李明飛，陶從喜，李小金，孫于龍，陳宏艷，鄭麗雅

1 前言

水泥工業(yè)從誕生之日起至今，一直采用常規(guī)空氣作為燃料燃燒時(shí)所需的氧氣來(lái)源。因此，圍繞燃料燃燒所開(kāi)展的節(jié)能技術(shù)主要是在此供氧方式基礎(chǔ)上對(duì)窯頭燃燒器的發(fā)展和創(chuàng)新，包括改變?nèi)紵鳉饬骱兔悍郾壤⒏淖儦饬鞯男D(zhuǎn)方式、增加煤粉和空氣的接觸、優(yōu)化燃燒火焰的形狀和長(zhǎng)度以及增加煤粉的適應(yīng)性等。然而，與理想的節(jié)能要求相比，目前的燃燒技術(shù)仍存在如下弊端：尾氣風(fēng)量大，且該部分氣體以300～400°C的高溫廢氣形式排出（不考慮余熱發(fā)電），帶走了大量熱量（約643kJ/kg熟料）；采用空氣助燃過(guò)程中，向系統(tǒng)中引入了大量惰性氣體氮?dú)猓摎怏w不僅會(huì)帶走大量熱量，還可能導(dǎo)致NOx排放濃度升高，尾氣中CO2濃度降低，以致難以分離和捕集[1]。

1937年，富氧技術(shù)成功應(yīng)用于底吹轉(zhuǎn)爐煉鋼（Bessemer）上，這不僅是世界上最早的富氧冶煉技術(shù)[2]，也是該技術(shù)在工業(yè)上的早期研究與生產(chǎn)實(shí)踐。富氧技術(shù)發(fā)展至今，已成功應(yīng)用于有色金屬冶煉、玻璃池爐、化鐵爐和鑄造爐節(jié)能等，并顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了能源消耗以及環(huán)境污染，節(jié)能率一般在5%～16%[3]。

在水泥工業(yè)中，相對(duì)于空氣供氧的燃燒技術(shù)而言，富氧燃燒也不斷顯現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)：該技術(shù)可以降低尾氣體積、減少該部分熱量損失、提高火焰溫度及黑度、加大火焰對(duì)物料的輻射傳熱能力、提高尾氣中的CO2濃度以利于其捕集與封存等。除此之外，該技術(shù)還存在一些潛在的優(yōu)勢(shì)，如可降低漏風(fēng)量、減少窯尾結(jié)圈（或預(yù)熱器內(nèi)結(jié)皮）以及減小設(shè)備尺寸等[4]。因此，富氧燃燒技術(shù)為水泥工業(yè)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、走綠色環(huán)保道路指出了一個(gè)新的方向，也不斷實(shí)現(xiàn)著由概念到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。圍繞該技術(shù)，國(guó)內(nèi)外一些水泥企業(yè)已進(jìn)行了一定的研究并取得了一些成果。比如Txi's Midlothian水泥廠、California Portland's Mojave水泥廠以及韓國(guó)的東洋水泥廠均取得了5%以上的節(jié)能率[5,6]；在國(guó)內(nèi)的水泥企業(yè)中，如山東煙臺(tái)海洋700t/d生產(chǎn)線、河南汝州天瑞5000t/d生產(chǎn)線也都取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。富氧燃燒技術(shù)在水泥工業(yè)中極具應(yīng)用前景。

2 富氧燃燒技術(shù)方案

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常把氧含量大于21%的空氣叫做富氧空氣。所謂富氧燃燒（oxygen enriched combustion，簡(jiǎn)稱OEC），是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度時(shí)與燃料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。按助燃劑的類型，富氧燃燒可分為局部富氧和整體富氧燃燒；按氧氣的濃度，富氧燃燒可分為低濃度（21%～30%O2）、高濃度（30%～90%）、全氧（90%～95%）直至純氧（95%～100%）燃燒。而對(duì)于富氧燃燒的工業(yè)窯爐來(lái)說(shuō)，富氧空氣中的氧含量一般不超過(guò)28%～30%[7]。

2.1 富氧空氣的制取

富氧空氣的制取是富氧助燃技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，也是國(guó)內(nèi)外研究的主要課題。目前，工業(yè)制氧方法大致可分為空氣冷凍分離法、變壓吸附法和膜法制氧三種方式[8]。

