富氧燃烧在水泥工艺中的应用

富氧燃烧在水泥工艺中的应用1. 富氧燃烧定义燃烧是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。富氧燃烧是指助燃用的氧化 剂中的氧浓度高于空气中的氧浓度（根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧），直至纯氧 燃烧。富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用，既能提高劣质燃 料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧 代替。2. 富氧燃烧国外现状富氧燃烧作为一种高效的燃烧方式以其良好节能减排效果得到迅速的发展。1937 年富 氧在底吹转炉炼钢上的成功应用是世界上最早的富氧燃烧，西方发达国家及前苏联早在 70 年代末就开始了富氧燃烧用于玻璃窑炉的研究，并取得了良好的效果，随着富氧燃烧在钢 铁工业及玻璃工业窑炉得到普遍的应用，它为富氧燃烧在其它工业化应用建立了坚实的基 础。 上世纪 80 年代日本对富氧燃烧的工业化应用进行了深入的研究，并在以气、液、固 燃料燃烧的不同炉型进行了富氧应用试验，结果显示富氧燃烧节能减排效果良好； 美国是富氧燃烧应用最广泛的国家，美国东芝炼油厂利用25.5%的富氧空气用于催化 裂化装置再生工艺，提高了装置处理能力； 富氧制硫酸工艺利用 23%-30%的富氧空气焙烧硫铁矿，可以缩短焙烧时间，提高转化 率； 克劳斯硫回收工艺应用富氧燃烧可以提高装置产量，利用30%的富氧空气助燃可增产 18%； 化学生产过程中凡是用空气作为氧源的均可用富氧代替普通空气，以提高产品的产量 和质量，有关文献认为丙烯酸、丙烯腈、甲醛、三氯乙烯、对苯二甲酸。碳黑等几十种化 工产品均可采用富氧生产。富氧燃烧作为一种高新的低碳排放燃烧手段，引起世界发达国家的重视。随着全球环境 危机的加剧与环保要求的不断提高，目前美国与英国已经广泛应用了富氧燃烧，并开始进行 纯氧燃烧及烟气再循环燃烧的工业性试验，达到零排放的目的，探索改善环境的新路子。3. 富氧燃烧国内现状富氧燃烧最近几年在国内发展很迅速。许多院校及科研院所对富氧燃烧进行了积极的探 索和应用，如清华大学、浙江大学、东北大学、中科院大化所、西安热工研究院等，已逐 渐在各领域广泛推广应用。 北京燕山石化有限公司成功的应用了催化裂化富氧再生工艺，提高了渣油的处理能 力； 中国石化扬子石化有限公司、上海石化有限公司及天津石化有限公司成功的应用了 富氧PTA （对苯二甲酸）生产技术，减低了能耗，提高了产品质量； 沧州大化及哈尔滨炼油厂成功的将富氧燃烧用于克劳斯硫回收工艺，提高了产品转 化率，效益显著； 浙江大学与浙江省能源集团温州发电厂 410 吨煤粉炉富氧直接点火试验成功； 中南大学与中铝公司河南分公司将富氧燃烧成功应用于 150t/h 煤粉锅炉，热效率提 高了 2.5%，并且提高了低负荷不投油稳燃能力。 富氧燃烧用于乙烯裂解炉，可以提高装置产率及产品质量，降低能耗； 富氧喷煤炼钢及富氧浮法玻璃、碳黑生产已普遍应用； 富氧燃烧造气技术已在国内普遍应用； 富氧燃烧在石灰石、水泥行业也开始应用； 富氧燃烧在国内的一些中小型锅炉也已得到广泛应用， 富氧燃烧是一项成熟的高效燃烧技术，它的应用可以取得显著的经济效益和社会效益，但是受制氧成本的限制在很多行业还不能普遍应用。4. 富氧燃烧节能机理提高火焰温度加快燃烧速度，促进煤粉燃烧完全降低过量空气系数，减少排烟热损失增加热量利用率，提高燃烧效率5. 公司技术优势我公司自 2006 年开始自主研发富氧燃烧技术，公司自成立以来，先后与中科院大连物 化所膜技术研究中心、郑州大学热能研究所建立了长期紧密的合作关系.