水泥回转窑富氧燃烧的有效应用

富氧燃烧技术：水泥行业节能降耗的“新式武器”中国建筑材料科学研究总院与武汉理工大学、X市水泥厂有限责任公司共同担当的“十二五”国家科技支撑课题——“水泥窑炉富氧和分级燃烧减排NOx技术与示范应用”，历时3年，在保持和提高熟料煅烧效率、熟料质量的前提下，研究攻破了部分NOx在窑体内的自身消化，为削减水泥窑炉NOx排放供应多种技术途径，并进行多条生产线技术应用示范，达到显著的节能增产效果，被业内誉为节能降耗的“新式武器”。

NOx减排迫在眉睫NOx是典型的大气污染物，对环境具有严重的危害性。

中国建材总院等担当的这项国家科技支撑课题，基于国家节能减排及削减NOx排放的重大需求，结合水泥工业的生产技术水平和工艺技术特性，开展了富氧燃烧和分级燃烧及检测掌握技术的研究，这对掌握和削减NOx污染物排放具有着重要意义。

“十二五”期间，国家已将NOx列入了污染物减排指标考核体系。

水泥窑炉是NOx的高排放源，每吨水泥熟料的生产会产生约2.4千克NOx，一条年产60万吨水泥熟料生产线每年则会产生约1440吨NOx。

据统计，水泥行业NOx排放量占工业总排放量的8%~10%，是继火电厂、机动车后的第三大排放源。

在此背景下，GB4915-20XX《水泥工业大气污染物排放标准》中规定，水泥企业NOx排放限值为400mg/m3，其中重点地区排放限值为320mg/m3，以此严格限制水泥行业NOx排放量。

水泥行业NOx减排技术包括非催化还原技术(SNCR)、催化还原技术(SCR)、分级燃烧和低氮燃烧器技术等。

其中SNCR脱销效率达50%以上，但需要消耗大量的尿素、氨水等还原剂;SCR脱销效率可达80%以上，而目前国内仍处于研发与示范阶段，后两种技术可在不消耗其他物质的基础上，实现一定量NOx的削减，但脱硝效率往往不够抱负。

基于此，依据水泥窑炉的工艺技术特点，在保证甚至提高水泥熟料产量、质量和窑炉能效水平的同时，通过富氧燃烧技术和分级燃烧技术，掌握NOx的形成或促进NOx的分解，大幅度削减回转窑内NOx的排放，对我国水泥工业NOx 减排具有推动意义。

试论富氧煅烧在水泥窑上的应用摘要：当通过某种技术措施生产出高于当地空气中氧含量的气体，将这种气体称为“富氧气体”。

例如，在平原地区的空气中氧含量约为21%，将部分氧气混入这种空气中，则这种空气中的氧含量就高于21%，将这种空气就称为“富氧空气”或“富氧气体”。

当气体中的氧含量达到85%-100%时，将这种气体则称为“全氧气体”。

众所周知，燃料的燃烧就是剧烈的氧化，燃料要燃烧就必须有氧气供给，通常的燃料燃烧所需要的氧气都是利用空气中所含的氧气。

利用富氧空气或者富氧气体供给燃料燃烧之需，称为“富氧燃烧”，利用全氧气体供给燃料燃烧，则称为“全氧燃烧”。

关键词：富氧煅烧；水泥窑；应用；分析引言：据了解，富氧煅烧技术系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，长久以来主要是应用在玻璃熔窑和金属冶炼等需要高温操作的行业。

