富氧煅烧在水泥窑上应用的可行性.docx
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富氧煅烧在水泥窑上应用的可行性
富氧煅烧在水泥窑上应用的可行性
◆富氧燃烧是不是伪科学
◆富氧助燃能否加快煤粉燃烧速度，促进燃烧完全
◆富氧助燃能否降低燃料的燃点温度
◆富氧助燃能否提高火焰及窑内温度
◆富氧助燃能否减少燃烧后的排气量
◆不同的煤种如何使用富氧才更好
◆在富氧情况下燃烧器是否需改进
随着膜法制氧技术的成熟和利用，随着富氧成本的不断降低，在高温、高煤耗、低利润的水泥行业，应用富氧煅烧技术的时代已经到来。
“水泥窑炉富氧技术”已被列入“十二五”国家科技支撑计划，是中国建材总院承担的12个国家科技支撑计划课题之一。
一、富氧燃烧的节煤机理
由于燃料在富氧中能够充分燃烧，从而大大提高了燃料的燃烧速度和燃尽率；由于富氧燃烧产物的热辐射会迅速增强，从而大大提高了水泥回转窑内的传热效率。
富氧煅烧将燃料本身具有的能量得以比较集中的释放出来，用在它该用的地方，从而减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的它在不该用的地方继续燃烧造成的浪费，通过提高燃料能量的利用率实现了节能的目的。
同时，也可在一定程度上减少燃烧用风提高火点温度、减少废气排放降低热能损失。
5000t/d水泥窑富氧系统现场控制画面
5000t/d水泥窑富氧系统中控运行画面
1，煤粉在不同氧含量中的燃烧实验
煤粉在不同的氧体积分数下，实验所得的热重分析（DTG）曲线如下图。
试验表明：
①随着氧体积分数的增加，使DTG曲线向低温区移动,说明着火温度随氧体积分数的增加而降低；
②随着氧体积分数的增加，使最大质量损失速率增大,说明煤的活性随氧体积分数的增大而增强；
③随着氧体积分数的增加，使煤样燃烧的平均质量损失率增大,说明煤样的燃尽时间缩短,整体燃烧速率提高；
④随着氧体积分数的增加，燃烧曲线的后部尾端变陡,说明煤的燃尽性能提高。
煤在不同氧体积分数下的DTG曲线
热力学的热重分析曲线
TG（ThermalGravityAnalysis），指样品的升温速度与其重量减少速度的函数关系。
在什么温度下样品的重量减少最多，在此温度下的分解或者其他化学反应最剧烈。
DTG（Differentialthermalgravity），是TG的一次微分，它反映试样的质量随时间的变化率与温度（或时间）的函数关系。
如果失重温度很接近，在TG上的台阶不容易区分，做DTG就可以看到明显的温度变化。
DTG的峰顶对应于TG的拐点，即失重速率的最大值；DTG的峰数对应于TG的台阶数，即失重的次数；DTG的峰面积正比于失重量，可用于计算失重量。
2，富氧助燃能提高火焰的绝对温度
低热值煤炭在不同富氧浓度中的燃烧温度试验结果见下表。
氧浓度
理论
空气量
实际
空气量
理论
烟气量
实际
烟气量
燃烧
温度
火用损失
火用损
系数
O2%
V0/m3/kg
Vk/m3/kg
V0Y/m3/kg
Vy/m3/kg
t11/℃
exi/（kJ/kg）
λ
21%
3.854
4.624
4.010
4.781
1244
6331
0.458
24%
3.372
4.046
3.529
4.203
1393
5923
0.428
27%
2.977
3.597
3.154
3.753
1539
5585
0.404
30%
2.698
3.237
2.854
3.394
1682
5300
0.383
33%
2.452
2.943
2.609
3.099
1824
5052
0.365
36%
2.248
2.698
2.405
2.854
1962
4839
0.350
39%
2.075
2.490
2.232
2.647
