富氧燃烧节能技术应用于水泥生产

　　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直至纯氧燃烧，富氧燃烧适用于所有的燃料（包括气体、液体和固体）和燃烧热被（工业锅炉、窑炉），即能扩大劣质煤燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，凡是用空气参与的反应均可用富氧代替。

　　富氧助燃氧浓度高、反应快、燃烧火焰温度高，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，显著改善燃烧工况，稳定燃烧过程，增加了热量利用率，降低了能耗，效益显著，对企业的发展具有十分重要的意义。

　　1 水泥窑炉富氧燃烧改造意义

　　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而造成预热分解系统“连接堵塞”，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。

　　2 水泥熟料煅烧质量的影响因素

　　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。

　　2.1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A≤30%，挥发分V在18%～30%，发热量QDW≥5000kcal/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。

　　2.2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1650～1850℃之间，对于大型窑如5000t/d以上窑型，火焰温度控制在1750～1950℃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。

　　2.3熟料煅烧温度的影响

　　一般情况下控制熟料煅烧温度在1300～1450℃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1300～1500℃左右比较有利。

　　2.4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。

　　2.5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：Φ3×48m、Φ4×43m预分解，窑速控制在3.0～3.2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。

　　2.6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。

　　2.7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1.10～1.15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，也浪费热量和燃煤消耗量，从而影响到熟料质量的提高。

　　3  富氧燃烧改造优点

　　针对新型干法水泥生产流程，对水泥生产过程富氧燃烧改造分成两个部分，即分解炉富氧燃烧改造和回转窑富氧燃烧改造。

　　3.1分解炉富氧燃烧优点

　　分解炉系统是新型干法水泥生产工艺的重要组成部分，他承担预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。这些任务能否在高效状态下顺利完成，主要取决于生料与燃料能否在炉内很好的分散、混合和均布；燃料能否在炉内迅速的完全燃烧，并把燃烧热及时的传递给物料；生料中的碳酸盐组分能否迅速的吸热、分解，逸出的二氧化碳能否及时排除等。在分解炉内生料与高温气流之间传热快，物料在炉系统内停留时问短，化学反应迅速，对热工制度的波动较为敏感。热工制度不稳定，轻者会打乱正常的生产秩序，严重时则会造成预热器系统的粘结堵塞，甚至威胁设备安全。碳酸盐分解是一个强吸热反应，耗量为：碳酸镁为815kJ/kg，碳酸钙为1656kJ/kg，由于生料中含有大量的碳酸盐，因此分解窑系统就需要大量热，应用富氧燃烧技术有利于提高分解炉系统的热效率，稳定分解炉热工制度，提高碳酸盐的分解效率和质量。

　　3.1.1降低燃点，提高燃烧速度

　　燃尽温度越低，表明燃尽时间越短，随着氧的体积分数的增加，煤粉燃烧的着火温度和燃尽温度均呈下降趋势，因此可以说明，富氧可燃料燃点并燃烧充分。

　　从上图可以看出，富氧燃烧有助于减少燃料燃尽时间，是燃料单位时间释放的热量更多，有利于生产工艺的进行。

　　3.1.2提高火焰温度

　　富氧燃烧会提高燃烧过程中的反应物浓度，促进反应进行，补充火焰根部贫氧现象，强化火焰刚性，提高火焰温度，提高炉内温度，为生产提供良好的条件。

　　3.1.3减少热量损失，提高热量利用率

　　分解炉内的主要反应是石灰石受热分解成氧化钙，这是个强吸热反应，由于物料在分解炉内停留时间短，为了追求反应效率，必须为反应提供足够的热量。富氧燃烧会减少烟气量，减少烟气造成的热损失，同时富氧燃烧会提高炉内温度，提高炉内热量利用率，富氧燃烧有助于提高炉气辐射换热能力，使生料能够进行良好的热传递，为石灰石分解过程提供更多的热量，提高石灰石分解率，为后续生产提供良好的基础。

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　　3.1.4促进燃烧完全，减少燃料消耗量

　　富氧燃烧可以提高燃料燃尽率，提高燃料利用率，负荷相同时，富氧燃烧将消耗较少的燃料，减少燃料消耗量，同时由于富氧燃烧，燃料燃烧更充分，使灰渣中的含碳量降低，减少了燃料浪费量，降低了产品的成本。

