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2024/04/26
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1 前言
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（20.95% O2）。富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）和燃烧换热设备均适用，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。与普通空气燃烧相比，富氧燃烧具有提高火焰温度和黑度、降低燃料燃点、加快燃烧速度、促进燃烧完全、减少烟气排量以及提高燃烧效率等优点，在冶金、工业锅炉、玻璃、水泥、陶瓷、发动机、乙烯裂解炉、燃料电池等行业均有应用。富氧助燃在水泥行业的应用可追溯到1920年，但由于经济性原因一直未能大规模推广应用。而经济性除了受制氧成本影响外，还与富氧燃烧技术对新型干法水泥生产技术的适应性有关。
近年来，随着制氧技术的进步，制氧成本逐渐降低，水泥窑富氧助燃技术又逐渐受到水泥行业科技工作者的关注。此外，文献对水泥窑应用富氧燃烧开展了定性的理论分析。但针对富氧燃烧技术对新型干法水泥生产技术的适应性，即水泥窑采用富氧燃烧的特殊性，公开资料中并未见到相关方面的报道。本文结合水泥窑富氧燃烧技术的相关现场实践和数值模拟研究方面的工作，对水泥窑的富氧效果和富氧方式进行了归纳总结，并重点分析了水泥窑富氧的特殊性以及富氧后带来的一些问题。
2 水泥窑富氧效果
水泥窑的富氧效果主要表现在节能、提产、对劣质燃料及废弃物的适应性、消除窑内还原气氛保证熟料质量等。
研究表明，富氧加快了燃烧反应速率，增大了燃料颗粒表面温度，降低了燃点，缩短了燃尽时间，火焰变短，火力增强。文献对水泥窑富氧开展数值模拟，富氧从窑门罩喷入，喷入位置在燃烧器与熟料之间，燃料为煤粉，并考虑两种不同挥发分的煤种。研究表明，在23%富氧工况下，产量提高6.4%，燃料增加5.75%；富氧可改善燃烧状况，火焰更加稳定，更适用于低挥发或者热值、水分以及灰分变化大的燃料；对耐火材料的影响可忽略。文献通过建立回转窑的物料平衡及热平衡，对替代燃料在水泥窑中的应用进行数值模拟。结果表明，将45%的窑头燃料替换为固体危险废弃物、RDF、废木材以及液体危险废弃物，产量分别降低1.2%、1.8%、2.8%以及14.7%。而将23.5%的一次空气（或者2%的总助燃空气）用纯氧替代，可避免减产问题的发生，但未核算经济性。文献根据水泥回转窑的热平衡建立数学表达式，式中包含熟料产量、燃料消耗量和氧气消耗量三个基本参数，可以初步预测富氧后回转窑的提产量。文献通过建立回转窑内燃烧过程的物理模型和数学模型，模拟水泥回转窑富氧燃烧器劣质煤粉燃烧过程的温度场、浓度场和速度场，研究富氧燃烧对煤粉燃烧、回转窑内换热及污染物生成等方面造成的影响，研究助燃氧气浓度、风量及风速等其他操作参数对水泥回转窑内燃烧状况的影响。
水泥窑富氧可提高熟料产量，干法窑的提产率为3～4t熟料/tO2。表1给出了部分现场实验数据，由表中可知，提产后燃料消耗量可能减少、可能不变也可能增加。而且，对水泥窑富氧的计算模拟结果表明，在文献中的设定参数下，23%富氧工况时，熟料产量提高6.4%，燃料增加5.75%。可知，在燃料消耗量增加的情况下，燃料增加幅度小于提产幅度，单位熟料热耗降低，烧成热耗降低的幅度大小影响富氧助燃的经济性。
3 水泥窑富氧方式
