富氧燃烧的探讨

关于富氧助燃应用于新型干法窑的思考

辽阳冀东公司葛印军

一前言

煤炭是不可再生能源，随着煤炭资源的枯竭，煤炭紧张这一形势在今后得到缓解的可能性不大，如何实现煤炭资源在新型干法窑上的综合利用，必将成为我集团发展的关键。

富氧助燃作为一种广泛应用的节能技术，能否应用于新型干法窑，成为水泥企业实现节煤降耗的一条新途径，值得我们思考。

二富氧助燃技术

富氧助燃技术是上世纪七十年代美国、日本等国家兴起一项节能技术，并在八十年代得到推广和应用，日本政府于1990年在政策上做了强制性的规定，要求能耗较高的工业窑炉及大型锅炉必须采用富氧燃烧技术。目前我国富氧助燃节能技术应用于有色金属冶炼、玻璃池炉节能、化铁炉和铸造炉节能、电力锅炉等方面，大大提高了产品质量，节约了能源，改善了环境，其节能率一般在10 %～16 % [1，2] ，而在新型干法窑上未有应用案例。

所谓富氧燃烧技术就是指燃烧中所用气体中氧气的含量高于空气中的氧含量（21%），燃料在富氧状态下燃烧更为充分完全，一般而言氧气含量每提高1%，火焰温度可提高35~45℃，但富氧浓度不宜过高，以富氧浓度在26~31％时为最佳，因为富氧浓度再高时，火焰温度增加有限，而制氧投资等费用大幅增加，综合效益反而相对下降，富氧燃烧节能机理主要如下：

1.提高火焰温度：常规燃烧中的空气仅有21%的氧气参与燃烧过程，而近80%不助燃的氮气从两方面阻碍着燃烧反应的进行，一是从反应中吸收热量，二是减少了氧分子与燃烧分子之间的碰撞机率[3]，降低燃烧速率的同时吸收大量燃烧反应的放出热，并作为烟气排出，造成能源浪费。在富氧助燃后，使助燃空气总量减少（如果某燃烧过程需1体积空气，而含氧量30%的富氧空气只需要0.7体积，烟气总量减少30%），烟气排量减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高。

2.加快燃烧速度，促进燃烧完全：燃料在空气和纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在空气中的燃烧速度最大可能为280 cm/s，在纯氧中为1175 cm/s，是在空气中的4.2倍，天然气则高达10.7 倍，富氧助燃不仅能使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，有利于燃烧反应完全。因此在富氧条件下，原本燃烧特性较差的低质煤(低发热量、低挥发份)也会迅速充分的燃烧，获得良好的火力强度，对熟料的煅烧质量影响较小(可以提高回转窑对煤质的适应能力，提高劣质煤的用量)。

3.降低燃料的燃点温度：燃料的燃点温度不是一个常数，它与燃烧状况、受热速度、环境温度等有关，如一氧化碳在空气中的燃点为 609℃，而在纯氧中仅 388℃。工业用煤在富氧的状态下，燃点温度也有不同的降低，例如低挥发分的贫煤对氧气浓度变化最为敏感，氧浓度由16％增加到36％，着火温度降低147℃，而褐煤着火温度随氧气浓度变化最小，仅下降36℃，但由于其本身的着火温度较低，所以降幅也达到12％。烟煤的趋势居于贫煤和褐煤之间，着火温度下降15％左右，绝对值下降

60～100℃[4]，所以采用富氧助燃能有效降低燃料燃点，并且随着氧浓度的增加，煤粉的着火温度和燃尽温度均降低，煤粉越易着火燃烧[5]，可以显著的提高火焰强度、增加释放热量等，这一点对于低质煤（低发热量、低挥发份）甚至是无烟煤的使用非常具有实用意义，因为燃点温度降低后，相当于煤粉在回转窑内的燃烧提前，煤粉燃烧充分，热量释放完全，低质煤或者是无烟煤燃烧缓慢、火焰长、火力强度不足的问题可以得到有效弥补。

4.增加热量利用率：富氧燃烧对热量的利用率会有所提高，如用普通空气助燃，当炉膛温度为1300℃时，其可利用的热量为42％，而用26％含量的氧空气助燃时，可利用热量为56％，热量利用率增加33％，而且氧浓度越大，加热温度越高，所增加的比例就越明显，节能效果就越好。

5.降低空气过剩系数：提高助燃空气中的氧含量，可适当降低空气过剩系数，窑尾废气所带走的热量也大幅度降低，这样燃料消耗就相应减少，从而节约能源，资料证明降低燃烧后烟气中的空气过剩系数，有显著的节能降耗的作用。

