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2024/06/11
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摘要：本文介绍了变压吸附制氧技术在水泥生产行业技术改造的应用方向，并以韩国某水泥厂的实际改造情况为例，介绍了水泥炉窑采用变压吸附制氧技术实现富氧燃烧的改造应用效果，以及变压吸附制氧技术的特点和优势。
关键词： 变压吸附 VPSA 制氧 水泥 炉窑 富氧燃烧
0. 引言
自1985年起，中国作为水泥制造大国已连续37年蝉联水泥产量全球第一位，水泥生产行业因其高能耗属性也成为节能减排重点改造的行业之一。在水泥生产过程中，水泥炉窑是水泥生产的核心燃煤煅烧装备，在水泥厂的总能耗及排碳量中占有相当大比例。富氧燃烧技术是水泥行业国家重点节能低碳推广项目，采用该技术对水泥窑炉送风系统进行改造后，对燃料的燃烧性能及熟料的产量均有积极作用。变压吸附制氧技术因其建设周期短、规模适应性强、操作灵活、开停车方便等特点，成为该类技术改造项目中的首选应用。
1. 变压吸附制氧技术在水泥生产行业的技术改造应用方向
水泥生产过程中，能源成本占总生产成本的50%以上，而炉窑作为水泥生产中的核心煅烧设备，也是水泥生产过程中消耗燃料最多的设备。水泥炉窑通常采用煤粉作为燃料，将其送入燃烧器、借助鼓风机送入的空气进行燃烧。若采用富氧燃烧技术，借助高于空气组成的氧含量可以实现更好的助燃效果，使得燃料燃烧更为充分，提高煤粉的燃烧温度、缩短燃尽时间，进而提升系统的综合燃料效率；此外，由于富氧燃烧可以提高火焰的燃烧温度、且燃烧氛围稳定，可以增强熟料强度，进一步提高了水泥熟料的产量。
变压吸附（VPSA）制氧技术可适用于各种规模的水泥窑炉，可实现一对一或一对多操作，建设周期短、操作灵活、负荷适应性强，在节能改造项目中具有明显优势。
2. 变压吸附两塔制氧技术在韩国某水泥厂的应用
2021年，韩国某水泥厂欲对其水泥炉窑进行富氧燃烧技术改造。由于韩国当地能源结构的特殊性，煤燃料主要依赖于进口，为进一步降低成本，推广可替代燃料、进一步提升燃烧效率成为迫在眉睫的技改需求。由于厂内可利用面积较小，可供制氧站使用的面积仅为21.6mx25.4m，且用气点较为分散、共计7个用气点，该韩国水泥厂在综合比较深冷分离、膜分离和变压吸附等生产工艺之后，决定采用北大先锋的变压吸附（VPSA）制氧技术对现有供气系统进行改造。氧气产量需求为5000Nm3/h，氧气纯度为90%。
此次技改采用VPSA两塔制氧技术对原有的供气系统进行改造，采用一对多的形式，将VPSA两塔制氧装置得到的压力为20~30kPa、产量为5000Nm3/h、纯度为90%的产品氧气，增压至150kPa后分别送至厂内的7个炉窑，在各个用气点根据用氧需要进行控制调节。
技改完成、装置开车后系统运行稳定：单独使用煤粉作为燃料时，与改造前相比燃煤用量有所下降；在使用替代性的燃料时，富氧氛围下塑料燃烧更充分、热效率提升。此外，熟料产量同比提升百分之十以上。与原生产参数相比，改造后窑炉的各项生产参数更加稳定。在技术改造后，替代性燃料（塑料垃圾）的使用比例上升，不仅减少了燃煤费用，而且由于处理了塑料垃圾、政府会提供额外的处理补贴，使综合燃料成本大幅降低。采用变压吸附制氧技术进行富氧燃烧改造后，系统的燃料成本降低、熟料产量提升、窑炉运行更加稳定，技术改造带来了明显的经济效益。
3. 变压吸附技术的特点及优势
本次技术改造采用北大先锋径向床吸附器技术及第三代制氧分子筛技术，该工艺技术具有以下特点：
3.1 工艺流程简单、开停机方便
变压吸附制氧装置操作分别采用鼓风机、真空泵实现进气和抽气，主设备吸附塔可采用两个或多个联合操作，通常两塔即可实现最大7500 Nm3/h的氧气产量，通过均压、回氧、增压、吸附等操作步骤实现杂质的吸附和产品的流出，并通过降压、抽真空、清洗的方式实现杂质的解析和吸附剂的再生。整体工艺流程简单，通过时序控制阀门开关，自动化程度高，而且开机15分钟即可达到使用要求，操作灵活，开停机方便。
3.2 操作简易、负荷调节方便
变压吸附制氧装置可通过设置时序步骤及调阀相关控制参数来实现装置的负荷调节及产品纯度调节，在纯氧电耗变化不大的情况下，负荷可在30%~100%之间调节、纯度可在70%~94%之间调节。
3.3 运行稳定、维护成本低
由于本套系统的动设备采用罗茨鼓风机和真空泵，以及罗茨增压风机，动设备运行稳定、日常维护量小；此外，控制系统采用北大先锋先进的控制方案，自动化程度高，生产企业不需要投入过多运维资金和人力成本。
3.4 常温操作、安全性高
由于变压吸附装置为常温、低压操作，操作压力和操作温度相对温和，与深冷装置相比，不会出现液氧、乙炔富集等现象，安全性更高。
3.5 运行成本低
变压吸附制氧装置整体电耗较低，纯氧电耗在0.29~0.33kwh/Nm3，运行成本低。
3.6 建设周期短、噪音小
可采用钢结构一体化隔音厂房，该结构厂房较常规混凝土结构厂房建设周期更短，厂房采用复合消音材料做消音处理，降噪效果好，厂房外1m的噪声值≤85dB。
4. 结束语
变压吸附制氧作为一种便捷高效的制氧设备，以其建设周期短、装置操作灵活等特点在水泥厂技术改造项目中更具优势。以该法为核心的富氧燃烧技术对工业炉窑供气系统进行改造后，可实现提高煤粉燃烧效率、增加熟料产量的综合效果。在节能减排的迫切形式下，进一步推广富氧燃烧技术在工业炉窑供气系统上的应用，可以实现更好的节能降碳效果。