2099
4650
0.336
由表可见，当富氧浓度达到27%时，对比普通空气（含氧浓度21%）中的燃烧温度上升了295℃，每公斤燃料减少火用损失746KJ，相当于节约5.5%的燃料；
如果富氧浓度达到30%，燃烧温度上升了438℃，减少火用损失1031kJ，相当于节约7.6%的燃料。
说明在富氧空气状态下，燃料的燃烧温度起了变化。
对同等发热值的煤炭，富氧空气中的氧浓度越高，燃烧所需的富氧空气量就会越少，燃烧产生的烟气量就会减少，燃烧温度就会越高，火用损失就会越少，煤炭的节约率也就越高。
3，富氧助燃能提高炉内火焰温度
由于富氧空气中氧含量的提高，使燃烧产物中二原子结构（NO）的比例减少，三原子结构（CO2）的比例增加，通常三原子结构的黑度要比二原子结构大，故燃烧产物的黑度增加。
由于氧含量的提高和氮气量的减少，空气量及烟气量均显著减少，加热燃烧产物所需的热量减少，故燃烧产物的温度提高。
在常规燃烧时，空气中仅有21%的氧气参与燃烧过程，而约为79%的氮气在吸收了大量燃烧反应放出的热量后，却作为烟气排出，既降低了火焰温度，又造成能源浪费。
黑度和温度是影响辐射强度的关键，它们的提高能显著提高辐射强度、强化辐射传热。
研究表明，水泥回转窑内火焰向物料的传热以辐射传热为主，所以富氧煅烧能够提高回转窑的烧成能力。
试验表明，当空气中氧气的浓度为25%时，火焰的黑度经计算为0.2245。
计算表明，黑度增加约6%，可使水泥回转窑燃烧带火焰对物料的辐射传热量提高约20.4%。
但富氧浓度也不是越高越好，一般富氧浓度在26～31%为佳。
当富氧浓度再增加时，火焰温度增加的较少，富氧成本却增加的较多，综合效益反而下降。
富氧浓度与火焰温度及相对效益的关系如下图。
4，富氧助燃能加快燃烧速度促进燃烧完全
试验表明，燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度是不一样的，如氢气在空气中的燃烧速度为280cm/s，在纯氧中的燃烧速度是1175cm/s，是在空气中的4.2倍；
天然气在空气中的燃烧速度与在纯氧中的燃烧速度，相差高达10.7倍左右。
富氧的效果虽不及纯氧，但促进燃烧的原理是相同的。
在不同温度和氧浓度下石油焦的燃尽试验表明：
氧浓度越高、燃烧温度越高，焦粒尺寸越小，燃尽时间越短。
对飞灰中的粉焦，在33%的富氧浓度下，燃尽时间比在普通空气中燃烧缩短了144～192倍。
在相同停留时间的情况下，燃烧速度的加快，燃尽时间的缩短，必将使燃烧更加完全。
不同温度和氧浓度下石油焦燃尽时间的室内试验如下表（s）：
石油焦
直径/mm
850℃
890℃
O220%
O233%
倍数
O220%
O233%
倍数
2.8～4.0
37.44
17.53
2.14
28.01
12.96
2.16
1.0～2.8
1.65
1.13
1.46
0.98
0.71
1.38
0.45～1.0
1.45
0.46
3.15
0.88
0.024
36.7
0.2～0.3
0.95
4.465
2.14
0.56
1.565
3.64
<0.098
0.109
2.269
4.87
0.0583
4.461
1.38
飞灰
0.0533
3.714
144
0.0253
1.324
192
研究表明，由于富氧助燃能显著提高燃尽率，从而使热量的利用率提高。
用普通空气助燃，当炉膛温度为1300℃时，其可利用的热量为42%，
用26%的富氧空气助燃，可利用的热量增加到56%，热量利用率增加了33%，
而且富氧浓度越大，加热温度越高，所增加的比例就越明显，节能效果就越好。
加装富氧助燃节能装置后，
不仅可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，
