富氧燃烧采用比空气中氧含量高的空气来助燃,可以显著提高燃烧效率和火焰温度,但由于富氧成本较高,多年来未能进入利润较低的水泥行业。但随着制氧技术的成熟和利用,随着富氧成本的不断降低,在高温、高煤耗、低利润的水泥行业,应用富氧煅烧技术的时代已经到来。“水泥窑炉富氧技术”已被列入“十二五”国家科技支撑计划,是中国建材总院承担的12个国家科技支撑计划的课题之一。

      富氧燃烧技术是近代燃烧的新突破,它是使燃料中的挥发份和没燃尽的碳粒子在富氧中充分燃烧,在不增加燃料的前提下,火焰温度提高100~350℃,使燃烧速度加快,热辐射迅速增强的技术。该技术强化燃烧,降低空气过量系数,降低燃烧后的排气量和粉尘量,降低二氧化碳,提高燃烧效率,使燃料在富氧燃烧中极大的转化成热能。

3种制氧方式

深冷法制氧

    深冷空分制氧是一种传统的制氧方法,制氧浓度达到99%。它是以空气为原料,经过压缩、净化,再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物,利用液氧和液氮的沸点不同通过液空的精馏,使它们分离来获得氧气。深冷空分制氧设备复杂、占地面积大,基建费用较高,设备一次性投资较多,运行成本较高。

变压吸附法制氧

    其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开,它是以空气为原料,利用一种高效能、高选择的固体吸附剂对氮和氧的选择性吸附的性能把空气中的氮和氧分离出来。氧浓度一般在90%左右。

膜法制氧

    利用渗透的原理,即氧分子通过膜向化学势降低的方向运动,首先运动至膜的外表面层上,并溶解于膜中,然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸,其推动力为膜两侧的该气体分压差,由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同,氧分子优先通过分离膜从而达到提纯富氧气体的目的,称作膜法制氧,氧浓度一般在30%左右。发明在美国,兴起在德国,发展在日本从而带动世界许多国家全面推广采用膜法制氧助燃技术。

富氧燃烧的应用

水泥行业

水泥行业

    2012年,富氧助燃节能装置在河南天瑞集团汝州水泥有限公司日产5000吨的水泥回转窑上投入试运行。这是目前我国水泥炉窑配备的最大富氧助燃装置。经效果试验,炉窑火焰温度提高了200℃,二次风温提高100℃。2012年11月经运行对比测试节煤率达到8.18%以上。加装富氧助燃装置后熟料的28d抗压强度达到了53.2MPa,与未加装富氧助燃装置比较,熟料抗压强度提高了2.8MPa,熟料的质量得到了改善,平均日产熟料提高约200t/d左右。通过在线仪表进行测试,加装富氧助燃装置后,水泥窑排放烟气中NOx浓度降低了15.64%,SO2浓度降低了7.71%,同时烟气流速降低了2.28%,总烟气排放量有所减少,取得了较好排放效益。烟气排放指标都呈下降趋势,各项指标均达到了设计要求。填补了国内空白,为我国水泥行业节能减排开辟了一条新路。

玻璃熔窑

玻璃熔窑

    2011年2月18日,我国第一条浮法玻璃熔窑全氧燃烧生产线在安徽华光集团一次投产成功。并为之将“浮法玻璃熔窑全氧燃烧生产技术”称为是玻璃制造技术发展史上继采用浮法工艺之后的“第二次革命”。实现玻璃工业节能减排和可持续发展上的一次飞跃,日产500吨浮法玻璃生产线技改工程成果有以下数据为证。
    ——实现生产优质浮法玻璃、超白玻璃337万重量箱,产能提升20%。产品满足市场对浮法玻璃品质越来越高的需要,实现年新增销售收入1.8亿元,新增利润6637万元;
    ——能耗降低22%以上,年节约标煤17681吨。如在全国现有80%以上的浮法玻璃生产线上得以应用,每年将节约标准煤340万吨;
    ——生产线配套建设的余热发电项目将实现年供电量1226万千瓦时;
    ——各类污染物排放大幅度下降,其中废气排放量减少60%以上,废气中氮氧化物下降80%~90%,烟尘和粉尘降低50%以上。

高炉炼钢

高炉炼钢

    高炉炼钢主要采用(深冷法)富氧喷煤技术,已有将近一个世纪的历史,综合节能效益非常显著。至今是钢铁厂标配的主流工艺技术,现建钢厂必建制氧车间。
    高炉鼓风含O2提高之后,能加速高炉风口前的燃烧过程,提高理论燃烧温度,强化高炉冶炼,增加高炉煤比,但其和高炉提高风温不同,它不能带入附加的热量,具体讲产生如下影响:提高高炉冶炼强度;高炉富氧有利于炉况顺行;高炉富氧之后,能提高高炉煤气的热值;高炉富氧更有利于冶炼能耗高的铁种。