（1）空氣冷凍分離法。該法是利用空氣中氧氣和氮?dú)獾姆悬c(diǎn)不同，從空氣中制備氧氣的方法。首先，把空氣預(yù)冷、凈化（去除空氣中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳?xì)浠衔锏葰怏w和灰塵等雜質(zhì)），然后壓縮、冷卻，使之成為液態(tài)空氣。其次，在精餾塔中把液態(tài)空氣多次蒸發(fā)和冷凝，最終將氧氣和氮?dú)夥蛛x。

（2）變壓吸附法。變壓吸附法是利用氮分子大于氧分子的特性，使用特制的分子篩把空氣中的氧分離出來(lái)。首先，用壓縮機(jī)迫使干燥的空氣通過(guò)分子篩，空氣中的氮分子即被分子篩所吸附，氧氣進(jìn)入吸附器內(nèi)，當(dāng)吸附器內(nèi)氧氣達(dá)到一定量（壓力達(dá)到一定程度）時(shí)，即可打開(kāi)出氧閥門放出氧氣。

（3）膜法制氧。其原理為：在膜兩側(cè)的氣體分壓差推動(dòng)下，分子通過(guò)膜向化學(xué)勢(shì)降低的方向運(yùn)動(dòng)至膜的外表層上并溶解于膜中，然后擴(kuò)散至膜的內(nèi)表面層進(jìn)行解吸。由于O2通過(guò)膜的速率大于N2通過(guò)膜的速率，因此O2率先通過(guò)膜表面，而大部分N2直接從排氣孔排入大氣，從而達(dá)到氣體分離的目的。

考慮到新型干法窯的實(shí)際情況、以及制氧成本、設(shè)備維護(hù)等方面的因素，不管從操作角度還是投資成本，膜法制氧均具有明顯的優(yōu)勢(shì)[9]。因此，在現(xiàn)代中小型水泥生產(chǎn)線上使用膜法制氧，是較為經(jīng)濟(jì)可行的制氧方式。

2.2 富氧燃燒技術(shù)實(shí)施方法

由于新型干法水泥生產(chǎn)線用氣量較大，以現(xiàn)有的制氧技術(shù)，很難實(shí)現(xiàn)全富氧助燃，因此，在水泥生產(chǎn)線中，一般采用局部富氧燃燒技術(shù)[10]，主要包括以下幾種形式：

（1）用富氧空氣代替原窯頭一次風(fēng)和窯頭、窯尾送煤風(fēng)，通過(guò)煤粉與富氧空氣的充分混合來(lái)加強(qiáng)燃燒效果，從而提高煤粉的燃盡率與火焰溫度。

（2）用專門的設(shè)備把富氧氣體通入回轉(zhuǎn)窯并以一定的角度噴入，使窯內(nèi)缺氧區(qū)域富集較高濃度的富氧氣體，從而加強(qiáng)燃燒和穩(wěn)定火焰形狀。

（3）用富氧空氣代替窯頭煤風(fēng)與窯尾煤風(fēng)。這種助燃方案主要應(yīng)用于產(chǎn)氣量較小的情況。

3 富氧燃燒技術(shù)在某水泥廠的應(yīng)用實(shí)例

為了進(jìn)一步降低水泥生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)某水泥廠加裝了由國(guó)內(nèi)一知名公司生產(chǎn)的2500型富氧助燃節(jié)能裝置。在富氧設(shè)備正常運(yùn)行后，我們對(duì)該生產(chǎn)線燒成系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)熱工測(cè)試，并分析了富氧燃燒技術(shù)對(duì)該廠水泥窯運(yùn)行過(guò)程中的助燃及節(jié)能減排效果。

3.1 制氧流程

該廠采用了國(guó)內(nèi)外廣泛使用的低能耗、高流量的膜法制氧系統(tǒng)，流程圖如圖1所示。首先，將普通空氣經(jīng)過(guò)噴淋式空氣過(guò)濾器濾除粉塵顆粒及油污等雜質(zhì)后，用增壓風(fēng)機(jī)送入富氧膜分離裝置，通過(guò)羅茨真空機(jī)組抽真空，使富氧膜分離裝置形成負(fù)壓，在壓力差的作用下，使?jié)B透速率較快的氧氣率先被分離出來(lái)，產(chǎn)生氧氣含量為26%±1%的富氧空氣，通過(guò)窯頭羅茨風(fēng)機(jī)、三次風(fēng)管和窯尾煤風(fēng)管道分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯和分解爐進(jìn)行富氧燃燒；其次，在窯頭燃燒器噴油管內(nèi)通入由分子篩制氧設(shè)備提供的濃度為38%的富氧空氣。