随着膜法制氧技术的成熟和利用，富氧成本不断降低，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。

1.富氧煅烧技术在国内外的发展简介迄今为止，人类消费的能源80%是通过燃烧途径应用的，而燃烧过程的排放物也是造成环境污染的主要来源。

如何提高资源的利用率，并在利用的同时尽可能地降低对环境造成的影响，各种高效率、低污染的燃烧技术应运而生。

富氧燃烧技术是高效燃烧技术的一种，发达国家将其称为“资源的创造性技术”，早已在燃烧的多个工程领域有所应用，都取得了显著的技术经济效果。

在美国，1984年将膜法富氧技术应用于铜冶炼炉，取得节能大于30%的显著效果。

在一个玻璃厂用23%的富氧空气燃烧，产量增加12.3%，节能约9%，成品率提高3%-10%，灰泡数量下降40%，炉龄延长了5-6个月。

在日本，近年来约有20家公司先后推出了富氧装置。

通过在以燃气、燃油和煤粉为燃料的不同工程中进行了富氧燃烧的应用试验，得出了以下结果：用23%的富氧空气燃烧可节能10%-25%，用25%的富氧空气燃烧可节能20%～40%，用27%的富氧燃烧可节能30%-50%等。

富氧煅烧在水泥窑上应用的可行性天瑞集团水泥公司贾华平20130625◆富氧燃烧是不是伪科学◆富氧助燃能否加快煤粉燃烧速度，促进燃烧完全◆富氧助燃能否降低燃料的燃点温度◆富氧助燃能否提高火焰及窑内温度◆富氧助燃能否减少燃烧后的排气量◆不同的煤种如何使用富氧才更好◆在富氧情况下燃烧器是否需改进随着膜法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课题之一。

一、富氧燃烧的节煤机理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。

富氧煅烧将燃料本身具有的能量得以比较集中的释放出来，用在它该用的地方，从而减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的它在不该用的地方继续燃烧造成的浪费，通过提高燃料能量的利用率实现了节能的目的。

同时，也可在一定程度上减少燃烧用风提高火点温度、减少废气排放降低热能损失。

5000t/d水泥窑富氧系统现场控制画面5000t/d水泥窑富氧系统中控运行画面1，煤粉在不同氧含量中的燃烧实验煤粉在不同的氧体积分数下，实验所得的热重分析（DTG）曲线如下图。

试验表明：①随着氧体积分数的增加，使DTG曲线向低温区移动,说明着火温度随氧体积分数的增加而降低；②随着氧体积分数的增加，使最大质量损失速率增大,说明煤的活性随氧体积分数的增大而增强；③随着氧体积分数的增加，使煤样燃烧的平均质量损失率增大,说明煤样的燃尽时间缩短,整体燃烧速率提高；④随着氧体积分数的增加，燃烧曲线的后部尾端变陡,说明煤的燃尽性能提高。

煤在不同氧体积分数下的DTG曲线热力学的热重分析曲线TG(Thermal Gravity Analysis)，指样品的升温速度与其重量减少速度的函数关系。

富氧助燃技术是水泥窑节能减排的最佳方式1 富氧及助燃技术简介富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集，使收集后气体中的富氧含量≥21%，用富氧空气进行助燃，称为富氧助燃，它是一项高效节能减排的助燃技术。

富氧目前主要有三种生产方式，即深冷法、VPSA法和膜法。

其中深冷法是利用空气为原料,通过物理的方法,把氧气从空气里分离出来，该法生产的氧气纯度高，设备庞大，需要专业生产人员，适用于大规模的生产。

VPSA法是近几十年发展起来的一种制氧工艺，具有投资少、能耗低、运行维护费用低、工艺条件温和（常温、低压）、工艺流程简单、自动化程度高、操作灵活性高（可随时开停）、建设工期短和安全性好等优点，因此得到国、内外大型气体公司和研究机构的广泛关注，并纷纷投入巨大的人力物力研究开发。

自九十年代开发成功高效锂基制氧分子筛后，变压吸附空分制氧技术开始迅猛发展并得到广泛应用。

而膜法是利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过，获得氧气浓度和流量均十分稳定的富氧空气，适合于小规模富氧。

