水泥窯富氧燃燒技術研究現(xiàn)狀及分析

郭　濤，彭學平，劉繼開，武曉萍，袁　群

水泥窯富氧燃燒技術研究現(xiàn)狀及分析

Research Status and Analysis of Oxygen-enriched Combustion Technology for Cement Kiln

郭濤1，彭學平1，劉繼開1，武曉萍1，袁群2

本文結合水泥窯富氧燃燒技術的相關現(xiàn)場實踐和數值模擬研究方面的工作，對水泥窯的富氧效果和富氧方式進行歸納總結，并重點分析了水泥窯富氧的特殊性以及富氧后帶來的一些問題，對水泥窯富氧燃燒技術的應用有一定指導意義。

回轉窯；富氧燃燒；熱回收

1　前言

富氧燃燒（Oxygen Enriched Combustion）是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度（20.95% O2），簡稱OEC。富氧燃燒對所有燃料（包括氣體、液體和固體）和燃燒換熱設備均適用，既能提高劣質燃料的應用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質燃料的性能。與普通空氣燃燒相比，富氧燃燒具有提高火焰溫度和黑度、降低燃料燃點、加快燃燒速度、促進燃燒完全、減少煙氣排量以及提高燃燒效率等優(yōu)點，在冶金、工業(yè)鍋爐、玻璃、水泥、陶瓷、發(fā)動機、乙烯裂解爐、燃料電池等行業(yè)均有應用。富氧助燃在水泥行業(yè)的應用可追溯到1920年，但由于經濟性原因一直未能大規(guī)模推廣應用［1］。而經濟性除了受制氧成本影響外，還與富氧燃燒技術對新型干法水泥生產技術的適應性有關。

近年來，隨著制氧技術的進步，制氧成本逐漸降低，水泥窯富氧助燃技術又逐漸受到水泥行業(yè)科技工作者的關注。國內的現(xiàn)場應用主要有北京新北水水泥廠［2］、山東煙臺海洋700t/d生產線、河南汝州天瑞5000t/d生產線［3］、廣西柳州魚峰2500t/d生產線及云南昆鋼4000t/d生產線［4］等。此外，文獻［5，6，7］對水泥窯應用富氧燃燒開展了定性的理論分析。但針對富氧燃燒技術對新型干法水泥生產技術的適應性，即水泥窯采用富氧燃燒的特殊性，公開資料中并未見到相關方面的報道。本文結合水泥窯富氧燃燒技術的相關現(xiàn)場實踐和數值模擬研究方面的工作，對水泥窯的富氧效果和富氧方式進行了歸納總結，并重點分析了水泥窯富氧的特殊性以及富氧后帶來的一些問題。

2　水泥窯富氧效果

水泥窯的富氧效果主要表現(xiàn)在節(jié)能、提產、對劣質燃料及廢棄物的適應性、消除窯內還原氣氛保證熟料質量等。

在現(xiàn)場實踐方面，Cemex's Victorville水泥廠采用新型干法水泥生產技術，額定產量4000t/d，富氧位置為三次風管，實驗時純氧量從20t/d逐步增加至100t/d，單位噸氧氣帶來的提產效果先增后降，噸氧氣熟料提產率最大為3.5t［8］。California Portland's Mojave水泥廠，生產線配置為四級預分解系統(tǒng)，SF分解爐。富氧位置為窯門罩和三次風管，結果表明提產率8.85%，噸氧氣熟料提產率為3.58t熟料/tO2，需注意對耐火材料的影響［9］。Hercules水泥廠擁有兩條干法窯K1和K3，分別為SP和N-SP生產線。富氧運行表明，可提產8%～10%，平均提產率為4～5t熟料/tO2。燃料消耗減小3%～5%，沒有發(fā)現(xiàn)對耐火材料損耗的影響，NOx稍微減少，熟料質量不變［1］。

