摘要：当通过某种技术措施生产出高于当地空气中氧含量的气体，将这种气体称为“富氧气体”。例如，在平原地区的空气中氧含量约为21%，将部分氧气混入这种空气中，则这种空气中的氧含量就高于21%，将这种空气就称为“富氧空气”或“富氧气体”。当气体中的氧含量达到85%-100%时，将这种气体则称为“全氧气体”。众所周知，燃料的燃烧就是剧烈的氧化，燃料要燃烧就必须有氧气供给，通常的燃料燃烧所需要的氧气都是利用空气中所含的氧气。利用富氧空气或者富氧气体供给燃料燃烧之需，称为“富氧燃烧”，利用全氧气体供给燃料燃烧，则称为“全氧燃烧”。
关键词：富氧煅烧；水泥窑；应用；分析
引言：据了解，富氧煅烧技术系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。随着膜法制氧技术的成熟和利用，富氧成本不断降低，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。
1.富氧煅烧技术在国内外的发展简介
迄今为止，人类消费的能源80%是通过燃烧途径应用的，而燃烧过程的排放物也是造成环境污染的主要来源。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、低污染的燃烧技术应运而生。富氧燃烧技术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”，早已在燃烧的多个工程领域有所应用，都取得了显著的技术经济效果。在美国，1984年将膜法富氧技术应用于铜冶炼炉，取得节能大于30%的显著效果。在一个玻璃厂用23%的富氧空气燃烧，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，近年来约有20家公司先后推出了富氧装置。通过在以燃气、燃油和煤粉为燃料的不同工程中进行了富氧燃烧的应用试验，得出了以下结果：用23%的富氧空气燃烧可节能10%-25%，用25%的富氧空气燃烧可节能20%～40%，用27%的富氧燃烧可节能30%-50%等。在我国，1980年首次在甘肃白银有色金属公司冶炼厂采用了富氧燃烧的冶炼技术，达到了节约能源、强化熔炼和根治污染的目的，使我国冰铜生产工艺的富氧燃烧熔炼技术获得完全成功。
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”应用于玻璃池窑，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，增产节能和环保效益十分显著。2010年4月1日，我国首条采用富氧煅烧技术水泥熟料烧成系统在山东烟台海洋水泥有限公司正式投入运行，使用天津市博纳建材高科技研究所研发的TJB-KP-2型高效低NOx四风道煤粉燃烧器。测试表明，在不增加燃料的前提下使火焰温度提高了180℃，节能效果十分显著。云南昆钢嘉华水泥建材有限公司的海拔高度1 930m，为解决烧空气干燥基低位热值17069kJ/kg（4077kCal/kg）劣质低挥发分煤粉的问题，于2011年10月13日在设计能力4000 t/d熟料的Ф4.8 m×74m2号NSP窑进行了富氧煅烧的试验。试验使用的氧气是用液氧槽车运到现场，经槽车蒸发器将液氧气化，然后掺入净风管道通过燃烧器喷出进行富氧煅烧。试验结果表明，在高海拔烧劣质低挥发分煤的情况下，窑产量提高5%，节煤约4%-5%，一次风用量减少5%等。因用煤量和一次风用量都减少，显然NOx的排放肯定会减少。
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2.富氧煅烧已在大型水泥窑上获得成功
国内某5 000t/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1 050℃-1 100℃，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。
2012年11月19～24日富氧装置总用电量为219 963k Wh，富氧装置吨熟料电耗为6.1k Wh/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3.0k Wh/t熟料左右。一是由于是第一次试用，设备选型上总体偏大。二是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。三是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。四是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。五是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。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：一是NOx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 900℃，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。二是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。
总结：对于二氧化碳CO2的减排，吨熟料可降低16-33 kg/t，但对脱硝效率而言并不特别显著。有的水泥企业采取简易措施进行富氧煅烧试验，NOx的排放不但没有降低反而增高，导致对这一先进技术产生疑虑，不敢轻易再建设成熟的富氧煅烧装置。但由大多数企业的生产实践可以看出，如果设备选型合理，管理到位，其脱硝效率一般都可以达到15%左右或者更高一些，但不会超过20%。即使如此，作为采用富氧煅烧技术的副产品也是可观的，可以降低脱硝系统的运行费用。
参考文献：
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论文作者:陈光
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
标签：水泥论文; 熟料论文; 氧气论文; 技术论文; 温度论文; 火焰论文; 节煤论文; 《基层建设》2018年第10期论文;