富氧燃燒在水泥工藝中的應用

 燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時發出光和熱的過程。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（根據實際情況可采用局部富氧和整體富氧），直至純氧燃燒。富氧燃燒對所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業鍋爐均適用，既能提高劣質燃料的應用范圍，又能充分發揮優質燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應的均可用富氧代替。

新型干法水泥生產工藝對原煤的設計有一定的標準，一般回轉窯煅燒用煤質量要求灰分 A≤30%，揮發分 V 在 18%～30%，發熱量 QDW≥5000kcal/kg，然而根據我國的國情符合要求的又能輸出煤產地主要集中在北方的山西、河南、內蒙等省區和淮北地區。除了價格原因外，長途運輸的壓力也很大，同時增加了水泥生產成本，無論是社會效益和經濟效益都不好。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“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。針對新型干法水泥生產的新工藝，擬在分解爐系統和回轉窯系統分別加入富氧空氣以促進燃料的充分燃燒，穩定整個窯系統的熱工制度，提高水泥生產效率和質量。

（1）分解爐系統增加富氧

分解爐系統是新型干法水泥生產工藝的重要組成部分，它承擔預分解系統中繁重的燃燒、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，因此分解窯系統就需要大量熱，應用富氧燃燒技術有利于提高分解爐系統的熱效率，穩定分解爐熱工制度，提高碳酸鹽的分解效率和質量。

① 降低燃料著火溫度和燃盡溫度，提高著火速度

理論上，著火是由緩慢的氧化狀態轉變到反應能自動加速到高速燃燒狀態的瞬間過程，相對應的溫度稱為著火溫度，它反映了煤粉著火的難易程度。燃盡溫度是煤粉基本燃盡時的溫度，燃盡溫度越低，表明燃盡時間越短，煤粉就越容易燃盡，殘炭中的可燃剩余量就越少。 從圖 1 可以看出，隨著氧的體積分數的增加，煤粉燃燒的著火溫度 Ti 和燃盡溫度 Th 均呈下降趨勢，因此可以說明，富氧可使煤粉的著火提前并燃燒充分。從圖 2 可以看出在氧的體積分數較低時，隨著氧的體積分數的增加，煤粉著火時刻的燃燒速度增加較快，因此，在氧的體積分數較低時，增加氧的體積分數，會使煤粉的燃燒強度得到加強，提高煤粉的著火速度。

圖 1 氧體積分數對著火溫度和燃盡溫度的影響

圖 2 氧體積分數對著火燃燒速度的影響

② 加快反應速度，縮短燃料燃燒時間

煤粉被加熱后，揮發份在 300-400℃時即迅速析出并點燃、燃燒，且能在很短時間內燃盡。而煤粒中殘留焦炭的燃燒最為緩慢，占據了整個燃煤反應的絕大部分時間。分解爐內，由于碳酸鈣分解速度快，其吸熱反應控制了分解爐爐溫；爐內煤粉燃燒大多在 850-900℃較低溫度下進行。反應動力學研究表明，水泥分解爐內煤粉燃燒屬動力控制的一級反應，反應速度方程為：

ω=Aexp（－E／RT）?PO2

式中：A——頻率因子

E/R——活化能

PO2——O2 分壓

T——溫度

即燃燒速度取決于化學反應能力，并與燃料性質、溫度等有很大關系，與燃燒氣體氧氣分壓成正比，而和氣流相對速度關系較小。增加氧濃度，提高爐內溫度能夠加快化學反應速度。燃料的燃燒時間與氧濃度的關系如圖 4-3 所示。增加空氣中氧氣的濃度，如氧的濃度能提高到 25 %，則煤粉的燃燒時間可大大縮短，為此，按無灰碳粒燃燒的計算公式進行估算。設：τ1 為當空氣中氧氣的濃度為 21%時，碳粒完全燃燒所需的時間；τ2為空氣中氧氣的濃度為 25%時，碳粒完全燃燒所需的時間。

τ1=ρxδ2/(8mD×0.21×1.428)    (1)

τ2=ρx/δ2/(8mD×0.25×1.428)    (2)

式中,ρx 為碳粒的密度(kg/ m)，δ為碳粒的顆粒直徑(m)；D 為氧氣的擴散系數(m/s)；m為碳與氧的化學當量比(0.375)；1.428 為氧氣在標準狀態下的密度(kg/ Nm3)。由(1)/(2)，得