3.2 測(cè)試方法

測(cè)試和計(jì)算方法依據(jù)GB/T 26282-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡測(cè)定方法》和GB/T 26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計(jì)算方法》的要求進(jìn)行。各種物料的化學(xué)分析及煤的工業(yè)分析均以測(cè)試期間現(xiàn)場(chǎng)取樣為基準(zhǔn)。測(cè)試儀器主要有S型皮托管（R1,R2,R3）、鎧裝K型熱電偶（R4）、testo 512數(shù)字壓力計(jì)（R5,R6）、testo 435數(shù)字壓力計(jì)（R7）、數(shù)字壓力計(jì)（R8）、MRU 1600S-IV氣體分析儀（R9）以及火焰溫度測(cè)試儀等。

3.3 結(jié)果與分析

為了數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，全面反映加富氧前后整個(gè)燒成系統(tǒng)熱工參數(shù)的變化，本測(cè)試數(shù)據(jù)包括加富氧前和加富氧后兩個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段各測(cè)得2～3組數(shù)據(jù)并加以分析。

（1）窯尾廢氣管道的風(fēng)量。在整個(gè)富氧前和富氧后的測(cè)試期間內(nèi)，高溫風(fēng)機(jī)的拉風(fēng)均處于正常的操控水平，閥門開(kāi)度為97%。從表1所給廢氣總管風(fēng)量的測(cè)試結(jié)果可以看出，加富氧前后廢氣總管所測(cè)的風(fēng)量、風(fēng)溫和風(fēng)壓變化較小。這說(shuō)明加富氧后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)拉風(fēng)造成較大影響。

（2）加富氧前后的氣體成分。從圖2所示的氣體成分可以看出，加富氧后，各測(cè)試點(diǎn)的氧含量明顯上升。加富氧前后窯尾煙室均僅含有極少量的CO，說(shuō)明該生產(chǎn)線窯頭煤粉燃燒比較充分，但分解爐有時(shí)會(huì)存在不完全燃燒的現(xiàn)象，通入富氧空氣后，分解爐煤粉燃燒情況有所好轉(zhuǎn)。加富氧前后窯尾煙室和分解爐出口的NOx含量略有增加，但預(yù)熱器出口變化不大。

圖1 富氧燃燒流程圖

表1 加富氧前后廢氣總管風(fēng)量的測(cè)試

圖2 富氧前后氣體成分對(duì)比圖

（3）各測(cè)點(diǎn)的溫度。圖3為加富氧前后各測(cè)點(diǎn)溫度的對(duì)比。可以看出，該生產(chǎn)線煙室的溫度較高，有時(shí)甚至超過(guò)1300℃；加富氧后煙室、二次風(fēng)和三次風(fēng)的溫度高于不加富氧時(shí)測(cè)試的溫度，加富氧后窯頭火焰的溫度有較大幅度的提升，最高達(dá)到1920℃，且窯頭火焰明顯變亮。

（4）NOx的排放濃度。圖4是將窯尾煙囪中NOx濃度折算為10%基準(zhǔn)氧含量下的對(duì)比圖。從測(cè)試的窯尾煙囪排放濃度分析，由于有時(shí)存在不完全燃燒產(chǎn)生的CO，造成NOx的排放濃度波動(dòng)較大[11]。在不完全燃燒狀態(tài)下，加富氧前后NOx的排放濃度均在300～400 ppm左右；而在完全燃燒狀態(tài)下，加富氧前后的排放濃度在450～550 ppm左右。由此可以得出，加富氧后，窯尾煙囪廢氣中NOx含量變化不大。

（5）熟料的3d強(qiáng)度。表2是加富氧前后熟料3d強(qiáng)度的對(duì)比情況。從表中可以看出，加富氧后，第一天和第二天熟料3d強(qiáng)度略微上升。綜合來(lái)看，加富氧后熟料3d強(qiáng)度略有上升。

（6）加富氧后系統(tǒng)的節(jié)能量。經(jīng)72h連續(xù)無(wú)富氧運(yùn)行測(cè)試，平均產(chǎn)熟料2942t/d，投生料4744t/d，轉(zhuǎn)子秤耗煤141.16kg/t熟料。又經(jīng)72h連續(xù)加富氧運(yùn)行測(cè)試，平均產(chǎn)熟料2992t/d，投生料4680t/d，轉(zhuǎn)子秤耗煤133.53kg/t熟料。富氧系統(tǒng)耗電量折算為標(biāo)煤后的值為0.4tce/t熟料。