富氧燃烧技术在工业上的应用，按照不同的分类方式，可归为以下几类，如表2所示。其中，纯氧+整体富氧+O2/CO2方式应用于水泥窑时，一般与CCS（CO2Capture and Storage）技术联合使用，但由于制备纯氧以及CO2压缩和净化的能耗太高（如深冷法制纯氧电耗为0.5～0.8kWh/m3（标）O2，吨减排CO2成本为€40/tCO2），从经济性方面考虑，在当前以及一段时期内，富氧燃烧技术仅可作为一种低碳概念，而不能大规模工业应用。从水泥窑富氧的现场应用可知，当前工业应用的水泥窑富氧方式，属于低浓度或微富氧+局部富氧+O2/N2/CO2方式。水泥窑富氧的总体原则为增加助燃空气（包括一次风、二次风、三次风）的氧浓度，且工业实践表明，水泥窑富氧后的系统运行情况与富氧位置有关。关于水泥窑的富氧方式，研究者进行过多次尝试，主要包括：
（1）液态纯氧。早期的水泥窑富氧现场应用一般采用气化后的液态纯氧，液氧可外购或现场制得，通常采用氧气喷枪，将纯氧注入到窑内罩或者三次风管，或者在多通道燃烧器中增加纯氧通道。
（2）低浓度富氧。低浓度富氧一般指氧浓度30%～40%左右的富氧空气，通常由变压吸附法（简称PSA、VPSA）或膜分离法制得。由现场应用可知，通常采用低浓度富氧替换燃烧器中的一次风及煤风，以及在篦冷机高温段用低浓度富氧代替部分冷却空气以增加二次风和三次风的浓度的富氧方式。
水泥窑富氧方式包括制氧方法和注氧方式的选择两个方面，制氧方法直接影响制氧成本，而制氧成本是影响富氧燃烧技术工业应用经济性的主要因素；注氧方式直接影响系统的运行状况，对系统的节能、安全以及环保均有影响，进而间接影响水泥窑富氧的经济性。
4 水泥窑富氧的特殊性
富氧及全氧燃烧技术在玻璃行业成功推广应用，在水泥行业的应用虽然较早（可追溯至1920年），但至今没有大规模的推广，排除制氧成本的因素，究其内因，我们必须关注水泥窑富氧的特殊性。
水泥窑的发展历经立窑、干法窑、湿法窑到新型干法窑，余热的回收利用已经达到较高的水平。水泥窑富氧与其他行业富氧相比，其最大的不同在于，水泥生产中的用风除了起到助燃作用外，还需要将出窑熟料冷却至较低的温度（一般为环境温度+65°C），同时在此过程中，回收的高温风作为窑头和分解炉的二次（～1100°C）和三次（～850°C）助燃风。水泥窑富氧燃烧将导致回收的二次和三次风温度提高，但风量减小。综合来看，二次和三次风的热焓减小，冷却机余风带走的热焓增加，热回收率下降。热回收效率的减小将抵消部分富氧带来的节能效果。计算表明，对于5000t/d熟料生产线，当窑内氧浓度为23%时，相对于未富氧（20.9%）工况，二次风和三次风的热回收率降低1.1%，余风带走热焓增加17.3kJ/kg熟料，预热器废气带走热焓减少12.4kJ/kg熟料。考虑到富氧带来的提产效果会使系统表面散热有所降低，热损失的增加量略小于减少量，故热耗略有降低。文献的计算机模拟结果也表明，23%富氧工况时，熟料产量提高6.4%，燃料增加5.75%，相当于熟料热耗减小0.61%。
另有文献研究表明，从减少燃烧损失的角度而言，采用富氧燃烧后，损失率降低的效果没有预热助燃风明显，尤其在助燃风预热的情形下。如助燃空气每升高100°C可使燃烧损失率降低2%～3%，且过剩空气系数较大时损失率下降较为明显。随着助燃空气氧浓度增加，当富氧空气不预热时，燃料损失率降低较明显，氧含量每增加0.1%，损失率减少0.6%左右；当富氧助燃空气预热到较高温度时，损失率减少不明显。水泥窑的高温二次和三次助燃空气属于此情形。
5 其他方面
（1）富氧后改变了燃料的燃烧特性，窑头火焰变短、急、亮，火焰温度提高，高温段集中，可能对耐火材料以及NOx排放产生影响。
（2）富氧后改变了回转窑内的气氛场，窑内气氛变化后对传热特性、排放特性及熟料烧成影响的基础理论研究有待加强。
（3）富氧后，系统设备的漏风问题显得尤为突出，漏风会稀释助燃空气中的氧浓度，削弱富氧的效果。
6 结语
从国内外报道的现场实践看，水泥窑富氧的现场应用由来已久，但关于水泥窑富氧的经济性，由于受到市场需求及多种客观价格因素的影响，一直没有定论。但随着变压吸附以及膜法富氧技术的不断进步，水泥窑富氧技术的不断优化，将加速水泥窑应用富氧燃烧技术的进程。在水泥窑应用富氧燃烧技术时，需了解水泥窑富氧的特殊性。
