富氧燃燒節(jié)能技術應用于水泥生產

　　燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時發(fā)出光和熱的過程，富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度直至純氧燃燒，富氧燃燒適用于所有的燃料（包括氣體、液體和固體）和燃燒熱被（工業(yè)鍋爐、窯爐），即能擴大劣質煤燃料的應用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質燃料的性能，凡是用空氣參與的反應均可用富氧代替。

　　富氧助燃氧濃度高、反應快、燃燒火焰溫度高，使燃料充分燃燒，提高燃燒效率，顯著改善燃燒工況，穩(wěn)定燃燒過程，增加了熱量利用率，降低了能耗，效益顯著，對企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

　　1 水泥窯爐富氧燃燒改造意義

　　水泥生產需要消耗較多的能源和資源，并且原煤的設計有一定的標準，但是由于原煤的標準達不到設計要求，煤炭灰分過高，熱值過低，因此燃料在燃燒的過程中存在不完全燃燒，飛灰機械不完全損失大等一系列問題而造成預熱分解系統(tǒng)“連接堵塞”，降低熟料生產質量，影響水泥生產效率和水泥質量。富氧燃燒是解決燃料燃燒不完全最有利的措施，可以促進燃料的完全燃燒，提高整個系統(tǒng)的熱效率，提高水泥生產效率和質量。

　　2 水泥熟料煅燒質量的影響因素

　　研究表明，優(yōu)質熟料主要特征是C₃S+C₂S礦物含量高，堿含量低，礦物晶粒粒徑較細小均勻，當生料工藝質量參數(shù)和粉磨細度、顆粒粒徑分布、化學成分、有害成分等保持穩(wěn)定不變的情況下，回轉窯煅燒操作熱工制度和煅燒溫度、升溫速率、峰值溫度、保溫時間、窯速和冷卻速率等就決定了熟料硅酸鹽礦物C₃S和C₂S的含量和活性，熟料中晶體尺寸大小，主要決定于水泥生料的易燒性和窯的煅燒操作熱工制度的穩(wěn)定性。因此，回轉窯的煅燒操作熱工制度對硅酸鹽水泥熟料煅燒質量產生重要影響。

　　2.1煤質的影響

　　水泥企業(yè)對煤質要求并不低，對原煤品質要求主要體現(xiàn)在灰份、揮發(fā)份、含硫和發(fā)熱量。一般回轉窯煅燒用煤質量要求灰分A≤30%，揮發(fā)分V在18%～30%，發(fā)熱量QDW≥5000kcal/kg，煤粉細度要求控制在8%～15%，實際上，我國當前由于優(yōu)質煤炭供應緊張且價格較高，許多廠家實際達不到這一要求，由于煤質量達不到設計要求，煤粉在燃燒過程中存在不完全燃燒的現(xiàn)象并且煤粉燃燒后灰分全部沉落在燒成帶的熟料顆粒表面上，造成熟料顆粒表面富硅化，從而改變熟料表層礦物成分，C₃S含量下降，C₂S含量上升，從而影響熟料質量，當前相應的對策措施，一是適度調整增加干法窯尾分解爐用煤量和降低窯頭噴煤量，其比例控制在6：4左右，以增加分解爐中煤灰分與灼燒生料的混合程度，降低窯頭煤灰對熟料質量的負面影響；二是采取窯尾分解爐與窯頭喂煤質量分別控制，分解爐喂低熱值煤，窯頭喂高熱值煤，可降低劣質煤對窯頭熟料質量的不利影響。

　　2.2火焰形狀和溫度的影響

　　火焰形狀的調節(jié)一方面取決于煤粉的熱值、灰分、細度和揮發(fā)分的大小，另一方面還取決于一次風的風速和風量大小，即窯頭燃燒器的規(guī)格和性能，調整好窯火焰長度也就是調整好燒成帶長度，也即調整控制了熟料在高溫燒成帶停留時間，火焰形狀和長度影響到熟料中C3S礦物的晶粒發(fā)育大小和活性。因此，在燒高強優(yōu)質熟料時，必須調整火焰長度適中，既不拉長火焰使燒成帶溫度降低，也不縮短火焰使高溫部分過于集中，從而燒垮窯皮和耐火磚而不利于窯的安全運轉，回轉窯內火焰形狀粗細必須與窯斷面積相適應，要求比較充滿近料而不觸料，正常形狀保持其縱斷面為正柳葉形狀。當燒灰分高、熱值低的劣質煤時，其一次風風速應適度加大，對于使用多通道噴煤管的窯應增加內、外凈風風速和風量，使其火焰形狀盡量控制不發(fā)散而形成正常火焰。