三富氧助燃技术的应用方式

富氧助燃一般分为整体增氧和局部增氧，前者主要用于硫回收、炼铁炼钢和有色金属冶炼等，其特点是用富氧替代整个助燃风，而后者则用于各种炉窑节能和环保等。熟料生产中耗用风量较大，以辽阳公司2500T/D熟料线为例，其高温风机额定风量460000Nm3/h，正常运转风量在370000 Nm3/h，如果采用整体增氧显然可行性不大，但可采用局部

增氧技术，局部增氧助燃技术所配富氧量仅为所需空气量的1％～3%，而原来炉窑所需的助燃风量显著下降，关键是富氧气体的应用位置[6]，正如同好钢要加在刀刃上一样，富氧气体可经过预热后（因液态氧转为气态后会大幅度降温，有可能会造成黑火头的延长）直接随一次风喷入窑内，或随三次风喷入分解炉内，制氧设备投资较少，生产工艺设备基本不需较大改动。

另外，在富氧气氛下，煤粉的燃烧具备更加充足的氧量，提高了煤粉的燃烧速率，炉内温度场水平升高，燃料燃烧更加完全[7]，由于在富氧条件下煤粉的燃烧特性发生变化，使煤粉可以在较低的温度下燃烧而获得较高的火力强度，这样可以在水泥回转窑点火升温过程中减少带油时间，大幅减少用油量，采用富氧燃烧技术使少油点火甚至是无油点火成为可能，从而降低成本。

四成本浅析

目前工业上应用较的制氧方法有两种，一是低温空气分离制氧：特点是产量大、氧气纯度高，同时可生产氮气、氩等气体和液体，但能耗大、成本高；二是变压吸附制氧：特点是纯度低(纯度大于92%)，产量较小，但成本低，制氧设备的投资情况见表1：

表1 制氧设备及价格情况

从上表可以看出，低温空气分离制氧法存在一次性投资大、电耗高的缺点，以辽阳公司2500T/D熟料线为例，如果使用哈尔滨北方空分设备有限公司5000 Nm3/H的制氧设备，则可得到30%的富氧气体55000 Nm3，占生产所需气体总量的14%左右，基本可以满足富氧助燃的要求。该设备投资总额2500万元，按十年折旧期计算，熟料吨成本上升约3元，另外由于电耗增加，吨熟料成本上升13元，合计吨熟料成本上升近17元；使用10000 Nm3/H的制氧设备，则可得到30%的富氧气体110000 Nm3，占生产所需气体总量的28%左右，完全可以满足富氧助燃的要求，但该设备投资总额3200万元，按十年折旧期计算，熟料吨成本上升约4元，另外由于电耗增加，吨熟料成本上升近24元，合计吨熟料成本上升近28元。

变压吸附制氧设备则存在产能较低的缺点，如使用5台产能为1000 Nm3/h（目前最大产能）的该设备，则可得到30%的富氧气体50000 Nm3/h，占生产所需气体总量的13%左右，基本可以满足富氧助燃的要求。该设备投资总额近6000万元，按十年折旧期计算，熟料吨成本上升约6元，另外由于电耗增加，吨熟料成本上升9.8元，合计吨熟料成本上升近15.8元。

目前辽阳公司熟料吨实物煤耗约165Kg，按目前燃煤620元/吨计算，折合吨熟料燃煤成本为102元/吨，因此如使用5000 Nm3/h低温分离制氧设备，其节能效果必须达到17%以上，才能在节能的同时起到降

成本作用；如果使用10000 Nm3/h低温分离制氧设备，其节能效果必须达到27%以上，才能在节能的同时起到降成本作用；如使用变压吸附制氧设备，则节能效果必须达到15.8%以上，才能在节能的同时起到降成本作用。

五结论与思考

1、因目前该技术并未在水泥企业应用，详细成本还无法准确分析。

2、如果采用局部增氧，使用在何位置？增氧量需要多少？工艺如何改进？带来何种燃烧效果？能节约多少煤耗等一系列问题有待于进一步研究。

【参考文献】

1张元琴，张立平，蒋维钧; 中空纤维富氧复合膜的研究;膜科学与技术; 1998年01期

2沈光林，丁建林，李玉林，刘怠; 膜法富氧局部增氧助燃技术及其在各种锅炉和窑炉中的应用研究;膜科学与技术; 1998年02期

3石家良; 富氧燃烧节能新技术在玻璃池炉上的应用;节能与环保; 1991年03期

4刘靖昀; 富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究;浙江大学; 2006年

5樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋；煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究；中国电厂化学；2008年

6沈光林，牛正东，陈勇，聂通元，檀革江，肖若平，杨来琴; 研究局部增氧助燃技术及应用;节能与环保; 2002年07期

7郭风; 煤粉富氧燃烧和新型富氧燃烧器直接点火技术及数值研究;浙江大学; 2007年