富氧助燃技术主要分整体增氧和局部增氧助燃技术2种，前者投资非常大，而且副作用多如NOX增加、炉龄缩短等！后者使用富氧量仅为所需空气量的1－15％，而原来鼓/引风量均要显著下降，其核心是通过专用富氧喷嘴把高品质的富氧送到产品最需要的位置，用尽可能少的氧达到节能减排和延长炉龄等综合效果！2 水泥窑加氧的意义富氧助燃技术用于水泥生产工艺，可改善燃料的燃烧工况，提高火焰温度及火焰黑度，缩短燃烧所需的时间，实现燃料的完全燃烧，从而加大火焰对物料的辐射传热能力提高整个系统的热效率，减少粉尘及 CO、CO2、SOX及NOX等有害气体的排放量，有利于节能减排，同时还能够稳定整个窑系统的热工制度，提高水泥的生产效率和质量，延长水泥窑的维护周期，减轻司炉工的工作强度并明显改善工作环境。

另在保持其他条件不变的情况下，使用富氧助燃技术可适当降低煤粉细度，从而减少煤磨的功耗而实现节能。

1.富氧燃烧定义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（根据实际情况可采用局部富氧和整体富氧），直至纯氧燃烧。

富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和工业锅炉均适用，既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，广义上讲凡是用空气参与反应的均可用富氧代替。

2.富氧燃烧节能机理①提高火焰温度。

②加快燃烧速度，促进煤粉燃烧完全。

③降低过量空气系数，减少排烟热损失。

④增加热量利用率，提高燃烧效率。

3.富氧燃烧意义煤炭灰分过高，热值过低，因此燃料在燃烧的过程中存在不完全燃烧，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。

4.水泥富氧生产工艺4.1 热工制度对水泥熟料煅烧质量的影响研究表明，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。

（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Q dw≥5000kcal/kg，煤粉细度要求控制在8%～15%，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。

一．富氧简介及方式富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集，使收集后气体中的富氧含量≥21%。

现有的富氧方式主要有：(1)增压增氧方式增压增氧主要用在飞机上,通过增加机舱内的压力,使空气密度增加,由于空气中含氧量的比例是一定的(氧在空气中的体积比为20 95%),空气密度增加后,空气中氧的绝对质量也增加,从而达到增加氧的目的。

(2)制氧机制氧方式制氧机制氧广泛用在各个领域,制氧机有3大类:第一是利用空气为原料,通过物理的方法,把氧气从空气里分离出来。

在1个大气压下,液态氧的沸点是-183℃,而液态氮的沸点是-196℃,当控制液态空气的沸点在-183℃以下高于-196℃时,液态氮首先蒸发,留下来的是液态氧,这种方法可制得纯度很高的氧气,再用很大的压力(一般150个大气压)压入钢瓶贮存起来,供工厂、医院使用,贮存在钢瓶的氧气还可向氧气袋充氧,供个人或旅行者使用。

平时我们所见的氧气瓶供氧、氧气袋供氧都是使用这种方法制出的氧气。

第二种是常压(或叫低压)制氧方法,所需压缩空气的压力在1ＭＰａ以内,这是近十几年发展起来的制氧方法,也叫膜制氧方法。

膜制氧方法的原理可参见文献。

第三种是ＰＳＡ分子筛制氧方法,ＰＳＡ分子筛制氧是使用一种变压吸附制氧设备,这种设备主要由空气净化系统,ＰＳＡ氧氮分离系统,氧气缓冲、检测系统等组成。

(3)化学制氧方式化学制氧是利用含氧化合物为原料,通过与催化剂的反应,制出氧气。

使用的含氧化合物必须具备两个条件:一是这种含氧化合物是较不稳定的,在加热时容易分解放出氧气;二是这种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的,能分解放出较多的氧气。

一般用氯酸钾(分子式是ＫＣｌＯ3),它含氧的百分比达40%,在氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰(ＭｎＯ2)粉末,氯酸钾会迅速分解,有多量的氧气放出。

氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”收集,供试验、呼吸等使用。

氧立得就是利用这种原理制氧的。

二．富氧燃烧用比通常空气（含氧21%）含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧。

水泥回转窑富氧燃烧的有效应用富氧燃烧技术的应用,一方面可使火焰温度及黑度提高,从而加强火焰对物料的辐射传热能力，同时因空气量减少,煤燃烬程度的提高,使燃料的燃烧效率提高,达到节能降耗，减少环境污染。

在燃烧空间中引入氧气，可在各类工业中用来增强燃烧过程，缩短燃烧时间。

在水泥回转窑中应用富氧燃烧的主要有三种方式◆把氧气引入主空气流，即引入主燃烧器中◆除了标准的空气燃料燃烧器外再利用一个氧化燃料燃烧器◆以及把氧气喷入回转窑，尤其是喷入装料和火焰之间的区域中以改进火焰特性。

把氧气引入水泥生产设备中的每一种方法都有它的优点，也有它的缺点◆比如，把氧气引入主空气流限制了能够被引入窑内氧气的总量，因为现代水泥窑只利用作为主空气流的总空气量的5-10%，为了把有用的氧气量引入窑内，需要大大提高在空气一燃料流中的氧气浓度。

增加氧气浓度将导致潜在的安全问题，因为在空气进入窑的燃烧区之前，燃料已与富氧的空气接触，从而可能过早燃烧，或者甚至造成爆炸。

◆由于煤燃烧速度的提高,使火焰长度缩短,若操作不当,易造成短焰急烧,使高温部分过于中,易烧垮“窑皮”及衬料,不利于窑的长期安全运转；◆由于N2的减少,导致窑内对流减弱,不利于对流热,并增加窑内温度的不均匀性和易产生热斑。

传统水泥生产的全过程煅烧工艺对能耗影响最大，其主要的影响来自热损失，系统大量排出的废气带走的热焓损失,熟料带走的热损失,窑体向外界散失的热量损失等。

采用富氧燃烧工艺增产节能主要以降低烟气总量，减少废气、熟料带走的热焓为目的,同时，与水泥煅烧工艺更有效率的工艺过程设计则以增强富氧与熟料之间的换热，回收并有效的减少熟料带走的热量损失为主要目的。

它的研究表明，有控制过程的富氧燃烧,可使废气排放量如CO,NOX等有害气体的产生量下降,有助于环保。

为其劣势而采取的措施为充分发挥富氧燃烧的优势而避免带来不利影响,必须在燃设备及工艺操作方面作相应调整,如采用新型的适于富氧燃烧的燃煤喷枪,或在煤燃烧时适当提高煤粉喷出速度,并努力实现烟气循环利用,加大窑内气流动量,改善窑内对流传热等,以满足生产对火焰长度及温场的要求。