　　干法窯窯頭火焰溫度控制，視窯型大小而異，對于2000t/d以下的窯型一般控制在1650～1850℃之間，對于大型窯如5000t/d以上窯型，火焰溫度控制在1750～1950℃的較高范圍內比較有利，預分解窯內火焰溫度取決于兩部分因素：一是煤粉熱值、灰分和細度，二是取決于二次風溫和風量大小，對于燒劣質煤的廠家提高二次風溫尤其重要。對于易燒性差的生料和含堿高的生料，適當提高火焰溫度，采用高溫燒成有利于熟料質量的提高和堿分的充分揮發(fā)可獲得低堿熟料。

　　2.3熟料煅燒溫度的影響

　　一般情況下控制熟料煅燒溫度在1300～1450℃可確保熟料質量和燒結，對于當前我國相當部分廠家由于采用雙高配料（高KH、高SM）生產高強熟料，其生料易燒性變差，相應熟料煅燒溫度應適度偏高控制，控制在1300～1500℃左右比較有利。

　　2.4燒成帶長度的影響

　　對于雙高（高KH、高SM）熟料配料的廠家，要求控制燒成帶長度比正常情況偏長一些，煅燒溫度高一些，即"高溫長帶"煅燒，有利于熟料燒結和熟料質量的提高。

　　2.5窯速的影響

　　對于短小型預分解窯，由于其長度比大型窯短，窯速應偏低控制較好，如：Φ3×48m、Φ4×43m預分解，窯速控制在3.0～3.2轉/分。對熟料質量比較有利，主要是因為其窯長較短，為確保熟料在短窯內的高溫停留時間，窯速偏低控制較為有利。

　　2.6升溫速率和冷卻速率的影響

　　優(yōu)質熟料形成要求預熱器分解爐氣固換熱效率高，傳熱快，在窯內過渡帶升溫階段要求快速升溫，主要操作要求就是要適度提高窯速、加大灼燒生料翻滾頻次，縮短過渡帶長度，延長燒成帶長度，促進熟料的礦物形成和燒結，燒高強優(yōu)質熟料要求快燒急冷，窯頭篦冷機操作要求強化一室、二室高壓風風量迅速，強化冷風對高溫熟料的冷卻效果，這樣有利于熟料質量的提高。

　　2.7窯氣氛的影響

　　回轉窯內燃煤燃燒過?？諝庀禂?shù)一般要控制在1.10～1.15左右，以窯尾廢氣中氧濃度控制在2%～3%左右為較好，即保持微氧化氣氛操作，若過?？諝庀禂?shù)控制過低，二次風不足，易導致還原氣氛產生，窯內出現(xiàn)還原氣氛，會產生CO氣體，且熟料中Fe₂O₃成分被CO還原成FeO，影響熟料液相成分和黏度，影響熟料燒結，易產生大量黃心熟料，也浪費熱量和燃煤消耗量，從而影響到熟料質量的提高。

　　3  富氧燃燒改造優(yōu)點

　　針對新型干法水泥生產流程，對水泥生產過程富氧燃燒改造分成兩個部分，即分解爐富氧燃燒改造和回轉窯富氧燃燒改造。

　　3.1分解爐富氧燃燒優(yōu)點

　　分解爐系統(tǒng)是新型干法水泥生產工藝的重要組成部分，他承擔預分解系統(tǒng)中繁重的燃燒、換熱和碳酸鹽分解任務。這些任務能否在高效狀態(tài)下順利完成，主要取決于生料與燃料能否在爐內很好的分散、混合和均布；燃料能否在爐內迅速的完全燃燒，并把燃燒熱及時的傳遞給物料；生料中的碳酸鹽組分能否迅速的吸熱、分解，逸出的二氧化碳能否及時排除等。在分解爐內生料與高溫氣流之間傳熱快，物料在爐系統(tǒng)內停留時問短，化學反應迅速，對熱工制度的波動較為敏感。熱工制度不穩(wěn)定，輕者會打亂正常的生產秩序，嚴重時則會造成預熱器系統(tǒng)的粘結堵塞，甚至威脅設備安全。碳酸鹽分解是一個強吸熱反應，耗量為：碳酸鎂為815kJ/kg，碳酸鈣為1656kJ/kg，由于生料中含有大量的碳酸鹽，因此分解窯系統(tǒng)就需要大量熱，應用富氧燃燒技術有利于提高分解爐系統(tǒng)的熱效率，穩(wěn)定分解爐熱工制度，提高碳酸鹽的分解效率和質量。

