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    富氧燃燒采用比空氣中氧含量高的空氣來助燃,可以顯著提高燃燒效率和火焰溫度,但由于富氧成本較高,多年來未能進入利潤較低的水泥行業。但隨著制氧技術的成熟和利用,隨著富氧成本的不斷降低,在高溫、高煤耗、低利潤的水泥行業,應用富氧煅燒技術的時代已經到來。“水泥窯爐富氧技術”已被列入“十二五”國家科技支撐計劃,是中國建材總院承擔的12個國家科技支撐計劃的課題之一。

          富氧燃燒技術是近代燃燒的新突破,它是使燃料中的揮發份和沒燃盡的碳粒子在富氧中充分燃燒,在不增加燃料的前提下,火焰溫度提高100~350℃,使燃燒速度加快,熱輻射迅速增強的技術。該技術強化燃燒,降低空氣過量系數,降低燃燒后的排氣量和粉塵量,降低二氧化碳,提高燃燒效率,使燃料在富氧燃燒中極大的轉化成熱能。

    3種制氧方式

    深冷法制氧

        深冷空分制氧是一種傳統的制氧方法,制氧濃度達到99%。它是以空氣為原料,經過壓縮、凈化,再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物,利用液氧和液氮的沸點不同通過液空的精餾,使它們分離來獲得氧氣。深冷空分制氧設備復雜、占地面積大,基建費用較高,設備一次性投資較多,運行成本較高。

    變壓吸附法制氧

        其原理是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開,它是以空氣為原料,利用一種高效能、高選擇的固體吸附劑對氮和氧的選擇性吸附的性能把空氣中的氮和氧分離出來。氧濃度一般在90%左右。

    膜法制氧

        利用滲透的原理,即氧分子通過膜向化學勢降低的方向運動,首先運動至膜的外表面層上,并溶解于膜中,然后在膜的內部擴散至膜的內表面層解吸,其推動力為膜兩側的該氣體分壓差,由于混合氣體中不同組分的氣體通過膜時的速度不同,氧分子優先通過分離膜從而達到提純富氧氣體的目的,稱作膜法制氧,氧濃度一般在30%左右。發明在美國,興起在德國,發展在日本從而帶動世界許多國家全面推廣采用膜法制氧助燃技術。

    富氧燃燒的應用

    水泥行業

    水泥行業

        2012年,富氧助燃節能裝置在河南天瑞集團汝州水泥有限公司日產5000噸的水泥回轉窯上投入試運行。這是目前我國水泥爐窯配備的最大富氧助燃裝置。經效果試驗,爐窯火焰溫度提高了200℃,二次風溫提高100℃。2012年11月經運行對比測試節煤率達到8.18%以上。加裝富氧助燃裝置后熟料的28d抗壓強度達到了53.2MPa,與未加裝富氧助燃裝置比較,熟料抗壓強度提高了2.8MPa,熟料的質量得到了改善,平均日產熟料提高約200t/d左右。通過在線儀表進行測試,加裝富氧助燃裝置后,水泥窯排放煙氣中NOx濃度降低了15.64%,SO2濃度降低了7.71%,同時煙氣流速降低了2.28%,總煙氣排放量有所減少,取得了較好排放效益。煙氣排放指標都呈下降趨勢,各項指標均達到了設計要求。填補了國內空白,為我國水泥行業節能減排開辟了一條新路。

    玻璃熔窯

    玻璃熔窯

        2011年2月18日,我國第一條浮法玻璃熔窯全氧燃燒生產線在安徽華光集團一次投產成功。并為之將“浮法玻璃熔窯全氧燃燒生產技術”稱為是玻璃制造技術發展史上繼采用浮法工藝之后的“第二次革命”。實現玻璃工業節能減排和可持續發展上的一次飛躍,日產500噸浮法玻璃生產線技改工程成果有以下數據為證。
        ——實現生產優質浮法玻璃、超白玻璃337萬重量箱,產能提升20%。產品滿足市場對浮法玻璃品質越來越高的需要,實現年新增銷售收入1.8億元,新增利潤6637萬元;
        ——能耗降低22%以上,年節約標煤17681噸。如在全國現有80%以上的浮法玻璃生產線上得以應用,每年將節約標準煤340萬噸;
        ——生產線配套建設的余熱發電項目將實現年供電量1226萬千瓦時;
        ——各類污染物排放大幅度下降,其中廢氣排放量減少60%以上,廢氣中氮氧化物下降80%~90%,煙塵和粉塵降低50%以上。

    高爐煉鋼

    高爐煉鋼

        高爐煉鋼主要采用(深冷法)富氧噴煤技術,已有將近一個世紀的歷史,綜合節能效益非常顯著。至今是鋼鐵廠標配的主流工藝技術,現建鋼廠必建制氧車間。
        高爐鼓風含O2提高之后,能加速高爐風口前的燃燒過程,提高理論燃燒溫度,強化高爐冶煉,增加高爐煤比,但其和高爐提高風溫不同,它不能帶入附加的熱量,具體講產生如下影響:提高高爐冶煉強度;高爐富氧有利于爐況順行;高爐富氧之后,能提高高爐煤氣的熱值;高爐富氧更有利于冶煉能耗高的鐵種。

