王俊杰，顏碧蘭，朱文尚，齊硯勇，2，汪 瀾

(1．中國建筑材料科學研究總院 綠色建筑材料國家重點實驗室 北京 100024;

2．西南科技大學 材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

水泥工業(yè)是重要的基礎原材料工業(yè)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)。2013 年我國水泥產(chǎn)量24.18 億t，規(guī)模以上水泥制造業(yè)能源消耗總量約為1．9 億t 標準煤，占全國能源消耗總量的5．8%左右。因此，加快技術(shù)進步，促進水泥工業(yè)大幅度節(jié)能減排，是水泥工業(yè)發(fā)展面臨的緊迫任務，也是實現(xiàn)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設的主要內(nèi)容。

富氧燃燒技術(shù)是指應用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒的技術(shù)。因節(jié)能減排效果顯著，目前已普遍應用于我國玻璃、冶金等行業(yè)。水泥行業(yè)作為能源消耗大戶，在富氧燃燒技術(shù)上發(fā)展較為緩慢。目前，我國僅個別水泥企業(yè)采用了該技術(shù)。

上世紀70 年代國外就已廣泛開展水泥窯用富氧燃燒技術(shù)的研究。Wrampe P 等［1］從熱力學角度上建立了水泥窯產(chǎn)量與氧氣流量的數(shù)學模型，并通過實際案例進行了驗證。此后，又有諸多關(guān)于富氧燃燒技術(shù)在水泥窯上的實際應用案例［2－5］見諸報道。而我國就開展水泥窯用富氧燃燒技術(shù)的研究始于上世紀90 年代，如李娟等［6］從煤粉燃燒、輻射換熱等角度闡述了富氧燃燒技術(shù)應用于水泥回轉(zhuǎn)窯的理論優(yōu)勢?！笆濉睍r期以來，重點耗能行業(yè)節(jié)能減排的呼聲越來越高，富氧燃燒技術(shù)受到了水泥行業(yè)的廣泛關(guān)注。諸多學者［7－10］從水泥窯用富氧燃燒技術(shù)的理論性、經(jīng)濟性、實際效益、協(xié)同處置工業(yè)廢棄物等方面做了詳細探討。同時，依托實際案例，研究者［11－14］從制氧方法、煙氣流量、氣體成分、窯爐溫度、熟料產(chǎn)量、節(jié)煤率等方面論述了富氧燃燒技術(shù)在水泥企業(yè)的應用情況。

綜上所述，富氧燃燒技術(shù)的研究為我國水泥工業(yè)節(jié)能減排提供了重要基礎支撐。然而，諸多研究僅探討了富氧燃燒技術(shù)自身優(yōu)勢，與水泥工業(yè)聯(lián)系不夠緊密;同時部分研究僅對富氧燃燒技術(shù)效果進行分析，無法準確分析其節(jié)能潛力。因此，本文以水泥行業(yè)為出發(fā)點，通過理論計算和實驗研究，分析水泥窯用富氧燃燒技術(shù)的理論效果，并對其應用案例進行評述。

1 理論分析

采用富氧燃燒技術(shù)的水泥窯爐，由于入窯空氣量減少、氧氣濃度增大，具有燃燒溫度高、火焰輻射強、煤粉起始反應溫度低、燃盡率高等優(yōu)勢。

本文分別從上述幾點分析水泥窯用富氧燃燒技術(shù)的理論效果，同時，以某1 200 t/d生產(chǎn)線為研究對象進行評述。該生產(chǎn)線所用煤粉的工業(yè)分析和元素分析見表1 和表2。

表1 煤的工業(yè)分析

1．1 理論燃燒溫度

在穩(wěn)態(tài)、絕熱、完全燃燒條件下，如果輸入燃燒室的全部熱量都用來提高燃燒產(chǎn)物的溫度，即為理論燃燒溫度。由于在水泥窯內(nèi)，CO2和H2O 的分解量極小，其理論燃燒溫度可用式(1)表示［15］

式中 tth——理論燃燒溫度/℃;

Qnet——燃料的化學熱(或低位發(fā)熱量)/kJ·

kg－1;

tf——燃料溫度/℃;

ta——空氣溫度/℃;

cf——燃料對應溫度下的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

ca——空氣對應溫度下的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;c——煙氣對應溫度下的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

Va——實際空氣量/Nm3·kg燃－1料;