　　3.1.1降低燃點，提高燃燒速度

　　燃盡溫度越低，表明燃盡時間越短，隨著氧的體積分數(shù)的增加，煤粉燃燒的著火溫度和燃盡溫度均呈下降趨勢，因此可以說明，富氧可燃料燃點并燃燒充分。

　　從上圖可以看出，富氧燃燒有助于減少燃料燃盡時間，是燃料單位時間釋放的熱量更多，有利于生產工藝的進行。

　　3.1.2提高火焰溫度

　　富氧燃燒會提高燃燒過程中的反應物濃度，促進反應進行，補充火焰根部貧氧現(xiàn)象，強化火焰剛性，提高火焰溫度，提高爐內溫度，為生產提供良好的條件。

　　3.1.3減少熱量損失，提高熱量利用率

　　分解爐內的主要反應是石灰石受熱分解成氧化鈣，這是個強吸熱反應，由于物料在分解爐內停留時間短，為了追求反應效率，必須為反應提供足夠的熱量。富氧燃燒會減少煙氣量，減少煙氣造成的熱損失，同時富氧燃燒會提高爐內溫度，提高爐內熱量利用率，富氧燃燒有助于提高爐氣輻射換熱能力，使生料能夠進行良好的熱傳遞，為石灰石分解過程提供更多的熱量，提高石灰石分解率，為后續(xù)生產提供良好的基礎。

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　　3.1.4促進燃燒完全，減少燃料消耗量

　　富氧燃燒可以提高燃料燃盡率，提高燃料利用率，負荷相同時，富氧燃燒將消耗較少的燃料，減少燃料消耗量，同時由于富氧燃燒，燃料燃燒更充分，使灰渣中的含碳量降低，減少了燃料浪費量，降低了產品的成本。

　　3.2回轉窯富氧燃燒優(yōu)點

　　熱工制度對水泥熟料質量影響：

　　回轉窯的主要作用是為生料的完全分解和熟料礦物的形成提供所需的溫度和一定的停留時間，以實現(xiàn)熟料的燒成。在回轉窯系統(tǒng)中主要是C₃S、C₂S礦物的形成，優(yōu)質熟料要求C₃S、C₂S礦物含量高，堿含量低，礦物晶粒粒徑較細小均勻，發(fā)育良好。熟料中硅酸鹽礦物C₃S和C₂S的含量和活性，熟料晶體尺寸發(fā)育大小主要決定于回轉窯煅燒操作熱工制度和煅燒溫度、升溫速率、峰值溫度、保溫時間等。因此，回轉窯的煅燒操作熱工制度對硅酸鹽水泥熟料煅燒質量產生重要影響。在回轉窯系統(tǒng)加入富氧空氣以改善窯內燃料的燃燒工況，穩(wěn)定窯系統(tǒng)的熱工制度，提高水泥熟料的生產質量。

　　3.2.1穩(wěn)定火焰形狀，提高火焰溫度

　　研究表明火焰形狀和長度影響到熟料中C3S礦物的晶粒發(fā)育大小和活性，因此，在燒高強優(yōu)質熟料時，必須調整火焰長度適中，且要求火焰形狀穩(wěn)定。通入富氧以后，燃料燃燒更加穩(wěn)定，所以火焰的穩(wěn)定性能得到加強。采用高溫燒成有利于熟料質量的提高和堿分的充分揮發(fā)，可獲得低堿熟料。采用富氧燃燒技術，可使燃燒反應更加劇烈，從而提高火焰溫度。

　　3.2.2加快燃燒速度

　　優(yōu)質熟料形成要求在窯內過渡帶升溫階段要求快速升溫，促進熟料的礦物形成和燒結，通入富氧空氣以后，可加快燃燒反應速度，提高回轉窯內的升溫速率。

　　3.2.3提高燃料燃盡率，穩(wěn)定爐內溫度

　　富氧燃燒可以提高反應物濃度，促進燃料燃燒完全，使燃料燃燒單位時間釋放的熱量增加，減少灰渣含碳量，節(jié)約燃料消耗量，穩(wěn)定爐內溫度，保證了熟料礦物燒結。