，公司依托 知名研究所、知名大学的雄厚科研实力，坚持在氧空气分离领域进行不断地设备创新及技术解决方案的创新。自主研发的“膜分离制氧助燃装置”专利号：ZL201020172427.7） 已获得国家专利， 目前我公司广泛的收集了国内外的富氧燃烧资料。根据燃烧学原理，我公司进行了多次的试验研究，系统的掌握了富氧含量与燃烧的配比关系，可根据锅炉的燃烧工况合理的配置富氧空气流量、浓度，准确的控制火焰温度，已在工业锅炉、玻璃窑 炉、回转窑上富氧节能改造取得良好的节能效果，我公司的富氧燃烧工业化应用处于国内 领先地位。6. 富氧燃烧意义近几年来，随着环保要求的不断提高，能源的日趋紧张以及价格的不断上涨，造成企 业的生产成本越来越高，节能降耗和保护环境是每个企业发展的重要问题。水泥生产需要 消耗较多的能源和资源，并且原煤的设计有一定的标准，但是由于原煤的标准达不到设计 要求，煤炭灰分过高，热值过低，因此燃料在燃烧的过程中存在不完全燃烧，飞灰机械不 完全损失大等一系列问题，降低熟料生产质量，影响水泥生产效率和水泥质量。富氧燃烧 是解决燃料燃烧不完全最有利的措施，可以促进燃料的完全燃烧，提高整个系统的热效率， 提高水泥生产效率和质量。7. 水泥富氧生产工艺7.1 热工制度对水泥熟料煅烧质量的影响研究表明，优质熟料主要特征是 C3S+C2S 矿物含量高，碱含量低，矿物晶粒粒径较细小 均匀，当生料工艺质量参数和粉磨细度、颗粒粒径分布、化学成分、有害成分等保持稳定 不变的情况下，回转窑煅烧操作热工制度和煅烧温度、升温速率、峰值温度、保温时间、 窑速和冷却速率等就决定了熟料硅酸盐矿物 C3S 和 C2S 的含量和活性，熟料中晶体尺寸大小 主要决定于水泥生料的易烧性和窑的煅烧操作热工制度的稳定性。因此，回转窑的煅烧操 作热工制度对硅酸盐水泥熟料煅烧质量产生重要影响。（1）煤质的影响水泥企业对煤质要求并不低，对原煤品质要求主要体现在灰份、挥发份、含硫和发热量。一般回转窑煅烧用煤质量要求灰分ADW5000kcal/kg，煤粉细度要求控制在8%15%，实际上，我国当前由于优质煤炭供应紧张且价格较高，许多厂家实际达不到这一要求，由于煤质量达不到设计要求，煤粉在燃烧过程 中存在不完全燃烧的现象并且煤粉燃烧后灰分全部沉落在烧成带的熟料颗粒表面上，造成 熟料颗粒表面富硅化，从而改变熟料表层矿物成分， C3S 含量下降， C2S 含量上升，从而影 32响熟料质量，当前相应的对策措施，一是适度调整增加干法窑尾分解炉用煤量和降低窑头 喷煤量，其比例控制在 6：4 左右，以增加分解炉中煤灰分与灼烧生料的混合程度，降低窑 头煤灰对熟料质量的负面影响；二是采取窑尾分解炉与窑头喂煤质量分别控制，分解炉喂低热值煤，窑头喂高热值煤，可降低劣质煤对窑头熟料质量的不利影响。2）火焰形状和温度的影响火焰形状的调节一方面取决于煤粉的热值、灰分、细度和挥发分的大小，另一方面还取 决于一次风的风速和风量大小，即窑头燃烧器的规格和性能，调整好窑火焰长度也就是调整 好烧成带长度，也即调整控制了熟料在高温烧成带停留时间，火焰形状和长度影响到熟料中 C3S 矿物的晶粒发育大小和活性。因此，在烧高强优质熟料时，必须调整火焰长度适中，既不 拉长火焰使烧成带温度降低，也不缩短火焰使高温部分过于集中，从而烧垮窑皮和耐火砖而 不利于窑的安全运转，回转窑内火焰形状粗细必须与窑断面积相适应，要求比较充满近料而 不触料，正常形状保持其纵断面为正柳叶形状。当烧灰分高、热值低的劣质煤时，其一次风 风速应适度加大，对于使用多通道喷煤管的窑应增加内、外净风风速和风量，使其火焰形状 尽量控制不发散而形成正常火焰。