V——實際煙氣量/Nm3·kg燃－1料。

考慮入窯煤粉溫度60℃，入窯一次空氣溫度30℃，二次空氣溫度1 050℃，過?？諝庀禂?shù)1．1，則不同氧氣濃度下煤粉的理論燃燒溫度如表3 和圖1所示。

表3煤粉理論燃燒溫度計算過程

圖1 煤粉理論燃燒溫度和氧濃度的關(guān)系

如上所示，當氧氣濃度由21%增加到25%和60%時，煤粉理論燃燒溫度分別提高了約143℃和924℃，提高比例分別為6．5%和41．7%，效果顯著。然而上述分析強調(diào)理論燃燒溫度與煤粉顆粒周圍氧氣濃度的關(guān)系，而實際情況下，煤粉顆粒周圍氧氣濃度介于窯內(nèi)整體氧濃度與通入富氧空氣之間。以某1200 t/d 生產(chǎn)線為例，其采用的膜法制氧流量為2 000 Nm3/h，氧濃度達30%，且僅通入凈風?；烇@示凈風中氧氣濃度為27%。根據(jù)實際情況，煤風與凈風的風量之比約為1∶4;且一次風量約占窯頭總風量15%，則膜法富氧技術(shù)使一次風整體氧氣濃度由21%提高至25．8%，使整體入窯氣體氧濃度提高至21．7%。因此，煤粉顆粒周圍氧氣濃度應介于21．7% ～25．8%，根據(jù)式(1)，火焰溫度提高約25 ～172℃。

然而熟料煅燒情況直接取決于火焰輻射量，而不是火焰溫度，而前者與溫度的四次方成正比，因此還需考慮火焰輻射量。

1．2 輻射換熱量

研究表明，物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫升主要來自輻射換熱，包括煙氣、窯內(nèi)襯等輻射換熱情況。富氧燃燒技術(shù)對輻射換熱量的影響主要表現(xiàn)在燃燒溫度的提高和煙氣中非對稱型雙原子氣體濃度的增加。而后者主要體現(xiàn)在入窯氣體中熱輻射能力較弱的對稱型雙原子氣體N2的減少，該氣體的減少可相對增加具有輻射能力和吸收能力的多原子氣體(如CO2和H2O)的濃度，從而提高煙氣輻射率。

對水泥回轉(zhuǎn)窯而言，氣流對物料的輻射換熱量可以由式(2)計算［2］

式中 Qg，m——輻射傳熱量/W;εg——火焰的黑度;

εm——物料的黑度;

Tg——火焰的溫度/℃;

Tm——物料的溫度/℃;

Fg——火焰的表面積/m2;

θg，m——火焰對物料的輻射角系數(shù)。

取εm為0．95，Tm為1 300 ℃，而Fg、θg，m只與回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)和物料的填充率有關(guān)，因此不同氧濃度下氣流對物流的輻射傳熱量僅與Tg和εg有關(guān)。而εg可按發(fā)光火焰輻射率來計算［7］，即

式中 β——火焰在窯爐內(nèi)充滿程度和溫度場的特

性系數(shù)，對于固體燃料產(chǎn)生的發(fā)光火焰，該值為0．65;

kf——輻射能力在火焰中的減弱系數(shù)，對于發(fā)光火焰，其計算式如式(4)所示;

lg——氣體層有效厚度，取其為窯半徑/m。

式中 Tf——煙氣出窯爐時的溫度/℃。

實際計算中，以窯內(nèi)氧氣濃度21%、Tf=1 050℃為基準。假設Tf的增加與理論燃燒溫度的增加相同。

實際生產(chǎn)中，該生產(chǎn)線窯內(nèi)徑為3．2 m，物料填充率10%，則不同氧氣濃度下，火焰的輻射換熱量變化情況如表4 和圖2 所示。

由表4 和圖2 可知，當氧氣濃度由21%提高到25%和60%時，輻射換熱量分別提高了近33%和330%。與理論燃燒溫度相比，輻射換熱量增加更為明顯?？紤]該生產(chǎn)線所用的富氧技術(shù)，當其火焰溫度提高約25 ～172℃時，輻射換熱量增強了近6% ～40%，效果十分顯著。

圖2 輻射換熱量與氧濃度的關(guān)系

表4 輻射換熱量計算過程

1．3 煤粉燃燒情況

應用富氧燃燒技術(shù)后，煤粉經(jīng)燃燒器噴出有更低的起始反應溫度，更快的燃燒速率，即在相同的停留時間下，煤粉燃盡率更高。取該生產(chǎn)線所用煤粉進行不同氧氣濃度下的熱重實驗，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同氧氣濃度下煤粉的熱重曲線

選取熱重曲線開始偏離基線點的溫度作為煤粉起始反應溫度，則不同氧氣濃度下，煤粉起始反應溫度如表5 所示。

表5 不同氧氣濃度下煤粉的起始反應溫度

由表5 可知，隨著氧氣濃度的增加，煤粉起始反應溫度有了較為顯著的下降。當氧氣濃度為40%時，其起始反應溫度較普通空氣下降了近30℃，這將有助于煤粉的著火和水分含量較大煤粉的燃燒，同時為劣質(zhì)煤的大規(guī)模應用提供了參考。

煤粉在水泥窯內(nèi)燃燒所需氧氣主要來自一、二次風，而其燃燒速率與固定碳的燃燒速度有顯著關(guān)系。因此關(guān)于不同氧氣濃度下煤粉的燃燒速率，選取無灰碳粒燃燒的計算公式(5)進行估算［6］，其完全燃燒所需時間(s)為

式中

ρx——碳粒的密度/kg·m－3;

δ0——碳粒的顆粒直徑/m;

m——碳與氧的化學當量比;

D——氧氣的擴散系數(shù)/m2·s－1;