　　3.2.4增強輻射換熱能力，提高熱量利用率

　　富氧燃燒后窯內溫度升高，燃料燃盡率提高，窯氣中CO2含量增加，窯氣輻射換熱能力增加，同時熱量利用率跟窯內溫度成正比，窯溫升高有利于提高熱量利用率，使熟料燒結時可以獲得更多熱量，減少產品消耗燃料量，提高產品生產速度，增加設備產能。

　　3.2.5降低過剩空氣系數(shù)，保證窯氣微氧化氣氛

　　富氧燃燒后，助燃空氣中的氧氣利用率提高，入窯N2量減少，鼓風量降低，降低了過?？諝庀禂?shù)，同時保證窯氣處于微氧化氣氛，在減少煙氣熱損失，同時還可以避免由于窯氣還原性氣氛造成的熟料中部分礦物質被還原，影響熟料液相的情況，保證熟料品質的前提下節(jié)約能源。

　　3.2.6降低煤質限制，擴大煤種選擇范圍

　　富氧燃燒可以提高燃料燃燒時單位時間放熱量，強化燃燒過程，燃燒優(yōu)質煤時可以充分利用燃料，燃燒劣質煤時可以強化燃燒過程，減弱燃燒波動，穩(wěn)定燃燒工況，擴大了煤種的選擇范圍。

　　4 富氧燃燒安全性分析

　　4.1用氧安全分析

　　我公司富氧改造所用的氧源來源有制氧所得，有生產副產品，有工藝氣等不同的途徑，經過多年實踐，對于以上氧源的處理、調制、使用已有了完善的理論和技術。

　　純氧使用部分：

　　國家將‘壓縮氧’和‘液態(tài)氧’列為危險的不燃氣體，對于這兩者使用有嚴格的安全規(guī)范和標準，我公司通過多年的研究和實踐，對于‘壓縮氧’和‘液態(tài)氧’等純氧調制使用已經有了一套完整的理念和技術，設計、施工、使用、安全防護等均滿足國家相關規(guī)定；

　　富氧使用部分：

　　富氧氣體是指氧濃度低于100%的氣體，不屬于國家對危險氧的管理范圍，不具備危險性。我公司可以通過回收富氧工藝氣作為氧源，通過相關處理后得到可以使用的相對穩(wěn)定富氧氣體，對燃燒設備進行富氧燃燒改造。

　　4.2富氧改造安全

　　分解爐富氧燃燒改造：

　　實際生產時，通常分解爐和回轉窯消耗燃料比是6:4，分解爐工作時要求爐內反應速度快，所以對分解爐富氧時，在分解爐設計溫度范圍內，不影響物料懸浮預熱的情況下，對分解爐進行改造。改造時只是利用富氧氣體代替普通空氣進行助燃，不對分解爐做任何改動，不會使分解爐產生安全問題。

　　回轉窯富氧燃燒改造：

　　回轉窯是熟料燒結的地方，生產時需要嚴格控制窯內溫度，避免生過燒率過高引起熟料品質惡劣。富氧改造時根據(jù)回轉窯設計溫度和生產工況，進行富氧，保證熟料燒結時得到充足的熱量的同時不會增加生過燒率；富氧燃燒后強化了火焰剛性，不會因富氧燃燒改造而引起熟料出爐時溫度過高，保證熟料的品質。

　　4.3富氧系統(tǒng)使用安全

　　由于分解爐和回轉窯對爐內工況要求嚴格，我公司設計的富氧系統(tǒng)會根據(jù)設備工況來設定運行工況，使富氧系統(tǒng)能夠自動化匹配設備工況，當設備工況波動時，富氧系統(tǒng)會根據(jù)設備工況自動化調節(jié)，調節(jié)精度高、速度快，不增加操作工額外操作，避免的人為誤差出現(xiàn)的幾率；

　　當需要切出富氧系統(tǒng)時，只需要關閉富氧系統(tǒng)即可，不需要設備工況做出任何改動，保持了設備的獨立性，停止富氧系統(tǒng)后，設備即可恢復原工作狀態(tài)，不會產生新的安全和生產問題。

水泥生產過程富氧燃燒改造流程示意圖