條件不變的情況下，采用劣質(zhì)煤替代較高品質(zhì)的煤種，由于二者之間的價格差而實現(xiàn)節(jié)能。

　　同時，由于富氧氛圍下燃料的燃燒速度增大，提高了系統(tǒng)的熱力強度，因此可提高原生產(chǎn)線的處理能力，由于產(chǎn)能提升，從而熟料單耗下降。上述兩方面都可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的節(jié)能。

　　樊越勝[1]、劉靖昀[3]等人研究表明，在保持其它條件不變的條件下，適當提高煤粉的細度也可達到原來不使用富氧的燃燒效果。因此，在富氧條件下，可適當提高煤粉細度，從而減少煤磨的功耗而實現(xiàn)節(jié)能。

　　更進一步的說，由于富氧氛圍下燃料燃燒特性的改善，可在水泥生產(chǎn)工業(yè)中適當參加部分工業(yè)廢棄物作為燃料燃燒。我公司在都江堰某企業(yè)的工程數(shù)據(jù)表明，當煤粉中加入部分替代燃料后的節(jié)能效果明顯好于只是用煤粉的效果。

　　2氧氣制取工藝

　　目前工業(yè)上大規(guī)模獲得氧氣的途徑主要有深冷法和變壓吸附法。深冷法的主要特點是單套裝置產(chǎn)氣量大，通常適用于單產(chǎn)20000Nm³/h以上的工況，同時，其相對于變壓吸附最大的優(yōu)點就是能夠副產(chǎn)高純度氮氣和其它稀有氣體。但是，由于深冷法的能耗較大、設(shè)備多、檢修復雜、有高壓低溫等安全隱患等諸多缺點，目前工業(yè)富氧燃燒領(lǐng)域主要采用變壓吸附法。成都華西化工研究所股份有限公司作為變壓吸附技術(shù)的領(lǐng)導者，已在國內(nèi)外成功推廣幾百套變壓吸附制氧裝置，該裝置目前已廣泛應用于鋼鐵、有色冶金、玻纖等各行業(yè)。

　　近年來，國內(nèi)部分廠家陸續(xù)推出膜分離工藝制氧設(shè)備。但實際上膜分離工藝在工藝氣體分離上并不成熟，目前沒有在工業(yè)上大規(guī)模使用的成熟案例，僅在一些小型燃燒設(shè)備上配套使用，且規(guī)模都較小。究其原因，主要因為膜分離對環(huán)境的敏感、可靠性不高、產(chǎn)品氧氣需要脫濕、膜組件壽命較短等因素，在空分制氧領(lǐng)域，其另一個較大的障礙在于其能耗較高。

　　因此，變壓吸附空分制氧是目前工業(yè)制氧（燃燒領(lǐng)域）最合理的工藝方案。目前變壓吸附制氧的消耗為0.38kWh/h（折合為純氧）。由于其本身較低的消耗水平，因此同等條件下可實現(xiàn)更大的節(jié)能空間。

　　3結(jié)論

　　i富氧氛圍可顯著改善煤粉的燃燒特性，如降低煤粉的著火溫度、燃燼溫度，增加燃燒速度、減少燃燼時間，降低未燃燼率等。這種改善對劣質(zhì)煤更加明顯。

　　ii由于燃燒特性的改善，可通過使用劣質(zhì)煤、添加其它替代燃料、提升產(chǎn)能、適當提升煤粉細度等途徑實現(xiàn)節(jié)能。

　　iii變壓吸附制氧工藝具有流程簡單、設(shè)備少、全自動的操作和極少的維護、自身能耗極低等優(yōu)點，因此是富氧燃燒行業(yè)最合適的氧氣獲取途徑。

　　參考文獻

　　[1] 樊越勝，鄒崢，高巨寶，曹子棟。煤粉在富氧條件下燃燒特性的實驗研究[J].中國電機工程學報，2005,25（24）：118-121.

　　[2] 劉國偉，董芃，別如山。富氧條件下煤粉氣流的著火性能變化[J].化工學報，2013,64（7）：2596-2603.

　　[3] 劉靖昀。富氧條件下煤粉燃燒特性試驗研究。浙江大學碩士學位論文。

　　[4] 唐強，王麗朋，閆云飛。富氧氣氛下煤粉燃燒及動力學特性的實驗研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2009,32（3）：55-59.

　　[5] 樊越勝，鄒崢，高巨寶，曹子棟。富氧氣氛中煤粉燃燒特性改善的實驗研究[J].西安交通大學學報，2006,40（1）：18-21.