富氧燃燒在水泥行業(yè)的應(yīng)用

　　引言

　　水泥行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)的主要問(wèn)題主要表現(xiàn)在高燃料（煤）消耗和高電耗；當(dāng)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(wèn)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(wèn)題。

　　經(jīng)過(guò)多年的摸索實(shí)踐和水泥專(zhuān)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(gè)有效的方法，能夠很好地幫助水泥企業(yè)降低煤耗問(wèn)題。該項(xiàng)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(jī)理

　　通常將氧氣含量大于21%的空氣稱(chēng)為富氧空氣，富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)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(duì)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(yīng)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(yīng)的均可用富氧代替。

　　1.1改善燃燒特性

　　A、對(duì)著火的影響

　　著火是由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到反應(yīng)能自動(dòng)加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過(guò)程，相對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為著火溫度，它反映了煤粉著火的難易程度。樊越勝[1]、劉國(guó)偉[2]、劉靖昀[3]等人研究表明，隨著助燃?xì)怏w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(duì)著火溫度的影響        圖2 不同揮發(fā)分煤樣著火點(diǎn)降低曲線

　　但是，不同的煤種，對(duì)加入富氧后的反應(yīng)變化不一樣。其中低揮發(fā)分煤種在著火方面對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，東北貧煤（工業(yè)分析：揮發(fā)分13.87%）著火點(diǎn)對(duì)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(duì)燃燒速度的影響

　　樊越勝[1，5]、唐強(qiáng)[4]等人利用熱天平對(duì)煤樣在不同氧濃度條件下的燃燒失重曲線進(jìn)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(shí)間，使煤的反應(yīng)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(duì)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(shí)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(qiáng)[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(shì)，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(shì)，說(shuō)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(dāng)氧濃度大于40%時(shí)，這種趨勢(shì)變緩。

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

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

　　D、對(duì)火焰形狀的影響

　　火焰形狀對(duì)回轉(zhuǎn)窯熟料煅燒的穩(wěn)定具有十分重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，良好的火焰形狀應(yīng)保持合適的長(zhǎng)度，均勻地充滿(mǎn)整個(gè)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(xiàn)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(guò)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(guò)剩系數(shù)?？諝膺^(guò)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(shí)，由于燃燒煙氣中N₂含量的減少，相對(duì)的，煙氣中的CO₂含量則會(huì)增加?？傮w來(lái)說(shuō)，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(qiáng)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(jìn)而提高了窯內(nèi)氣氛的輻射傳熱能力，即強(qiáng)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(xiàn)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(jià)格差而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　同時(shí)，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(qiáng)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(shí)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(dāng)提高煤粉的細(xì)度也可達(dá)到原來(lái)不使用富氧的燃燒效果。因此，在富氧條件下，可適當(dāng)提高煤粉細(xì)度，從而減少煤磨的功耗而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　更進(jìn)一步的說(shuō)，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(dāng)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(dāng)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(diǎn)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(shí)，其相對(duì)于變壓吸附最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠副產(chǎn)高純度氮?dú)夂推渌∮袣怏w。但是，由于深冷法的能耗較大、設(shè)備多、檢修復(fù)雜、有高壓低溫等安全隱患等諸多缺點(diǎn)，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(dǎo)者，已在國(guó)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(yīng)用于鋼鐵、有色冶金、玻纖等各行業(yè)。

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分廠家陸續(xù)推出膜分離工藝制氧設(shè)備。但實(shí)際上膜分離工藝在工藝氣體分離上并不成熟，目前沒(méi)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?yàn)槟し蛛x對(duì)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(gè)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(shí)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(shí)間，降低未燃燼率等。這種改善對(duì)劣質(zhì)煤更加明顯。

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

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

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 劉國(guó)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(xué)報(bào)，2013,64（7）：2596-2603.

　　[3] 劉靖昀。富氧條件下煤粉燃燒特性試驗(yàn)研究。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文。

　　[4] 唐強(qiáng)，王麗朋，閆云飛。富氧氣氛下煤粉燃燒及動(dòng)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,40（1）：18-21.