與現(xiàn)場實踐相比，采用計算機數值模擬開展水泥窯富氧助燃方面的研究，可以降低研究成本，大大增加工況調節(jié)的靈活性。數值模擬方面，文獻［10］考察了不同氧氣濃度下的火焰特性以及輻射強度，氧濃度從23%增大到100%。研究表明，富氧加快了燃燒反應速率，增大了燃料顆粒表面溫度，降低了燃點，縮短了燃盡時間，火焰變短，火力增強。文獻［11］對水泥窯富氧開展數值模擬，富氧從窯門罩噴入，噴入位置在燃燒器與熟料之間，燃料為煤粉，并考慮兩種不同揮發(fā)分的煤種。研究表明，在23%富氧工況下，產量提高6.4%，燃料增加5.75%；富氧可改善燃燒狀況，火焰更加穩(wěn)定，更適用于低揮發(fā)或者熱值、水分以及灰分變化大的燃料；對耐火材料的影響可忽略。文獻［12］通過建立回轉窯的物料平衡及熱平衡，對替代燃料在水泥窯中的應用進行數值模擬。結果表明，將45%的窯頭燃料替換為固體危險廢棄物、RDF、廢木材以及液體危險廢棄物，產量分別降低1.2%、1.8%、2.8%以及14.7%。而將23.5%的一次空氣（或者2%的總助燃空氣）用純氧替代，可避免減產問題的發(fā)生，但未核算經濟性。文獻［13］根據水泥回轉窯的熱平衡建立數學表達式，式中包含熟料產量、燃料消耗量和氧氣消耗量三個基本參數，可以初步預測富氧后回轉窯的提產量。文獻［14］通過建立回轉窯內燃燒過程的物理模型和數學模型，模擬水泥回轉窯富氧燃燒器劣質煤粉燃燒過程的溫度場、濃度場和速度場，研究富氧燃燒對煤粉燃燒、回轉窯內換熱及污染物生成等方面造成的影響，研究助燃氧氣濃度、風量及風速等其他操作參數對水泥回轉窯內燃燒狀況的影響。

由國內外多個現(xiàn)場的運行結果以及Praxair公司在1966～2001年期間做過的大量水泥窯富氧實驗統(tǒng)計表明，水泥窯富氧可提高熟料產量，干法窯的提產率為3～4t熟料/tO2。表1給出了部分現(xiàn)場實驗數據［1］，由表中可知，提產后燃料消耗量可能減少、可能不變也可能增加。而且，對水泥窯富氧的計算模擬結果表明，在文獻［11］中的設定參數下，23%富氧工況時，熟料產量提高6.4%，燃料增加5.75%?？芍谌剂舷牧吭黾拥那闆r下，燃料增加幅度小于提產幅度，單位熟料熱耗降低，燒成熱耗降低的幅度大小影響富氧助燃的經濟性。

表1　水泥窯富氧現(xiàn)場試驗典型數據

3　水泥窯富氧方式

富氧燃燒技術在工業(yè)上的應用，按照不同的分類方式，可歸為以下幾類，如表2所示。其中，純氧+整體富氧+O2/CO2方式應用于水泥窯時，一般與CCS（CO2Capture and Storage）技術聯(lián)合使用，但由于制備純氧以及CO2壓縮和凈化的能耗太高（如深冷法制純氧電耗為0.5～0.8kWh/m3（標）O2，噸減排CO2成本為€40/tCO2）［15］，從經濟性方面考慮，在當前以及一段時期內，富氧燃燒技術僅可作為一種低碳概念，而不能大規(guī)模工業(yè)應用。從水泥窯富氧的現(xiàn)場應用可知，當前工業(yè)應用的水泥窯富氧方式，屬于低濃度或微富氧+局部富氧+O2/N2/CO2方式。水泥窯富氧的總體原則為增加助燃空氣（包括一次風、二次風、三次風）的氧濃度，且工業(yè)實踐表明，水泥窯富氧后的系統(tǒng)運行情況與富氧位置有關。關于水泥窯的富氧方式，研究者進行過多次嘗試，主要包括：

（1）液態(tài)純氧。早期的水泥窯富氧現(xiàn)場應用一般采用氣化后的液態(tài)純氧，液氧可外購或現(xiàn)場制得，通常采用氧氣噴槍，將純氧注入到窯內罩或者三次風管，或者在多通道燃燒器中增加純氧通道。