    富氧燃燒節能減排的作用

    作用一

        增加空氣中氧的濃度,可以提高可燃物質與氧氣接觸的幾率,因而提高燃盡速度;
        由于燃料在富氧中能夠充分燃燒,從而大大提高了燃料的燃燒速度和燃盡率;由于富氧燃燒產物的熱輻射會迅速增強,從而大大提高了水泥回轉窯內的傳熱效率。對同等發熱值的煤炭,富氧空氣中的氧濃度越高,燃燒所需的富氧空氣量就會越少,燃燒產生的煙氣量就會減少,燃燒溫度就會越高,熱損失就會越少,煤炭的節約率也就越高。

    作用二

        提高空氣中氧的含量,有利于降低空氣過剩系數,從而節能減排;
        使用富氧后,從煤燃燒需要空氣量的角度,每提高1%含氧量,就可以降低接近5%的空氣量,適宜的富氧含量可以節約大量熱能。同時降低氮氧化合物的生成,由于富氧為分級燃燒的CO改善了在主燃燒區的后續燃燒條件,便可以進一步加強還原區的還原力度,提高氮氧化物的還原效果,降低氮氧化合物的排放。

    作用三

        同樣體積的空氣可以供更多燃料燃燒,相當于能增加燃料燃燒能力,增加熱量后,就可以增加產量。由于富氧提高了煅燒溫度,增加燃燒釋放熱量的利用率,即可以增加窯的產量,改善了燒成環境,提高了熟料的質量,提高水泥粉磨時混合材的添加量,為企業增加效益,節約能源。

    富氧煅燒技術推廣的問題

        水泥窯富氧煅燒技術,國內外已有許多研究機構作了理論分析、實驗室研究和工業實驗,并已取得了積極的成果,證明了富氧煅燒技術在水泥窯上的應用是可行的。富氧煅燒技術應用于水泥工業的節能效果是顯著的、效益是可觀的。鑒于富氧煅燒在水泥行業剛剛起步,還有不少需要進一步完善提高的地方。目前提供富氧設備和提供富氧煅燒技術服務的單位已有多家,但水平參差不齊、良莠混雜,切不可盲目追隨、一哄而上。
        富氧裝置噸熟料電耗為6.1kWh/t熟料,這個數據還是比較大的,不盡理想。應該說明的是,這個數據還有較大的優化空間。有望控制在3.0kWh/t熟料左右。
        同時在富氧設備選型上還有很大的優化空間,對分解爐富氧效果還有待進一步的研究測試,在富氧制氣系統及供氣系統的布局,及富氧濃度多少最為合適,對不同的煤種如何使用富氧更好,是否有利于使用劣質煤?燃燒器的更換等問題上,不同的水泥企業應根據自身生產線實際情況進行統籌考慮!

    專家觀點

    謝克平: 使用多風道燃燒器之后,本應依靠卷入二次風至火焰內部而促燃,也就是說,只要燃燒器性能足夠好,就能達到用富氧煅燒的效果,何必還要花高成本用富氧呢。換言之,只要窯尾或分解爐出口CO已經很低,富氧就無須使用;減少空氣中的氮氣在窯內的吸熱量,從而大幅降低熱耗,這才是不易被其它手段取代的熟料生產節能機理。若要走此路,需要相應減少總風門開度,相應減小窯尾上升煙道斷面,重新調整篦冷機入窯風量等等,再將富氧接至篦冷機高溫段鼓風機入口,提高二次風質量。不走此路,節煤就是自欺欺人,但此時富氧消耗量要大很多;臨時增產的良策,當系統的熱交換瓶頸為分解爐或窯容積時,無需做任何結構改造,只要使用富氧,系統便可提產。美國早就用富氧煅燒緩解熟料高峰期對市場的需求,使用濃度90%以上的液態氧,加入分解爐,可提高產量8%,比冬天燒熟料再儲存的方法合算。但這種使用富氧方式,并不一定節能,尤其當預熱或冷卻環節為系統薄弱環節時,該措施反而會提高能耗。

    賈華平:根據國內某5000t/d線的運行情況,節煤率目前在8~10%之間,耗電量在6kWh/t熟料左右。隨著工業應用的逐步推開,富氧煅燒技術必將達到進一步的完善和提高,對水泥工業來講可為意義重大。但在采用富氧煅燒時,有好多問題要結合自己的實際情況統籌考慮,比如:最佳的富氧濃度是多少?全富氧好還是局部富氧好?富氧在什么部位又如何進入燒成系統好?再比如,富氧煅燒技術在不同的水泥窯上效果是不同的,富氧的作用主要在窯前,而你的燒成系統的薄弱環節卻又正好在窯尾,就有可能影響到富氧效果的發揮。不能彌補系統短板的技術又怎么能發揮作用呢?總之,富氧空氣只是一種“藥品”,提供富氧設備的公司只是一個“制藥廠”,他們多數不是水泥生產的“醫生”。如果不能對癥下藥,再好的藥品也是沒有用的,而最好的“醫生”實際上就是你自己。

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