江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

摘 要 在采用富氧煅燒技術后預分解窯的產(chǎn)量提高、產(chǎn)品質量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標的變化最根本的原因就是因為火焰溫度可以提高和輻射能力加強。實踐表明，富氧煅燒技術與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。但富氧氣體的含氧量不是越高越好，控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟效果。如果設備選型合理，脫硝效率一般可以達到15%左右或者更高一些，但不會超過20%，能夠降低脫硝系統(tǒng)的運行費用。

關鍵詞 富氧煅燒 煤耗 排放量 脫硝

淺析水泥窯富氧煅燒的節(jié)能減排效果

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

摘 要 在采用富氧煅燒技術后預分解窯的產(chǎn)量提高、產(chǎn)品質量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標的變化最根本的原因就是因為火焰溫度可以提高和輻射能力加強。實踐表明，富氧煅燒技術與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。但富氧氣體的含氧量不是越高越好，控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟效果。如果設備選型合理，脫硝效率一般可以達到15%左右或者更高一些，但不會超過20%，能夠降低脫硝系統(tǒng)的運行費用。

關鍵詞 富氧煅燒 煤耗 排放量 脫硝

0 引言

當通過某種技術措施生產(chǎn)出高于當?shù)乜諝庵醒鹾康臍怏w，將這種氣體稱為“富氧氣體”。例如，在平原地區(qū)的空氣中氧含量約為21%，將部分氧氣混入這種空氣中，則這種空氣中的氧含量就高于21%，將這種空氣就稱為“富氧空氣”或“富氧氣體”。當氣體中的氧含量達到85%～100%時，將這種氣體則稱為“全氧氣體”[1]。眾所周知，燃料的燃燒就是劇烈的氧化，燃料要燃燒就必須有氧氣供給，通常的燃料燃燒所需要的氧氣都是利用空氣中所含的氧氣。利用富氧空氣或者富氧氣體供給燃料燃燒之需，稱為“富氧燃燒”，利用全氧氣體供給燃料燃燒，則稱為“全氧燃燒”。由于全氧燃燒在工程上還存在一些技術和經(jīng)濟問題，所以現(xiàn)在還是一種純理論的探討和分析，在工程上至今也未見有應用燃燒的實例。利用富氧燃燒必須通過一定的技術措施才能滿足工程的需要，將這些技術措施就稱為“富氧燃燒技術”。如膜法制氧技術的成熟，就為富氧燃燒技術提供了技術和物資條件。富氧燃燒技術是一項高效強化的燃燒技術，或者說是一項高效節(jié)能和環(huán)保的燃燒技術，在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)和熱能工程領域中都早有工程應用，最近在水泥工業(yè)的回轉窯上也有應用，并取得了可喜的效果。因為水泥回轉窯是煅燒水泥熟料的設備，在水泥回轉窯上應用富氧燃燒技術就應稱為“富氧煅燒”或者“富氧煅燒技術”。

水泥回轉窯采用富氧煅燒技術具有很大的優(yōu)越性，不僅能大大提高煤粉的燃燒速率和燃盡率，還能提高火焰的溫度和黑度，進而改善熟料的煅燒和窯內(nèi)的傳熱條件，使窯的產(chǎn)量提高、質量改善，熱耗降低，增產(chǎn)節(jié)能非常顯著，尤其對低質煤的應用更有特殊的意義。同時還可使燃料燃燒的廢氣量減少，因而可以減少窯尾高溫風機和排風機的風量，減小收塵器的規(guī)格，降低功率消耗和基建投資，進一步節(jié)省燃料，同時還可以降低有害氣體的排放，尤其是降低有毒的NOx排放。在處理工業(yè)廢棄物的窯中應用，更有獨特的優(yōu)越性。但因對煙氣脫硝沒有貢獻，所以在此不作更多介紹。利用富氧煅燒技術可取得增產(chǎn)降耗和節(jié)能減排的雙重良好效果。顯然，這一新技術在水泥工業(yè)燒成系統(tǒng)中應大力推廣，具有很大的現(xiàn)實意義和長遠意義。因此，國家已把這項新技術列入“十二五”國家科技支撐計劃，是中國建材總院承擔的十二個國家科技支撐計劃的課題之一，將成為水泥工業(yè)節(jié)能減排的重要技術之一。2014年3月20日，科技部發(fā)布了《節(jié)能減排與低碳技術成果轉化推廣清單（第一批）的公告》，將“水泥膜法富氧燃燒技術”列為水泥工業(yè)的“預燒成窯爐技術”和“水泥行業(yè)能源管理和控制系統(tǒng)”三項中的首項，屬于能效提高技術類。與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。