水泥富氧燃烧技术原理水泥富氧燃烧技术是一种先进的燃烧技术，它通过提高燃烧过程中的氧气含量，优化燃烧环境，从而提高水泥燃烧效率，减少污染物排放。

本文将从富氧燃烧原理、水泥燃烧特性、燃料与氧气混合、燃烧室设计、排放控制等方面，详细介绍水泥富氧燃烧技术的原理和应用。

一、富氧燃烧原理富氧燃烧技术是指在燃烧过程中，通过提高氧气含量，使燃料能够更加充分地燃烧。

相比传统燃烧技术，富氧燃烧具有更高的燃烧温度和更快的燃烧速度，同时减少了不完全燃烧的情况，从而提高了燃烧效率。

在水泥工业中，富氧燃烧技术被广泛应用于提高水泥熟料的生产效率和降低能源消耗。

二、水泥燃烧特性水泥是一种由矿物质组成的无机材料，其燃烧过程相对复杂。

在水泥熟料生产中，需要经过高温煅烧和固相反应等过程。

富氧燃烧技术能够提高水泥燃烧过程的温度和速度，从而缩短煅烧时间，提高熟料产率和质量。

此外，通过优化燃烧环境，还能够减少热力型氮氧化物（NOx）等污染物的排放。

三、燃料与氧气混合在水泥富氧燃烧过程中，燃料和氧气的混合程度直接影响到燃烧效果。

为了使燃料和氧气能够充分混合，一般采用以下措施：1.燃料预热：将燃料预热到一定温度，使其与冷氧气混合时能够迅速引燃，提高混合效果。

2.氧气预热：将氧气预热到一定温度，减少其在管道中的阻力，提高氧气的流速和流量。

3.采用喷嘴混合：通过设计特殊的喷嘴，使燃料和氧气在喷嘴口处实现高效混合。

四、燃烧室设计燃烧室是水泥富氧燃烧过程中的重要设备之一。

为了提高燃烧效率，需要从以下几个方面设计燃烧室：1.提高燃烧室温度：通过增加燃料和氧气的浓度和提高其混合速度，提高燃烧室温度，从而提高燃烧效率。

2.控制燃烧速度：为了防止水泥熟料煅烧不充分或烧结过度，需要控制燃烧速度，使燃料在预定的时间内完全燃烧。

3.减少烟气和有害物质排放：通过合理设计燃烧室内部结构，减少不完全燃烧和热力型氮氧化物的排放。

同时，还可以采取其他措施如二次风口的设置等，进一步减少有害物质的排放。

富氧燃烧技术在水泥窑的应用【摘要】富氧燃烧是一种高效燃烧技术，通过使用高于空气氧含量的助燃剂，能够有效缩短燃煤燃烧时间，提高燃烧效率和燃烧温度。

近年膜法制氧技术得到发展和利用，富氧燃烧技术成本大大降低，应用范围也随之扩大。

本文结合笔者多年的研究与实践，探讨富氧燃烧技术在水泥窑的应用，以供参考。

【关键词】富氧燃烧技术；水泥厂；水泥窑；实践应用水泥工业从诞生之日起至今，一直采用常规空气作为燃料燃烧时所需的氧气来源。

因此，围绕燃料燃烧所开展的节能技术主要是在此供氧方式基础上对窑头燃烧器的发展和创新，包括改变燃烧器气流和煤粉比例、改变气流的旋转方式、增加煤粉和空气的接触、优化燃烧火焰的形状和长度以及增加煤粉的适应性等。

然而，与理想的节能要求相比，当前应用的燃烧技术存在一些弊端。

在水泥工业中，相对于空气供氧的燃烧技术而言，富氧燃烧也不断显现出其优势：该技术可以降低尾气体积、减少该部分热量损失、提高火焰温度及黑度、加大火焰对物料的辐射传热能力、提高尾气中的CO2浓度以利于其捕集与封存等。

除此之外，该技术还存在一些潜在的优势，如可降低漏风量、减少窑尾结圈以及减小设备尺寸等。

因此，富氧燃烧技术为水泥工业发展低碳经济、节能减排、走绿色环保道路指出了一个新的方向，也不断实现着由概念到实际应用的转化。

1.水泥厂中富氧燃烧技术的应用方案1.1富氧空气的制取富氧空气的制取是富氧助燃技术实现应用的关键因素之一，也是国内外研究的主要课题。

目前，工业制氧方法大致可分为空气冷冻分离法、变压吸附法和膜法制氧三种方式。

（1）空气冷冻分离法。

该法是利用空气中氧气和氮气的沸点不同，从空气中制备氧气的方法。

首先，把空气预冷、净化（去除空气中的少量水分、二氧化碳、乙炔、碳氢化合物等气体和灰尘等杂质），然后压缩、冷却，使之成为液态空气。

其次，在精馏塔中把液态空气多次蒸发和冷凝，最终将氧气和氮气分离。

（2）变压吸附法。

变压吸附法是利用氮分子大于氧分子的特性，使用特制的分子筛把空气中的氧分离出来。