干法窑窑头火焰温度控制，视窑型大小而异，对于2000t/d以下的窑型一般控制在1650 1850C之间，对于大型窑如5000t/d以上窑型，火焰温度控制在17501950C的较高范围内 比较有利，预分解窑内火焰温度取决于两部分因素：一是煤粉热值、灰分和细度，二是取决 于二次风温和风量大小，对于烧劣质煤的厂家提高二次风温尤其重要。对于易烧性差的生料 和含碱高的生料，适当提高火焰温度，采用高温烧成有利于熟料质量的提高和碱分的充分挥 发可获得低碱熟料。3）熟料煅烧温度的影响一般情况下控制熟料煅烧温度在13001450C可确保熟料质量和烧结，对于当前我国 相当部分厂家由于采用双高配料（高KH、高SM）生产高强熟料，其生料易烧性变差，相应 熟料煅烧温度应适度偏高控制，控制在13001500C左右比较有利。4）烧成带长度的影响对于双高（高KH、高SM）熟料配料的厂家，要求控制烧成带长度比正常情况偏长一些, 煅烧温度高一些，即高温长带煅烧，有利于熟料烧结和熟料质量的提高。（5）窑速的影响对于短小型预分解窑，由于其长度比大型窑短，窑速应偏低控制较好，如：3x48m、4x43m预分解，窑速控制在3.03.2转/分。对熟料质量比较有利，主要是因为其窑长 较短，为确保熟料在短窑内的高温停留时间，窑速偏低控制较为有利。（6）升温速率和冷却速率的影响优质熟料形成要求预热器分解炉气固换热效率高，传热快，在窑内过渡带升温阶段要求快速升温，主要操作要求就是要适度提高窑速、加大灼烧生料翻滚频次，缩短过渡带长度，延长烧成带长度，促进熟料的矿物形成和烧结，烧高强优质熟料要求快烧急冷，窑头篦冷机操作要求强化一室、二室高压风风量迅速，强化冷风对高温熟料的冷却效果，这样 有利于熟料质量的提高。（7）窑气氛的影响回转窑内燃煤燃烧过剩空气系数一般要控制在1.101.15左右，以窑尾废气中氧浓度 控制在2%3%左右为较好，即保持微氧化气氛操作，若过剩空气系数控制过低，二次风不 足，易导致还原气氛产生，窑内出现还原气氛，会产生 CO 气体，且熟料中 Fe2O3 成分被 CO23还原成FeO,影响熟料液相成分和黏度，影响熟料烧结，易产生大量黄心熟料，也浪费热量 和燃煤消耗量，从而影响到熟料质量的提高。7.2 富氧燃烧方案新型干法水泥生产工艺对原煤的设计有一定的标准，一般回转窑煅烧用煤质量要求灰分A0.25xl.428)(2)式中,px为碳粒的密度(kg/ m), 6为碳粒的颗粒直径(m)； D为氧气的扩散系数(m/s)； m 为碳与氧的化学当量比(0.375)； 1.428为氧气在标准状态下的密度(kg/ Nm3)。由(1)/(2), 得t =0.84t21图 3 燃料燃烧时间与氧浓度的关系由此得出结论，如氧气的浓度提高至25%时，煤粉的燃烧时间可缩短16%。加快火焰传播速度，提高火焰温度增加氧浓度可以加快化学反应速度，从而加快了火焰的传播速度，增强火焰稳定性， 提高了火焰温度。 促进燃料完全燃烧，提高炉膛温度，强化炉内传热提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，减少 了不完全燃烧所造成的热量损失，达到节能的目的。图 4 为燃料燃尽率与氧浓度的关系。 由于燃料的燃烧工况得到了良好的改善，提高了炉膛温度，同时强化了物料与气流的热传 递，使得分解炉系统的热工制度更加稳定。图 4 燃料燃尽率与氧浓度的关系 降低过量空气系数，减少烟气排放量和排烟损失由于空气中含 79%氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边 界层排出，且氮分子不可能与燃料中可燃物反应，以及空气通过燃料层阻力等诸多因素。 因此，必须以过剩空气使燃料燃烧获得足够的氧量，而使煤充分燃烧，这样就必须加大 3 次风量，但是在水泥生产工艺中若风速过大，系统阻力加大并且缩短燃料、物料及气流在 系统各部位的停留时间，影响整个系统的热效率和热工制度。