郭　濤，彭學(xué)平，劉繼開，武曉萍，袁　群

水泥窯富氧燃燒技術(shù)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(xué)平1，劉繼開1，武曉萍1，袁群2

本文結(jié)合水泥窯富氧燃燒技術(shù)的相關(guān)現(xiàn)場實(shí)踐和數(shù)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(jìn)行歸納總結(jié)，并重點(diǎn)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(shù)的應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

回轉(zhuǎn)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(shè)備均適用，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。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(diǎn)、加快燃燒速度、促進(jìn)燃燒完全、減少煙氣排量以及提高燃燒效率等優(yōu)點(diǎn)，在冶金、工業(yè)鍋爐、玻璃、水泥、陶瓷、發(fā)動機(jī)、乙烯裂解爐、燃料電池等行業(yè)均有應(yīng)用。富氧助燃在水泥行業(yè)的應(yīng)用可追溯到1920年，但由于經(jīng)濟(jì)性原因一直未能大規(guī)模推廣應(yīng)用［1］。而經(jīng)濟(jì)性除了受制氧成本影響外，還與富氧燃燒技術(shù)對新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的適應(yīng)性有關(guān)。

近年來，隨著制氧技術(shù)的進(jìn)步，制氧成本逐漸降低，水泥窯富氧助燃技術(shù)又逐漸受到水泥行業(yè)科技工作者的關(guān)注。國內(nèi)的現(xiàn)場應(yīng)用主要有北京新北水水泥廠［2］、山東煙臺海洋700t/d生產(chǎn)線、河南汝州天瑞5000t/d生產(chǎn)線［3］、廣西柳州魚峰2500t/d生產(chǎn)線及云南昆鋼4000t/d生產(chǎn)線［4］等。此外，文獻(xiàn)［5，6，7］對水泥窯應(yīng)用富氧燃燒開展了定性的理論分析。但針對富氧燃燒技術(shù)對新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的適應(yīng)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(guān)方面的報道。本文結(jié)合水泥窯富氧燃燒技術(shù)的相關(guān)現(xiàn)場實(shí)踐和數(shù)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(jìn)行了歸納總結(jié)，并重點(diǎn)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(chǎn)、對劣質(zhì)燃料及廢棄物的適應(yīng)性、消除窯內(nèi)還原氣氛保證熟料質(zhì)量等。

在現(xiàn)場實(shí)踐方面，Cemex's Victorville水泥廠采用新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)，額定產(chǎn)量4000t/d，富氧位置為三次風(fēng)管，實(shí)驗(yàn)時純氧量從20t/d逐步增加至100t/d，單位噸氧氣帶來的提產(chǎn)效果先增后降，噸氧氣熟料提產(chǎn)率最大為3.5t［8］。California Portland's Mojave水泥廠，生產(chǎn)線配置為四級預(yù)分解系統(tǒng)，SF分解爐。富氧位置為窯門罩和三次風(fēng)管，結(jié)果表明提產(chǎn)率8.85%，噸氧氣熟料提產(chǎn)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(chǎn)線。富氧運(yùn)行表明，可提產(chǎn)8%～10%，平均提產(chǎn)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(zhì)量不變［1］。

與現(xiàn)場實(shí)踐相比，采用計算機(jī)數(shù)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(diào)節(jié)的靈活性。數(shù)值模擬方面，文獻(xiàn)［10］考察了不同氧氣濃度下的火焰特性以及輻射強(qiáng)度，氧濃度從23%增大到100%。研究表明，富氧加快了燃燒反應(yīng)速率，增大了燃料顆粒表面溫度，降低了燃點(diǎn)，縮短了燃盡時間，火焰變短，火力增強(qiáng)。文獻(xiàn)［11］對水泥窯富氧開展數(shù)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(chǎn)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(xiàn)［12］通過建立回轉(zhuǎn)窯的物料平衡及熱平衡，對替代燃料在水泥窯中的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)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(chǎn)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(chǎn)問題的發(fā)生，但未核算經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［13］根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯的熱平衡建立數(shù)學(xué)表達(dá)式，式中包含熟料產(chǎn)量、燃料消耗量和氧氣消耗量三個基本參數(shù)，可以初步預(yù)測富氧后回轉(zhuǎn)窯的提產(chǎn)量。文獻(xiàn)［14］通過建立回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒過程的物理模型和數(shù)學(xué)模型，模擬水泥回轉(zhuǎn)窯富氧燃燒器劣質(zhì)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(zhuǎn)窯內(nèi)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(fēng)量及風(fēng)速等其他操作參數(shù)對水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒狀況的影響。