本文現(xiàn)對水泥窯預分解窯采用富氧煅燒的節(jié)能減排效果進行淺析，供有關人士參考。

1 富氧煅燒技術在國內(nèi)外的發(fā)展簡介

迄今為止，人類消費的能源80%是通過燃燒途徑應用的，而燃燒過程的排放物也是造成環(huán)境污染的主要來源。如何提高資源的利用率，并在利用的同時盡可能地降低對環(huán)境造成的影響，各種高效率、低污染的燃燒技術應運而生。富氧燃燒技術是高效燃燒技術的一種，發(fā)達國家將其稱為“資源的創(chuàng)造性技術”，早已在燃燒的多個工程領域有所應用，都取得了顯著的技術經(jīng)濟效果。

在美國，1984年將膜法富氧技術應用于銅冶煉爐，取得節(jié)能大于30%的顯著效果。在一個玻璃廠用23%的富氧空氣燃燒，產(chǎn)量增加12.3%，節(jié)能約9%，成品率提高3%～10%，灰泡數(shù)量下降40%，爐齡延長了5～6個月。

在日本，近年來約有20家公司先后推出了富氧裝置。通過在以燃氣、燃油和煤粉為燃料的不同工程中進行了富氧燃燒的應用試驗，得出了以下結果：用23%的富氧空氣燃燒可節(jié)能10%～25%，用25%的富氧空氣燃燒可節(jié)能20%～40%，用27%的富氧燃燒可節(jié)能30%～50%等。

在我國，1980年首次在甘肅白銀有色金屬公司冶煉廠采用了富氧燃燒的冶煉技術，達到了節(jié)約能源、強化熔煉和根治污染的目的，使我國冰銅生產(chǎn)工藝的富氧燃燒熔煉技術獲得完全成功[2]。1989年中科院大連物理化學研究所和北京玻璃集團合作，將“局部增氧”和“梯度燃燒”應用于玻璃池窯，所用富氧空氣量僅有二次風量的1%左右，而進風量和引風量均下降了1/4～1/2左右，增產(chǎn)節(jié)能和環(huán)保效益十分顯著。2010年4月1日，我國首條采用富氧煅燒技術水泥熟料燒成系統(tǒng)在山東煙臺海洋水泥有限公司正式投入運行，使用天津市博納建材高科技研究所研發(fā)的TJB-KP-2型高效低NOx四風道煤粉燃燒器。測試表明，在不增加燃料的前提下使火焰溫度提高了180 ℃，節(jié)能效果十分顯著[3]。云南昆鋼嘉華水泥建材有限公司的海拔高度1 930 m，為解決燒空氣干燥基低位熱值17 069 kJ/kg（4 077 kCal/kg）劣質低揮發(fā)分煤粉的問題，于2011年10月13日在設計能力4 000 t/d熟料的Ф4.8 m×74 m 2號NSP窯進行了富氧煅燒的試驗。試驗使用的氧氣是用液氧槽車運到現(xiàn)場，經(jīng)槽車蒸發(fā)器將液氧氣化，然后摻入凈風管道通過燃燒器噴出進行富氧煅燒。試驗結果表明，在高海拔燒劣質低揮發(fā)分煤的情況下，窯產(chǎn)量提高5%，節(jié)煤約4%～5%，一次風用量減少5%等。因用煤量和一次風用量都減少，顯然NOx的排放肯定會減少。但是，該公司主要是為了燒劣質低揮發(fā)分煤而進行的試驗，使用外購2 000元/t的液態(tài)氧，共17 t。即使如此，每噸熟料成本還降低了2.52元/t[3]。河南汝州市天瑞集團水泥公司設計能力5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線，采用了富氧煅燒技術，整套設備由煙臺華盛燃燒設備工程有限公司提供[4]。為了考察富氧煅燒的效果，從2012年11月14日至11月18日進行了120小時無富氧煅燒的基準測試。從11月19日至11月24日又進行了144小時連續(xù)富氧煅燒測試。結果表明，雙方認可的節(jié)煤率為8.18%。于2012年11月25日富氧煅燒技術投入正式運行，經(jīng)過192 h的運行，節(jié)煤效果非常明顯，達到了10.19%。新疆阿克蘇多浪水泥有限公司在一條Ф4.6 m×64 m NSP窯水泥生產(chǎn)線上也進行了富氧煅燒的試驗，氧氣是利用氧氣瓶的氧氣，也取得了可觀的效果。