加裝富氧助燃設(shè)備后，依據(jù)GB/T 26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計(jì)算方法》及GB/T13234-2009《企業(yè)節(jié)能量計(jì)算方法》，系統(tǒng)的節(jié)能量按單項(xiàng)技術(shù)節(jié)能量計(jì)算可表示為：

表2 加富氧前后熟料3d強(qiáng)度的對(duì)比

圖3 加富氧前后各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果分析

圖4 加富氧前后窯尾煙囪NOx排放濃度對(duì)比圖

式中：

ΔEo——加裝富氧助燃設(shè)備的節(jié)煤量，tce

eo——加裝富氧助燃設(shè)備前的單位熟料標(biāo)煤耗，tce/t熟料

ef——加裝富氧助燃設(shè)備后的單位熟料標(biāo)煤耗，tce/t熟料

em——富氧助燃設(shè)備的耗電量折算為標(biāo)煤后的值，tce/t熟料

Mo——加裝富氧助燃設(shè)備前的年熟料產(chǎn)量（按運(yùn)行330 d計(jì)算），t

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得到一年內(nèi)的節(jié)煤量為：

加裝富氧助燃設(shè)備后凈節(jié)煤率εc按產(chǎn)品節(jié)能率計(jì)算可表示為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到:

即加裝富氧助燃設(shè)備后，該生產(chǎn)線的凈節(jié)煤率為5.12%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）加裝富氧助燃設(shè)備后，窯頭火焰溫度明顯提高。在窯頭可視處同一位置進(jìn)行對(duì)比測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，加富氧的火焰溫度最高達(dá)到1920℃以上，從而可以有效改善窯內(nèi)的煤粉燃燒狀況，有利于水泥熟料的煅燒，對(duì)提高熟料質(zhì)量有利。

（2）加裝富氧助燃設(shè)備后，窯尾煙囪的NOx排放濃度變化不大。

（3）加裝富氧助燃設(shè)備后，該生產(chǎn)線分解爐煤粉的不完全燃燒狀況有所緩解，但沒(méi)有發(fā)生根本性的改變，如果能夠繼續(xù)減小或取消進(jìn)入二次風(fēng)的富氧流量，加大進(jìn)入分解爐中的富氧氣體流量，加富氧后的節(jié)能效果會(huì)有進(jìn)一步的提升。

（4）從加裝富氧助燃設(shè)備前后熟料的質(zhì)量分析，加富氧后熟料的質(zhì)量略有提高。

（5）加富氧后生產(chǎn)線用煤量明顯降低，節(jié)能效果明顯，單位熟料標(biāo)煤耗減少了7.63 kgce/t。扣除富氧運(yùn)行時(shí)所消耗的電耗，節(jié)煤率最高可達(dá)5.12%。

[1]孫新紅.富氧技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用可行性經(jīng)濟(jì)分析[J].中國(guó)水泥,2012（7）:49-53.δ

[2]蘇俊林.富氧燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐,2008，（3）:1-3.

[3]黃美榮.大規(guī)模膜法空氣分離技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J].現(xiàn)代工業(yè),2002，（9）:10-15.

[4]郭濤.水泥窯富氧助燃技術(shù)應(yīng)用及研究進(jìn)展[A].水泥工業(yè)技術(shù)與管理—天津院六十年論文集（1953—2013）.[C].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社.

[5]Greg Mayes,Oxygen Enrichment at the Txi Midlothian Cement Plant,IEEE,2001.

[6]Bruce Shafer,Oxygen Enrichment at the Califonia Portland CenmentCompany's Mojave plant,IEEE,2001.

[7]田濤.高原缺氧環(huán)境制氧技術(shù)與裝備的分析及發(fā)展對(duì)策[A],第十五屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第22分會(huì)場(chǎng):高原環(huán)境下的疾病防治與健康工程論壇論文集[C],2013.

[8]李化治.制氧技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[9]馬保國(guó),田鍵.水泥熱工過(guò)程與節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[10]Experimental Study on the Characteristics of Coal Combustion in Oxygen-enriched Environments[A].Proceedings of 2011 International Conference on Materials for Renewable Energy&Environment（ICMREE 2011） VOL.02[C].2011.

[11]崔素萍.水泥窯NOx的形成機(jī)理[J].中國(guó)水泥.2010，（5）:55-59.■