τ2=0.84τ1

圖 3 燃料燃燒時間與氧濃度的關系

由此得出結論，如氧氣的濃度提高至 25%時，煤粉的燃燒時間可縮短 16%。

③ 加快火焰傳播速度，提高火焰溫度

增加氧濃度可以加快化學反應速度，從而加快了火焰的傳播速度，增強火焰穩定性，提高了火焰溫度。

④ 促進燃料完全燃燒，提高爐膛溫度，強化爐內傳熱

提高氧濃度可使化學反應更加徹底，縮短了燃料燃盡時間，促進燃料完全燃燒，減少了不完全燃燒所造成的熱量損失，達到節能的目的。圖 4 為燃料燃盡率與氧濃度的關系。由于燃料的燃燒工況得到了良好的改善，提高了爐膛溫度，同時強化了物料與氣流的熱傳遞，使得分解爐系統的熱工制度更加穩定。

圖 4 燃料燃盡率與氧濃度的關系

⑤ 降低過量空氣系數，減少煙氣排放量和排煙損失

由于空氣中含 79%氮，阻礙氧分子向碳表面吸附層的擴散和燃燒產物從碳表面的氣體邊界層排出，且氮分子不可能與燃料中可燃物反應，以及空氣通過燃料層阻力等諸多因素。因此，必須以過?？諝馐谷剂先紵@得足夠的氧量，而使煤充分燃燒，這樣就必須加大 3次風量，但是在水泥生產工藝中若風速過大，系統阻力加大并且縮短燃料、物料及氣流在系統各部位的停留時間，影響整個系統的熱效率和熱工制度。采用富氧空氣以后，氮氣的濃度降低，阻礙氧分子向碳表面吸附層的擴散和燃燒產物從碳表面的氣體邊界層排出的能力必然減弱，所以所需得過量空氣必然減少，因而降低過量空氣系數，同時減少煙氣排放量和排煙損失。

（2）回轉窯系統增加富氧

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，以實現熟料的燒成。在回轉窯系統中主要是 C3S、C2S 礦物的形成，優質熟料要求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。在回轉窯系統加入富氧空氣以改善窯內燃料的燃燒工況，穩定窯系統的熱工制度，提高水泥熟料的生產質量。

① 穩定火焰形狀，提高火焰溫度

研究表明火焰形狀和長度影響到熟料中 C3S 礦物的晶粒發育大小和活性，因此，在燒高強優質熟料時，必須調整火焰長度適中，且要求火焰形狀穩定。通入富氧以后，燃料燃燒更加穩定，所以火焰的穩定性能得到加強。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，采用高溫燒成有利于熟料質量的提高和堿分的充分揮發，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。

② 加快反應速度，提高升溫速率

優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 促進燃料完全燃燒，穩定窯內煅燒溫度

提高氧濃度可使化學反應更加徹底，縮短了燃料燃盡時間，促進燃料完全燃燒，同時還能穩定窯內的煅燒溫度，以保證熟料礦物的燒結。

④ 提高窯內氣流對物料的輻射傳熱速率

根據計算得知當助燃空氣中氧含量為 25%時，CO2 的體積百分濃度提高 17.5%，水蒸汽的體積百分濃度相應提高 17.7%，由于 CO2 與 H2O 的濃度均增加許多，火焰的黑度相應增大，當空氣中氧氣的濃度為 21%時，火焰的黑度經計算為 0.2104；當空氣中氧氣的濃度為 25%時，火焰的黑度經計算為 0.2245，增加的程度約為 6%，火焰黑度增加使得窯系統的輻射傳熱效率增加，研究表明氧氣的濃度為 25%時，水泥回轉窯燃燒帶火焰對物料的輻射傳熱量提高的程度為 20.4%，回轉窯其他各帶的輻射傳熱量都相應提高。

⑤ 降低過量空氣系數，保持窯內微氧化氣氛

研究表明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?？諝庀禂悼刂七^低，二次風不足，易導致還原氣氛產生，窯內的還原氣氛會將熟料中的某些礦物質還原（例如 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，影響到熟料質量的提高。提高氧濃度可降低過量空氣系數，同時保持窯內的微氧化氛圍，為優質熟料的生產創造條件。

綜上所述，富氧燃燒用于水泥生產工藝，可改善燃料的燃燒工況，提高火焰溫度及黑度，縮短燃燒所需的時間，實現燃料的完全燃燒，從而加大火焰對物料的輻射傳熱能力提高整個系統的熱效率，減少廢氣及 CO、NOx 等有害氣體的排放量，有利于節能減排，同時還能夠穩定整個窯系統的熱工制度，提高水泥的生產效率和質量。因此，富氧燃燒技術在水泥工藝上的應用可以取得良好的經濟效益，社會效益和環保效益。