由國內(nèi)外多個現(xiàn)場的運(yùn)行結(jié)果以及Praxair公司在1966～2001年期間做過的大量水泥窯富氧實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計表明，水泥窯富氧可提高熟料產(chǎn)量，干法窯的提產(chǎn)率為3～4t熟料/tO2。表1給出了部分現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［1］，由表中可知，提產(chǎn)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(jié)果表明，在文獻(xiàn)［11］中的設(shè)定參數(shù)下，23%富氧工況時，熟料產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)性。

表1　水泥窯富氧現(xiàn)場試驗(yàn)典型數(shù)據(jù)

3　水泥窯富氧方式

富氧燃燒技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)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(yīng)用于水泥窯時，一般與CCS（CO2Capture and Storage）技術(shù)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(biāo)）O2，噸減排CO2成本為€40/tCO2）［15］，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在當(dāng)前以及一段時期內(nèi)，富氧燃燒技術(shù)僅可作為一種低碳概念，而不能大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。從水泥窯富氧的現(xiàn)場應(yīng)用可知，當(dāng)前工業(yè)應(yīng)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(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)）的氧濃度，且工業(yè)實(shí)踐表明，水泥窯富氧后的系統(tǒng)運(yùn)行情況與富氧位置有關(guān)。關(guān)于水泥窯的富氧方式，研究者進(jìn)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(yīng)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(nèi)罩或者三次風(fēng)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(yīng)用可知，通常采用低濃度富氧替換燃燒器中的一次風(fēng)及煤風(fēng)，以及在篦冷機(jī)高溫段用低濃度富氧代替部分冷卻空氣以增加二次風(fēng)和三次風(fēng)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(shù)工業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性的主要因素；注氧方式直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對系統(tǒng)的節(jié)能、安全以及環(huán)保均有影響，進(jìn)而間接影響水泥窯富氧的經(jīng)濟(jì)性。

4　水泥窯富氧的特殊性

富氧及全氧燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)成功推廣應(yīng)用，在水泥行業(yè)的應(yīng)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(nèi)因，我們必須關(guān)注水泥窯富氧的特殊性。

水泥窯的發(fā)展歷經(jīng)立窯、干法窯、濕法窯到新型干法窯，余熱的回收利用已經(jīng)達(dá)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(chǎn)中的用風(fēng)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(fēng)作為窯頭和分解爐的二次（～1100°C）和三次（～850°C）助燃風(fēng)。水泥窯富氧燃燒將導(dǎo)致回收的二次和三次風(fēng)溫度提高，但風(fēng)量減小。綜合來看，二次和三次風(fēng)的熱焓減小，冷卻機(jī)余風(fēng)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(chǎn)線，當(dāng)窯內(nèi)氧濃度為23%時，相對于未富氧（20.9%）工況，二次風(fēng)和三次風(fēng)的熱回收率降低1.1%，余風(fēng)帶走熱焓增加17.3kJ/kg熟料，預(yù)熱器廢氣帶走熱焓減少12.4kJ/kg熟料?？紤]到富氧帶來的提產(chǎn)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(xiàn)［11］的計算機(jī)模擬結(jié)果也表明，23%富氧工況時，熟料產(chǎn)量提高6.4%，燃料增加5.75%，相當(dāng)于熟料熱耗減小0.61%。

另有文獻(xiàn)［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(yù)熱助燃風(fēng)明顯，尤其在助燃風(fēng)預(yù)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?shù)較大時損失率下降較為明顯。隨著助燃空氣氧濃度增加，當(dāng)富氧空氣不預(yù)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(dāng)富氧助燃空氣預(yù)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(shù)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(chǎn)生影響。

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

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

6　結(jié)語

從國內(nèi)外報道的現(xiàn)場實(shí)踐看，水泥窯富氧的現(xiàn)場應(yīng)用由來已久，但關(guān)于水泥窯富氧的經(jīng)濟(jì)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(shù)的不斷進(jìn)步，水泥窯富氧技術(shù)的不斷優(yōu)化，將加速水泥窯應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)的進(jìn)程。在水泥窯應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)時，需了解水泥窯富氧的特殊性。

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2014-05-10；編輯：呂光