采用富氧空气以后，氮气的 浓度降低，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能 力必然减弱，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数，同时减少烟气排放 量和排烟损失。（2 ）回转窑系统增加富氧 回转窑的主要作用是为生料的完全分解和熟料矿物的形成提供所需的温度和一定的停 留时间，以实现熟料的烧成。在回转窑系统中主要是 C3S、C2S 矿物的形成，优质熟料要求32C3S、C2S 矿物含量高，碱含量低，矿物晶粒粒径较细小均匀，发育良好。熟料中硅酸盐矿物 32C3S 和 C2S 的含量和活性，熟料晶体尺寸发育大小主要决定于回转窑煅烧操作热工制度和煅 32烧温度、升温速率、峰值温度、保温时间等。因此，回转窑的煅烧操作热工制度对硅酸盐水泥熟料煅烧质量产生重要影响。在回转窑系统加入富氧空气以改善窑内燃料的燃烧工况， 稳定窑系统的热工制度，提高水泥熟料的生产质量。 稳定火焰形状，提高火焰温度研究表明火焰形状和长度影响到熟料中 C3S 矿物的晶粒发育大小和活性，因此，在烧高 强优质熟料时，必须调整火焰长度适中，且要求火焰形状稳定。通入富氧以后，燃料燃烧更 加稳定，所以火焰的稳定性能得到加强。干法窑窑头火焰温度控制，视窑型大小而异，对于 2000t/d以下的窑型一般控制在16501850C之间，对于大型窑如5000t/d以上窑型，火焰 温度控制在17501950C的较高范围内比较有利，采用高温烧成有利于熟料质量的提高和碱 分的充分挥发，可获得低碱熟料。采用富氧燃烧技术，可使燃烧反应更加剧烈，从而提高火 焰温度。 加快反应速度，提高升温速率优质熟料形成要求在窑内过渡带升温阶段要求快速升温，促进熟料的矿物形成和烧结， 通入富氧空气以后，可加快燃烧反应速度，提高回转窑内的升温速率。 促进燃料完全燃烧，稳定窑内煅烧温度提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，同时 还能稳定窑内的煅烧温度，以保证熟料矿物的烧结。 提高窑内气流对物料的辐射传热速率根据计算得知当助燃空气中氧含量为 25%时， CO2 的体积百分浓度提高 17.5%，水蒸汽 的体积百分浓度相应提高 17.7%，由于 CO2 与 H2O 的浓度均增加许多，火焰的黑度相应增大 当空气中氧气的浓度为 21%时，火焰的黑度经计算为 0.2104；当空气中氧气的浓度为 25% 时，火焰的黑度经计算为 0.2245，增加的程度约为 6%，火焰黑度增加使得窑系统的辐射传 热效率增加，研究表明氧气的浓度为 25%时，水泥回转窑燃烧带火焰对物料的辐射传热量提 高的程度为 20.4%，回转窑其他各带的辐射传热量都相应提高。 降低过量空气系数，保持窑内微氧化气氛研究表明窑尾废气中氧浓度控制在 2%3%左右为较好，即保持微氧化气氛操作，若过 剩空气系数控制过低，二次风不足，易导致还原气氛产生，窑内的还原气氛会将熟料中的 某些矿物质还原（例如Fe2O3成分被CO还原成FeO）影响熟料液相成分和黏度，影响熟料烧 结，易产生大量黄心熟料，影响到熟料质量的提高。提高氧浓度可降低过量空气系数，同时保持窑内的微氧化氛围，为优质熟料的生产创造条件。8.总结综上所述，富氧燃烧用于水泥生产工艺，可改善燃料的燃烧工况，提高火焰温度及黑 度，缩短燃烧所需的时间，实现燃料的完全燃烧，从而加大火焰对物料的辐射传热能力提 高整个系统的热效率，减少废气及 CO、NOx 等有害气体的排放量，有利于节能减排，同时 还能够稳定整个窑系统的热工制度，提高水泥的生产效率和质量。因此，富氧燃烧技术在 水泥工艺上的应用可以取得良好的经济效益，社会效益和环保效益。河南能信节能科技有限公司网址：