　　3.2回转窑富氧燃烧优点

　　热工制度对水泥熟料质量影响：

　　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C₃S、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C₃S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。

　　3.2.1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。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。

　　3.2.2加快燃烧速度

　　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。

　　3.2.3提高燃料燃尽率，稳定炉内温度

　　富氧燃烧可以提高反应物浓度，促进燃料燃烧完全，使燃料燃烧单位时间释放的热量增加，减少灰渣含碳量，节约燃料消耗量，稳定炉内温度，保证了熟料矿物烧结。

　　3.2.4增强辐射换热能力，提高热量利用率

　　富氧燃烧后窑内温度升高，燃料燃尽率提高，窑气中CO2含量增加，窑气辐射换热能力增加，同时热量利用率跟窑内温度成正比，窑温升高有利于提高热量利用率，使熟料烧结时可以获得更多热量，减少产品消耗燃料量，提高产品生产速度，增加设备产能。

　　3.2.5降低过剩空气系数，保证窑气微氧化气氛

　　富氧燃烧后，助燃空气中的氧气利用率提高，入窑N2量减少，鼓风量降低，降低了过剩空气系数，同时保证窑气处于微氧化气氛，在减少烟气热损失，同时还可以避免由于窑气还原性气氛造成的熟料中部分矿物质被还原，影响熟料液相的情况，保证熟料品质的前提下节约能源。

　　3.2.6降低煤质限制，扩大煤种选择范围

　　富氧燃烧可以提高燃料燃烧时单位时间放热量，强化燃烧过程，燃烧优质煤时可以充分利用燃料，燃烧劣质煤时可以强化燃烧过程，减弱燃烧波动，稳定燃烧工况，扩大了煤种的选择范围。

　　4 富氧燃烧安全性分析

　　4.1用氧安全分析

　　我公司富氧改造所用的氧源来源有制氧所得，有生产副产品，有工艺气等不同的途径，经过多年实践，对于以上氧源的处理、调制、使用已有了完善的理论和技术。

　　纯氧使用部分：

　　国家将‘压缩氧’和‘液态氧’列为危险的不燃气体，对于这两者使用有严格的安全规范和标准，我公司通过多年的研究和实践，对于‘压缩氧’和‘液态氧’等纯氧调制使用已经有了一套完整的理念和技术，设计、施工、使用、安全防护等均满足国家相关规定；

　　富氧使用部分：

　　富氧气体是指氧浓度低于100%的气体，不属于国家对危险氧的管理范围，不具备危险性。我公司可以通过回收富氧工艺气作为氧源，通过相关处理后得到可以使用的相对稳定富氧气体，对燃烧设备进行富氧燃烧改造。

　　4.2富氧改造安全

　　分解炉富氧燃烧改造：

　　实际生产时，通常分解炉和回转窑消耗燃料比是6:4，分解炉工作时要求炉内反应速度快，所以对分解炉富氧时，在分解炉设计温度范围内，不影响物料悬浮预热的情况下，对分解炉进行改造。改造时只是利用富氧气体代替普通空气进行助燃，不对分解炉做任何改动，不会使分解炉产生安全问题。

　　回转窑富氧燃烧改造：

　　回转窑是熟料烧结的地方，生产时需要严格控制窑内温度，避免生过烧率过高引起熟料品质恶劣。富氧改造时根据回转窑设计温度和生产工况，进行富氧，保证熟料烧结时得到充足的热量的同时不会增加生过烧率；富氧燃烧后强化了火焰刚性，不会因富氧燃烧改造而引起熟料出炉时温度过高，保证熟料的品质。

　　4.3富氧系统使用安全

　　由于分解炉和回转窑对炉内工况要求严格，我公司设计的富氧系统会根据设备工况来设定运行工况，使富氧系统能够自动化匹配设备工况，当设备工况波动时，富氧系统会根据设备工况自动化调节，调节精度高、速度快，不增加操作工额外操作，避免的人为误差出现的几率；

　　当需要切出富氧系统时，只需要关闭富氧系统即可，不需要设备工况做出任何改动，保持了设备的独立性，停止富氧系统后，设备即可恢复原工作状态，不会产生新的安全和生产问题。

水泥生产过程富氧燃烧改造流程示意图