由上述可見，富氧煅燒技術隨著膜法制氧的成熟，富氧氣體的成本不斷降低，在水泥工業(yè)的應用已有了階段性的效果。

2 富氧煅燒NOx排放減少

眾所周知，對于在回轉窯燒成系統(tǒng)中NOx的生成和排放，溫度和氧濃度是兩個最主要的影響因素?？墒?，采用富氧煅燒恰恰是使火焰溫度提高和氧氣濃度增大，按常規(guī)理解NOx的生成和排放應該增大，可實際上不僅不增大反而減小，而且富氧空氣的氧含量越大，NOx的生成和排放越小。通過在設計能力為5 000 t/d的熟料燒成系統(tǒng)對排放廢氣的在線檢測結果就可得到證明，詳見表1。由表1可以看到，NOx的排放由583.533 mg/Nm3降到492.315 mg/Nm3，降低了約16%。這是什么原因呢？下面進行分析。

2.1 富氧煅燒減少燃料用量

當前，水泥回轉窯和分解爐所用的燃料基本上都是煤粉。具體地說，采用富氧煅燒后可以節(jié)煤。文獻[5]通過對一條設計能力為5 000 t/d熟料實際能力達到5 500 t/d的熟料Ф4.8 m×74 m NSP窯燒成系統(tǒng)運行的基本參數(shù)進行了理論分析和計算，得出了單位水泥熟料用煤量與富氧空氣中氧含量的變化規(guī)律，如圖1所示。

表1 一條設計能力為5 000 t/d的熟料水泥生產(chǎn)線對廢氣排放的檢測結果

由圖1可見，單位水泥熟料的煤耗隨富氧空氣氧濃度不斷增大而逐漸降低，降低的幅度在富氧空氣中氧含量在50%以下時最為顯著。文獻[6]通過對低熱值煤在富氧條件下燃燒的分析，也得到了同樣結論。當空氣中氧含量由21%增加到27%時，可節(jié)省5.5%的煤。當氧氣濃度增加到30%時，可節(jié)煤7.6%，詳見表2。

圖1 單位水泥熟料耗煤量隨富氧空氣中氧含量增大的變化曲線

采用富氧煅燒能夠加快燃料的燃燒速度和燃盡率。試驗表明，氫氣在空氣中的燃燒速度為280 cm/s，可在純氧中的燃燒速度為1 175 cm/s，是在空氣中的約4.2倍。天然氣在空氣中的燃燒速度與在純氧中的燃燒速度，相差高達10.7倍左右，這對低質煤的應用特別重要。表3所列為石油焦在不同溫度和氧濃度下燃盡時間的室內(nèi)試驗結果，可以看出，氧濃度越高、石油焦顆粒越小，燃盡時間越短。對飛灰中的石油焦粉，在氧濃度為33%時的燃盡時間比在普通空氣中縮短了144～192倍。在相同時間的情況下，燃燒速度的加快，燃盡時間的縮短，必將使燃燒更加完全。因燃盡率提高，使熱量的利用率提高。用普通空氣燃燒，當爐膛溫度為1 300 ℃時的熱量利用率為42%。當用26%氧濃度的富氧空氣燃燒時，其熱量利用率增加到56%，即增加了33%左右。氧濃度越大，加熱溫度越高，熱量利用率增大的就越明顯，節(jié)能效果就越顯著。