同时温度提高后，有利于强化燃烧，促进燃烧完全，减少不完全燃烧导致的浪费。
5，富氧助燃能降低燃料的燃点温度
燃料的燃点温度不是一个常数，它与燃烧状况、受热速度、环境温度等有关，如CO在空气中的燃点为609℃，而在纯氧中的燃点仅有388℃。
所以，用富氧助燃能降低燃料的燃点，提高燃烧的集中度和火焰强度，减少燃烧的边际效应，增加燃烧释放热量的利用率。
这一研究成果还有利于分解炉分级燃烧脱销工艺，
由于富氧为分级燃烧的CO改善了在主燃烧区的后续燃烧条件，我们便可以进一步加强还原区的还原力度，提高氮氧化物的还原效果。
6，富氧助燃能减少燃烧后的排气量
用普通空气助燃，只有约五分之一的氧气参与燃烧，约五分之四的氮气不但不参于燃烧，还要带走大量的热量。
如用富氧燃烧，氮气量相应减少，故燃烧后的排气量亦减少，热损失减少，从而提高了燃烧效率。
一般来讲，燃烧用空气的氧浓度每增加1%，烟气量约下降2～4.5%，从而能提高燃烧效率等。
用富氧代替空气助燃，还可适当降低空气过剩系数，燃料消耗也会相应减少，从而节约能源。
从已应用的数十套局部增氧助燃系统来看，空气过剩系数一般能降低0.2～0.8。
日本节能中心技术部长小西二郎在工业窑炉节能措施中，着重于降低空气过剩系数的研究，他在一台热处理炉中经多次试验，将空气过剩系数从1.7降到1.2，平均节能达到了13.3%。
二、富氧燃烧的起源与发展
迄今为止，人类消费能源的80％是通过燃烧途径得到的，而燃烧过程的排放物也是造成环境污染的主要原因。
如何提高资源的利用率，并在利用的同时尽可能地降低对环境造成的影响，各种高效率、低污染燃烧技术的开发非常活跃。
富氧燃烧就是高效燃烧技术的一种，发达国家将其称为“资源的创造性技术”，它起源于美国、成熟于德国、推广于日本，已经在燃烧的各个领域开始应用。
在美国，1984年将膜法富氧技术用于铜煅烧炉，取得了节能率大于30%的显著效果。
一玻璃厂用23％富氧助燃，产量增加12.3%，节能约9%，成品率提高3～10%，灰泡数量下降40%，炉龄延长了5～6个月。
在日本，先后有近20家公司推出了富氧装置。
通过在以气、油、煤为燃料的不同场合进行的富氧应用试验，得到了如下结论：
用23％的富氧助燃，可节能10～25%；用25％的富氧助燃，可节能20～40%；用27％的富氧助燃，可节能30～50％等。
在中国，的富氧燃烧起步并不晚，早在1980年，就在白银有色金属公司冶炼厂使用了富氧，达到了节约能源、强化熔炼和根治污染的目的，使冰铜富氧熔炼工艺获得完全成功。
1989年中科院大连物理化学研究所和北京玻璃集团合作，将“局部增氧”和“梯度燃烧”应用于玻璃池炉，所用富氧空气量仅有二次风量的1％左右，而进风量和引风量均下降了1/4～1/2左右，节能增产和环保效益显著。
富氧燃烧采用比空气中氧含量高的空气来助燃，可以显著提高燃烧效率和火焰温度，但由于富氧成本较高，多年来未能进入利润较低的水泥行业。
长久以来主要是应用在玻璃熔窑和金属冶炼等需要高温操作的行业，对产品质量要求较高、利润相对较厚的生产线上。
随着膜法制氧技术的成熟和利用，随着富氧成本的不断降低，在高温、高煤耗、低利润的水泥行业，应用富氧煅烧技术的时代已经到来。
在中国的水泥行业，从2004年开始，就有人陆续提出了水泥熟料富氧煅烧技术，并有几家申报了专利，但能够真正应用于工业生产的并不多。
2011年4月1日，水泥窑富氧煅烧技术，首次在山东某700t/d预分解窑生产线上进行了短期的工业试验。
富氧系统采用了膜法制氧技术，投运后进行了3天无富氧和7天有富氧的对比测定，在流量达2700m3/h的情况下，富氧浓度达到30%左右，在不增加燃料的前提下，炉窑火焰温度提高约180℃。
由于计量设施不太完善，生产厂估计节煤率在10%左右。
该系统正常运行了一个多月，曾经连续运行了10多天，后因分子膜系统进水停止了使用。