（2）低濃度富氧。低濃度富氧一般指氧濃度30%～40%左右的富氧空氣，通常由變壓吸附法（簡稱PSA）或膜分離法制得。由現(xiàn)場應用可知，通常采用低濃度富氧替換燃燒器中的一次風及煤風，以及在篦冷機高溫段用低濃度富氧代替部分冷卻空氣以增加二次風和三次風的濃度的富氧方式。

水泥窯富氧方式包括制氧方法和注氧方式的選擇兩個方面，制氧方法直接影響制氧成本，而制氧成本是影響富氧燃燒技術工業(yè)應用經濟性的主要因素；注氧方式直接影響系統(tǒng)的運行狀況，對系統(tǒng)的節(jié)能、安全以及環(huán)保均有影響，進而間接影響水泥窯富氧的經濟性。

4　水泥窯富氧的特殊性

富氧及全氧燃燒技術在玻璃行業(yè)成功推廣應用，在水泥行業(yè)的應用雖然較早（可追溯至1920年），但至今沒有大規(guī)模的推廣，排除制氧成本的因素，究其內因，我們必須關注水泥窯富氧的特殊性。

水泥窯的發(fā)展歷經立窯、干法窯、濕法窯到新型干法窯，余熱的回收利用已經達到較高的水平。水泥窯富氧與其他行業(yè)富氧相比，其最大的不同在于，水泥生產中的用風除了起到助燃作用外，還需要將出窯熟料冷卻至較低的溫度（一般為環(huán)境溫度+65°C），同時在此過程中，回收的高溫風作為窯頭和分解爐的二次（～1100°C）和三次（～850°C）助燃風。水泥窯富氧燃燒將導致回收的二次和三次風溫度提高，但風量減小。綜合來看，二次和三次風的熱焓減小，冷卻機余風帶走的熱焓增加，熱回收率下降。熱回收效率的減小將抵消部分富氧帶來的節(jié)能效果。計算表明，對于5000t/d熟料生產線，當窯內氧濃度為23%時，相對于未富氧（20.9%）工況，二次風和三次風的熱回收率降低1.1%，余風帶走熱焓增加17.3kJ/kg熟料，預熱器廢氣帶走熱焓減少12.4kJ/kg熟料。考慮到富氧帶來的提產效果會使系統(tǒng)表面散熱有所降低，熱損失的增加量略小于減少量，故熱耗略有降低。文獻［11］的計算機模擬結果也表明，23%富氧工況時，熟料產量提高6.4%，燃料增加5.75%，相當于熟料熱耗減小0.61%。

另有文獻［16］研究表明，從減少燃燒損失的角度而言，采用富氧燃燒后，損失率降低的效果沒有預熱助燃風明顯，尤其在助燃風預熱的情形下。如助燃空氣每升高100°C可使燃燒損失率降低2%～3%，且過?？諝庀禂递^大時損失率下降較為明顯。隨著助燃空氣氧濃度增加，當富氧空氣不預熱時，燃料損失率降低較明顯，氧含量每增加0.1%，損失率減少0.6%左右；當富氧助燃空氣預熱到較高溫度時，損失率減少不明顯。水泥窯的高溫二次和三次助燃空氣屬于此情形。

表2　富氧燃燒技術分類

5　其他方面

（1）富氧后改變了燃料的燃燒特性，窯頭火焰變短、急、亮，火焰溫度提高，高溫段集中，可能對耐火材料以及NOx排放產生影響。

（2）富氧后改變了回轉窯內的氣氛場，窯內氣氛變化后對傳熱特性、排放特性及熟料燒成影響的基礎理論研究有待加強。

（3）富氧后，系統(tǒng)設備的漏風問題顯得尤為突出，漏風會稀釋助燃空氣中的氧濃度，削弱富氧的效果。

6　結語

從國內外報道的現(xiàn)場實踐看，水泥窯富氧的現(xiàn)場應用由來已久，但關于水泥窯富氧的經濟性，由于受到市場需求及多種客觀價格因素的影響，一直沒有定論。但隨著變壓吸附以及膜法富氧技術的不斷進步，水泥窯富氧技術的不斷優(yōu)化，將加速水泥窯應用富氧燃燒技術的進程。在水泥窯應用富氧燃燒技術時，需了解水泥窯富氧的特殊性。

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2014-05-10；編輯：呂光