富氧燃烧节能减排的作用

作用一

    增加空气中氧的浓度,可以提高可燃物质与氧气接触的几率,因而提高燃尽速度;
    由于燃料在富氧中能够充分燃烧,从而大大提高了燃料的燃烧速度和燃尽率;由于富氧燃烧产物的热辐射会迅速增强,从而大大提高了水泥回转窑内的传热效率。对同等发热值的煤炭,富氧空气中的氧浓度越高,燃烧所需的富氧空气量就会越少,燃烧产生的烟气量就会减少,燃烧温度就会越高,热损失就会越少,煤炭的节约率也就越高。

作用二

    提高空气中氧的含量,有利于降低空气过剩系数,从而节能减排;
    使用富氧后,从煤燃烧需要空气量的角度,每提高1%含氧量,就可以降低接近5%的空气量,适宜的富氧含量可以节约大量热能。同时降低氮氧化合物的生成,由于富氧为分级燃烧的CO改善了在主燃烧区的后续燃烧条件,便可以进一步加强还原区的还原力度,提高氮氧化物的还原效果,降低氮氧化合物的排放。

作用三

    同样体积的空气可以供九州娱乐燃料燃烧,相当于能增加燃料燃烧能力,增加热量后,就可以增加产量。由于富氧提高了煅烧温度,增加燃烧释放热量的利用率,即可以增加窑的产量,改善了烧成环境,提高了熟料的质量,提高水泥粉磨时混合材的添加量,为企业增加效益,节约能源。

富氧煅烧技术推广的问题

    水泥窑富氧煅烧技术,国内外已有许多研究机构作了理论分析、实验室研究和工业实验,并已取得了积极的成果,证明了富氧煅烧技术在水泥窑上的应用是可行的。富氧煅烧技术应用于水泥工业的节能效果是显著的、效益是可观的。鉴于富氧煅烧在水泥行业刚刚起步,还有不少需要进一步完善提高的地方。目前提供富氧设备和提供富氧煅烧技术服务的单位已有多家,但水平参差不齐、良莠混杂,切不可盲目追随、一哄而上。
    富氧装置吨熟料电耗为6.1kWh/t熟料,这个数据还是比较大的,不尽理想。应该说明的是,这个数据还有较大的优化空间。有望控制在3.0kWh/t熟料左右。
    同时在富氧设备选型上还有很大的优化空间,对分解炉富氧效果还有待进一步的研究测试,在富氧制气系统及供气系统的布局,及富氧浓度多少最为合适,对不同的煤种如何使用富氧更好,是否有利于使用劣质煤?燃烧器的更换等问题上,不同的水泥企业应根据自身生产线实际情况进行统筹考虑!

专家观点

谢克平: 使用多风道燃烧器之后,本应依靠卷入二次风至火焰内部而促燃,也就是说,只要燃烧器性能足够好,就能达到用富氧煅烧的效果,何必还要花高成本用富氧呢。换言之,只要窑尾或分解炉出口CO已经很低,富氧就无须使用;减少空气中的氮气在窑内的吸热量,从而大幅降低热耗,这才是不易被其它手段取代的熟料生产节能机理。若要走此路,需要相应减少总风门开度,相应减小窑尾上升烟道断面,重新调整篦冷机入窑风量等等,再将富氧接至篦冷机高温段鼓风机入口,提高二次风质量。不走此路,节煤就是自欺欺人,但此时富氧消耗量要大很多;临时增产的良策,当系统的热交换瓶颈为分解炉或窑容积时,无需做任何结构改造,只要使用富氧,系统便可提产。美国早就用富氧煅烧缓解熟料高峰期对市场的需求,使用浓度90%以上的液态氧,加入分解炉,可提高产量8%,比冬天烧熟料再储存的方法合算。但这种使用富氧方式,并不一定节能,尤其当预热或冷却环节为系统薄弱环节时,该措施反而会提高能耗。

贾华平:根据国内某5000t/d线的运行情况,节煤率目前在8~10%之间,耗电量在6kWh/t熟料左右。随着工业应用的逐步推开,富氧煅烧技术必将达到进一步的完善和提高,对水泥工业来讲可为意义重大。但在采用富氧煅烧时,有好多问题要结合自己的实际情况统筹考虑,比如:最佳的富氧浓度是多少?全富氧好还是局部富氧好?富氧在什么部位又如何进入烧成系统好?再比如,富氧煅烧技术在不同的水泥窑上效果是不同的,富氧的作用主要在窑前,而你的烧成系统的薄弱环节却又正好在窑尾,就有可能影响到富氧效果的发挥。不能弥补系统短板的技术又怎么能发挥作用呢?总之,富氧空气只是一种“药品”,提供富氧设备的公司只是一个“制药厂”,他们多数不是水泥生产的“医生”。如果不能对症下药,再好的药品也是没有用的,而最好的“医生”实际上就是你自己。

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