山东某700t/d预分解窑的膜法富氧系统
2012年9月7日，“十二五”国家科技支撑计划“水泥窑炉富氧和分级燃烧减排NOx技术与示范应用”课题启动会在中国建材总院召开。
项目组织单位中国建材联合会科技工作部副主任崔庆刚，课题专家组成员水泥协会王郁涛副秘书长、谢泽教授、崔琪教授，课题负责人颜碧兰教授，课题研究人员总院汪澜教授、武汉理工大学谢峻林教授、北京水泥厂公司熊运贵总工、章丘华明水泥公司王汝勇总经理等参加会议，会议由总院科技发展部赵平教授主持。
2012年10月10日，让我们记住这一天，水泥窑富氧煅烧技术，在中国某5000t/d预分解窑上正式投入生产运行，这也是世界上第一台直接使用富氧空气助燃的大型水泥窑。
从2012年11月14日至11月18日，进行了120小时连续无富氧运行测试，11月19日至11月24日，进行144小时连续加富氧运行测试。
富氧气体浓度达到29±2％,富氧气体流量为12000±200Nm3/h，火焰温度提高150℃左右，二次风温度提高100℃左右，初步测定节煤效果达到8.18%。
某5000t/d水泥窑膜法富氧系统安装现场
2013年02月04日，水泥商情网报道：
日前，中国水泥生产技术专家委员会在郑州成功召开，本次会议主要商讨并部署了2013年度中国水泥生产技术专家委员会的工作，分析论证了富氧煅烧技术在水泥熟料生产中的应用价值和可行性。
“与会代表一致认为，富氧煅烧技术，在水泥熟料生产中，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
”
研讨会上，与会代表就富氧煅烧技术在水泥熟料生产中的应用价值及可行性进行了分析和论证。
就富氧燃烧技术的研究发展及工业应用情况，富氧燃烧技术的特点及在水泥熟料生产过程中的节煤机理，富氧煅烧在水泥熟料生产中的实际应用实践及效果，富氧煅烧在水泥熟料生产中应用的经济技术价值、应用推广范围及可行性等课题进行了深入的讨论和论证分析。
中国水泥生产技术专家委员会
郑州研讨会现场
与此同时，富氧煅烧技术也在北京、昆明、成都、柳州的一些生产线上进行着探索研究，但总体上进展不大。
采用的富氧空气制取方式有：
液氧汽化稀释、吸附法富氧稀释、膜法制取富氧。
使用方式有：
一是直接使用高浓度小气量的富氧气体，通过射流方式进入火焰中助燃；二是将高浓度小气量的富氧气体，先用空气稀释增量，再作为一次风使用。
比较典型的是，某2500t/d生产线，采用膜法制取富氧空气，采用了电耗较低的干式真空泵，
遗憾的是由于真空度上不去，氧含量只有23~24%，
富氧空气量设计为4000m3/h，一会用在窑头试验、一会用在窑尾试验，很难判断具体效果，
据说节煤率为3~5%，效果不太理想。
某2500t/d生产线的富氧机组
某2500t/d生产线富氧系统操作画面
三、富氧煅烧已在大型水泥窑上获得成功
国内某5000t/d水泥回转窑生产线,采用MZYR-12000型膜法制氧系统实施了富氧煅烧，
从2012年11月14日至11月18日进行了120小时连续无富氧运行测试，
从11月19日至11月24日进行144小时连续加富氧运行测试。
经对比测试，节煤效果达到8.18%。
加装富氧助燃装置前，用紫外线测温仪测试的火焰温度为1380℃～1450℃，加装富氧助燃装置后，火焰温度为1580℃～1600℃，火焰温度平均增加150℃左右。
加装富氧助燃装置前，二次风温度为1050℃～1100℃，加装富氧助燃装置后，二次风温度为1144℃～1194℃，二次风温度提高100℃左右。
2012年11月25日水泥窑富氧煅烧投入正式运行。
从11月25日到12月2日，又进行了192小时的正式有富氧运行观察，节煤率达到了10.19%。
从2012年11月25日正式投入运行，至2013年1月9日停窑检修，平均日产熟料提高约200t/d左右，平均节煤率为10.73%。