在同樣產(chǎn)量條件下耗煤量減少，煤中的氮含量相對減少，因此氮氧化合物NOx的生成和排放就會減少。

由于用煤量減少，用氣量相對減少。當采用富氧煅燒技術，所用空氣量就更少，空氣中的氮氣也就更少，顯然NOx的生成和排放就會更少。

煤炭是由碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）以及很少量的其它元素所構成，典型的無礦物質成分列在表4中[7]。用煤量減少，其中的氮含量隨之減少。顯然，由燃料氮生成的氮氧化物NOx就會減少。用煤量減少的越多，NOx的生成和排放也就會減少的越多。

2.2 富氧煅燒所需的空氣量減少

由于所需的燃料量減少，所以燃料燃燒所需的空氣量減少。根據(jù)5 500 t/d生產(chǎn)線的基礎數(shù)據(jù)，通過物料平衡和熱平衡計算，可以得到單位水泥熟料所需空氣量隨其氧含量的變化而變化的規(guī)律，詳見表5所列[5]。

在平原地區(qū)，空氣中氧含量約為21%，氮含量約為78%，其它氣體1%，參見表6。

表2 低熱值煤炭在不同全富氧濃度中的燃燒溫度

表3 不同溫度和氧濃度下石油焦燃盡時間的室內(nèi)試驗

表4 煤炭典型的無礦物質成分 %

煤粉燃燒主要是利用空氣中的氧，當氧含量增加后，就意味氮氣含量減少。氮氧化物NOx都是燃料燃燒所用空氣中之氮被氧化而生成，富氧空氣中的氮氣含量越少，燃燒產(chǎn)物的NOx含量就會越少，而NO約為燃燒產(chǎn)物中氮氧化物NOx的90%以上，顯然NOx的生成就會越少。例如，當富氧空氣中氧含量的體積分數(shù)達到30%時，比21%增加了9%，則氮氣就相對減少9%，其體積分數(shù)即減少到69%。當采用這種富氧空氣燃燒，則NOx就會相應減少約9%。

表5 當煤粉完全燃燒時所需不同氧含量的富氧空氣量

表6 在平原地區(qū)空氣中各種氣體的體積分數(shù)含量

2.3 富氧煅燒廢氣量減少

文獻[5]對一條設計能力為5 000 t/d的熟料NSP窯水泥生產(chǎn)線進行了理論分析和計算，在產(chǎn)量達到5 500 t/d熟料時，窯尾預熱器出口廢氣量隨氧濃度的增大而逐漸減少的規(guī)律，見表7和圖2?？梢钥闯?，當氧含量在50%以下廢氣量減少的比較明顯。當氧含量超過50%時則廢氣量減少得就不明顯，這個規(guī)律與圖1用煤量減少的規(guī)律極為相似。

廢氣量減少的越多，NOx的排放量也就隨之減少。煤粉燃燒后所產(chǎn)生煙氣的成分相當復雜，可以有C、H、O、N、S、CO2、H2O、NO、SO2、CO、 OH、H2、O2和N2等14個組分存在，實際上有的組分微乎其微，完全可以忽略不計。從回轉窯窯尾預熱器出口廢氣的檢測看，廢氣中主要成分為CO2、CO、NOx、SOx、HF、HCl等，詳見表8[8]。