P——氧氣濃度/［%］;1．428——氧氣在標準狀態(tài)下的密度/kg·m－3。

由式(5)可知，不同氧氣濃度下，煤粉完全燃燒所需時間主要取決于氧氣濃度P。以普通空氣下煤粉燃燒時間t0為基準，不同氧氣濃度下煤粉完全燃燒所需時間如表6。

表6 不同氧氣濃度下煤粉完全燃燒所需時間

由表6 可知，當氧氣的濃度由21%提高至25%時，煤粉的燃燒時間即可縮短16%。在空間尺寸不變的情況下，由于煤粉燃盡時間縮短，煤粉燃盡的程度自然提高，這就減少了由于煤粉不完全燃燒所造成的熱量損失，同時相應降低了CO 等有害氣體的排放。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)上述分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)入窯氧氣濃度的增加可以顯著提高理論燃燒溫度，增強窯內(nèi)輻射換熱量，降低煤粉起始反應溫度，減少煤粉完全燃燒所需時間;

(2)實際應用中，當富氧空氣流量較小時，其燃燒溫度、輻射換熱、煤粉起始反應溫度和完全燃燒時間的變化取決于煤粉顆粒燃燒時周圍氧氣的濃度，而該濃度介于窯內(nèi)整體氧氣濃度和一次風氧氣濃度之間。富氧燃燒技術(shù)的差異決定了該濃度的差別。

目前，富氧燃燒技術(shù)作為水泥行業(yè)節(jié)能減排的新方法被廣泛報道和論述。然而，應用該技術(shù)的不同窯爐效果不一。究其原因，在于應用富氧燃燒技術(shù)后，煤粉顆粒燃燒時周圍的氧氣濃度的差異。因此，在應用富氧燃燒技術(shù)時，水泥生產(chǎn)企業(yè)應根據(jù)實際情況，如燃料種類、燃燒器規(guī)格等，制定相應工作方案，使煤粉燃燒時周圍氧氣濃度得到最大提升，從而最大限度發(fā)揮富氧燃燒技術(shù)的優(yōu)勢。除此，由于燃料起始反應溫度提前、燃燒溫度提高等，企業(yè)還需適當調(diào)整回轉(zhuǎn)窯等設備的操作習慣，使富氧燃燒技術(shù)得以有效應用，為我國水泥行業(yè)節(jié)能降耗提供新途徑。

［1］Wrampe，P． ＆ H．C．Rolseth．The Effect of Oxygen upon the Rotary Kiln＇s Production and Fuel Efficiency:Theory and Practice［J］．IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，1976(6):568 －573．

［2］Leger，C．B．＆J．G．Friday． Oxygen Enrichment for Cement Kiln Firing［A］． Cement Industry Technical Conference，IEEE－IAS/PCA 2001［C］．IEEE，2001:271 －278．

［3］Gotro，C． A． Oxygen Enrichment at Cemex’s Victorville Plant［A］．Cement Industry Technical Conference，IEEE －IAS/PCA 2001［C］．IEEE，2001:281 －287．

［4］Mayes，G． Oxygen Enrichment at the Txi Midlothian Cement Plant［A］． Cement Industry Technical Conference，IEEE－IAS/PCA 2001［C］．IEEE，2001:289 －293．

［5］Shafer，B． Oxygen Enrichment at California Portland Cement Company’s Mojave plant［A］．Cement Industry Technical Conference，IEEE－IAS/PCA 2001［C］．IEEE，2001:293 －298．

［6］李娟，謝峻林，全鍵，等． 富氧燃燒應用于水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)上的理論初探［J］．武漢工業(yè)大學學報，1997，19(4):47 －49．

［7］宗滇．水泥回轉(zhuǎn)窯劣質(zhì)煤富氧燃燒器設計及數(shù)值模擬研究［D］．北京:北京工業(yè)大學，2012:11 －27．

［8］孫新紅，方明，孟巖峰．富氧技術(shù)在水泥行業(yè)的應用可行性經(jīng)濟分析［J］．中國水泥，2012(7):156 －160．

［9］謝克平．論水泥熟料富氧煅燒的效益［J］．新世紀水泥導報，2014(1):1 －4．

［10］李鐵冰，任曉雪．富氧燃燒在水泥窯協(xié)同處理工業(yè)廢棄物中的應用［J］．中國水泥，2010(4):49 －51．

［11］楊志芳，卿山，王華，等．富氧燃燒在水泥生產(chǎn)中的應用［J］．工業(yè)加熱，2013，42(4):7 －10．

［12］賈華平．漫談富氧煅燒在水泥窯上的應用［J］． 中國水泥，2013(11):57 －60．

［13］李明飛，陶從喜，李小金，等．富氧燃燒技術(shù)在水泥窯的應用［J］．水泥技術(shù)，2014(4):17 －20．

［14］朱文尚，顏碧蘭，齊硯勇，等． 富氧燃燒技術(shù)在1 100 t/d生產(chǎn)線應用試驗［J］．水泥，2014(9):6 －8．

［15］徐德龍，謝峻林．材料工程基礎［M］．武漢:武漢理工出版社，2008:187 －193，294 －296．