使用富氧煅烧后的操作员评价:
炉窑操作运行稳定,
窑内热负荷稳定，
窑皮平稳,
熟料质量稳定并有提高,
熟料的外观颜色明显改善，
有提高熟料产量的能力,
不影响低温余热发电工作,
向大气排放的主要指标均呈下降趋势。
国内某5000t/d水泥窑的膜法富氧系统
2012年11月19~24日富氧装置总用电量为219963kwh，富氧装置吨熟料电耗为6.1kwh/t熟料，这个数据还是比较大的，不尽理想。
应该说明的是，这个数据还有较大的优化空间。
如果下述问题处理得好，富氧煅烧增加的吨熟料耗电量，有望控制在3.0kwh/t熟料左右。
①由于是第一次试用，设备选型上总体偏大；
②总体感觉对分解炉富氧的效果不大，如果取消分解炉富氧，电耗将会有较大的降低；
③如果生产系统的循环冷却水温度不高，完全可以不加富氧系统的凉水塔；
④在富氧制气系统及供气系统的布局，以及与原有风机的一体化整合上，还有优化的空间；
⑤富氧煅烧使熟料产量提高、高温风机降速产生的节电效果尚没有计算在内。
废气排放在线监测数据表：
项目
SO2
NOx
烟尘
流速
O2
日期
mg/m3
mg/m3
mg/m3
m/s
%
20121114
55.962
576.648
34.679
12.168
12.314
20121115
59.953
586.259
34.738
13.056
12.814
20121116
58.741
637.228
35.045
13.006
12.794
20121117
56.620
623.010
37.434
13.283
13.095
20121118
55.461
494.523
34.266
12.206
12.225
平均
57.347
583.533
35.232
12.744
12.648
20121119
43.103
425.643
34.551
12.059
12.791
20121120
52.085
474.565
34.547
12.292
12.525
20121121
54.632
534.261
33.677
12.105
12.286
20121122
56.513
513.332
35.297
12.936
12.489
20121123
54.979
431.206
34.807
12.781
12.833
20121124
56.250
574.883
34.125
12.588
12.682
平均
52.927
492.315
34.501
12.460
12.601
从测试结果来看，采用富氧煅烧以后，废气中的氮氧化物有所降低，这主要有以下几种可能：
①NOX的形成与烧成温度有很强的相关性，实验表明燃烧温度从1550℃起到1900℃，NOX以指数方次急剧上升，特别在1750℃后几乎是直线上升，而水泥窑的火焰温度峰值就在这个区间。
由于富氧煅烧提高了燃烧强度使火焰缩短，为加大火嘴的轴流风速创造了条件。
轴流风速的加大，在保持火焰总体强度基本不变的情况下，将火焰的核心燃烧区扁平化拉长，在保持烧成带煅烧强度的同时，降低了火焰的燃烧峰值，
缩短了1700℃以上的峰值区间，延长了1700℃以下的核心区间，从而减少了氮氧化物的生成机会；
②从合肥院对全国部分水泥窑的检测结果来看，运行稳定的水泥窑NOX排放都相对较低，相反运行较差的水泥窑NOX排放就相对较高，
这主要是因为稳定的运行相应减小了煅烧峰值，拟制了NOX的形成。
试验证明，富氧煅烧确实能促进水泥窑的稳定运行，有利于拟制了NOX的形成；
③由于富氧中的氮气量减少，使燃烧产物中的NO含量减少，NO约占燃烧产物中氮氧化物的90%以上；
④由于富氧中的氧气量增加，使燃烧产物中的CO含量增加，有利于氮氧化物的还原。
国内某5000t/d水泥窑富氧系统窑头接入
四、膜法制氧系统简介：