表7 預熱器出口廢氣量隨氧濃度增大的變化規(guī)律

2.4 在高溫區(qū)的停留時間短

采用富氧煅燒技術將燃料本身具有的能量得

以比較集中地釋放出來，用在它該用的地方，減少了燃燒的“邊際效應”。不僅避免了原由于不完全燃燒導致的它在不該用的地方繼續(xù)燃燒造成的能源浪費，而且可避免燃燒時間的延長，使氣體在高溫區(qū)的停留時間縮短。由于煤粉在不同氧含量下或者說在不同的氧體積分數(shù)下的實驗所得熱重分析DTG曲線（圖3）可以看出，氧體積分數(shù)ψ（O）的增加使得DTG曲線向低溫區(qū)域移動，表明同樣煤粉在富氧條件下的著火溫度降低。另外也表明，煤樣從開始燃燒到燃盡所需的時間縮短。由此可見，采用富氧煅燒技術雖然能夠提高火焰溫度，但是因為在高溫區(qū)的停留時間縮短，所以可以降低NOx的生成和排放。NOx的形成與燒成溫度有很強的關聯(lián)性。實驗表明，燃燒溫度在1 550～1 900 ℃之間時，NOx生成量呈指數(shù)規(guī)律增加，在1 750 ℃以上時幾乎呈直線增大，水泥回轉窯的火焰溫度恰在這個區(qū)間。采用富氧煅燒技術提高了燃料的燃燒速率和燃燒強度，會使火焰縮短，為加大燃燒器軸向風風速創(chuàng)造了條件。軸流風風速的加大，在保持火焰總體強度基本不變的情況下，將火焰核心區(qū)扁平化拉長，降低了火焰的最高溫度，縮短了1 700 ℃以上的高溫區(qū)段，延長了1 700 ℃以下的核心區(qū)間。因此，在保證燒成帶煅燒強度的同時能夠降低NOx生成的機會。

表8 水泥窯污染物的典型排放數(shù)據(jù)

圖2 出預熱器廢氣量隨氧含量增大的變化規(guī)律

圖3 煤在不同氧體積分數(shù)下的DTG曲線

2.5 燃燒穩(wěn)定

合肥院對全國部分預分解窯氮氧化物NOx的排放進行了檢測。結果表明，運行穩(wěn)定同規(guī)格的水泥窯，其NOx的排放都相對較低，相反運行較差的水泥窯，NOx的排放都相對較高。這是因為運行穩(wěn)定的水泥窯能夠減小煅燒峰值溫度，抑制了NOx的形成。試驗證明，采用富氧煅燒技術確實能促進水泥窯的穩(wěn)定運行，從而可以抑制NOx的形成，減少其排放。

2.6 CO含量增加

采用富氧煅燒技術，富氧氣體中的氧含量增加，使燃燒產(chǎn)物中的CO含量增加，有利于氮氧化物的還原，進而減少NOx的排放。

以上這些都是根據(jù)NOx形成和排放成因而分析的，要準確解析采用富氧煅燒技術會使NOx排放減少準確的原因，還需進行更進一步深入地研究，掌握影響NOx形成各種因素的比例。

3 結束語

任何一項先進技術都必須以用戶獲得最大效益為核心，以取得少花錢多辦事的良好效果。采用富氧煅燒技術也不例外，必須使企業(yè)投入盡可能低的資金而獲取最大化的經(jīng)濟效益、環(huán)保效益和社會效益。

眾所周知，在采用富氧煅燒技術后可以使窯的產(chǎn)量提高、質量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標的變化最根本的原因就是因為火焰溫度可以提高和輻射能力加強。研究表明，考慮到綜合效益，富氧氣體的含氧量不是越高越好，因為含氧量越高需要花費更大的代價，綜合效益反而降低，如圖4所示。由此可見，富氧氣體的含氧量控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟效果。

圖4 富氧濃度與火焰溫度和相對效益的關系曲線

由上述可見，采用富氧煅燒技術具有顯著節(jié)能、降低基建投資和降低有害氣體排放等許多優(yōu)越性。對于二氧化碳CO2的減排，噸熟料可降低16～33 kg/t，但對脫硝效率而言并不特別顯著。有的水泥企業(yè)采取簡易措施進行富氧煅燒試驗，NOx的排放不但沒有降低反而增高，導致對這一先進技術產(chǎn)生疑慮，不敢輕易再建設成熟的富氧煅燒裝置。但由大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)實踐可以看出，如果設備選型合理，管理到位，其脫硝效率一般都可以達到15%左右或者更高一些，但不會超過20%。即使如此，作為采用富氧煅燒技術的副產(chǎn)品也是可觀的，可以降低脫硝系統(tǒng)的運行費用。

[1] 梅朝鮮.全氧燃燒技術在水泥窯應用的可行性[J].中國水泥，2010(4):57.

[2] 方言.富氧煅燒技術在國內(nèi)大型水泥窯上首獲成功[J].四川水泥,2013(1):44-45.

[3] 黃偉.富氧燃燒技術在新型干法水泥窯上的試驗[J].新世紀水泥導報,2013(5):21-23.

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