1.原料空气进风系统
原料空气进风系统，由组合式自洁空气过滤器、连接风筒、高压鼓风同步后流风机、通风管道等部件组成，
在环境气体粉尘较多时将原料空气经过三级过滤净化后，向膜组件连续输送纯净新鲜的原料空气。
原料空气进风系统，采用PLC自动控制，过滤效率为对1μm粒子过滤效率99.5%，作用是保护二级空气过滤器，过滤器滤芯的更换为便卸式。
第三级为VH型高效空气过滤器，过滤效率为对0.3μm粒子过滤效率99.99%，作用是保护膜组件膜片。
过滤器的滤芯使用寿命为1～2年。
2.膜组件
膜法制氧、富氧助燃节能装置的核心是膜组件，本系统配置的是大型箱式组合式膜组件。
膜组件配置有标准的富氧气体接口，可方便的模块化连接安装，整体连接后仅需将富氧气体接口可靠的连接到真空泵入口即可抽取富氧气体。
3.真空泵
真空泵为分离系统提供足够的分离动力，建立膜组件两侧——原料空气与渗透气（氧气）之间的分离压力比，此压力比本系统要求为大于4：
1；
原料空气经过滤进入膜分离器后，因膜两侧有一定的分离动力（压力比），渗透能力快的氧气首先透过膜在渗透侧富集而得到富氧空气，并经真空泵不断抽走而连续不断的得到产品气——富氧气体。
4.汽水分离器
汽水分离器为一密闭的容器，内部设有汽水分离装置。
作用是将水环式真空泵抽取的富氧气体中的水分分离出来。
汽水分离器中设有水位控制器和液位计，当罐内的分离水量达到一定的高度时由水位控制器控制电磁阀启动将罐内存水自动排出，维持水位在一定的高度上，并通过液位计直接观察到液位情况。
5.脱湿器
脱湿器为一密闭的容器，内部设有脱湿装置。
作用是将水环式真空泵抽取的富氧气体中的水分经汽水分离器分离后进行二次脱湿。
脱湿器中设有水位控制器，当罐内的分离水量达到一定的高度时，由水位控制器控制电磁阀启动将罐内存水自动排出，维持水位在一定的高度上。
6.富氧气体缓冲储罐
富氧气体缓冲储罐的作用是进一步脱除富氧气体中的水分，平衡整个系统压力，减轻后级系统的气流脉动。
富氧气体缓冲储罐中还设有放空管路，管路中设有电动蝶阀，用以在真空泵制取富氧气体后，在没有向炉窑输送富氧气体时将富氧气体放空。
7.增压风机
增压风机采用罗茨鼓风机，
作用是将制取的富氧气体增压，克服管路系统及燃烧器的阻力，并达到炉窑燃烧所需风压，向炉窑内输送。
五、关于富氧煅烧技术的推广问题
水泥窑富氧煅烧技术，国内外已有许多研究机构作了理论分析、实验室研究和工业实验，并已取得了积极的成果，证明了富氧煅烧技术在水泥窑上的应用是可行的。
试验表明，富氧煅烧技术应用于水泥工业的节能效果是显著的、效益是可观的。
根据国内某5000t/d线的运行情况，节煤率目前在8~10%之间，耗电量在6kwh/t熟料左右。
随着工业应用的逐步推开，富氧煅烧技术必将达到进一步的完善和提高，对水泥工业来讲可为意义重大。
为了估算一下富氧煅烧技术的保守效益，我们不妨设定一些数据：
熟料标准煤耗按110kg/t熟，富氧煅烧节煤率按8%计算，原煤热值按5500kcal/kg计算，进厂原煤成本按600元/吨计算，富氧煅烧耗电按6.0kwh/t熟料计算，供电价格按0.55元/kwh计算。
由上述设定，我们可以算出富氧煅烧的保守效益为3.42元/吨熟料。
实际上富氧煅烧的实际效益在多数企业比这个数要大，当然有的企业比这个数要小，各企业的情况不同，大家可以根据自己的实际情况估算。
即使按3.42元/吨熟料计算，一个年产熟料200万吨的企业，每年的效益为684万元，不到两年就可以收回富氧煅烧的全部投资；
2012年中国的水泥熟料产量达13亿吨左右，如果全部采用富氧煅烧，每年可以节约标准煤1144万吨，创造直接经济效益44.46亿元，另外还有环保效益
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