富氧燃烧在水泥工艺中的应用

 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。

新型干法水泥生产工艺对原煤的设计有一定的标准，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，然而根据我国的国情符合要求的又能输出煤产地主要集中在北方的山西、河南、内蒙等省区和淮北地区。除了价格原因外，长途运输的压力也很大，同时增加了水泥生产成本，无论是社会效益和经济效益都不好。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。针对新型干法水泥生产的新工艺，拟在分解炉系统和回转窑系统分别加入富氧空气以促进燃料的充分燃烧，稳定整个窑系统的热工制度，提高水泥生产效率和质量。

（1）分解炉系统增加富氧

分解炉系统是新型干法水泥生产工艺的重要组成部分，它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。

① 降低燃料着火温度和燃尽温度，提高着火速度

理论上，着火是由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程，相对应的温度称为着火温度，它反映了煤粉着火的难易程度。燃尽温度是煤粉基本燃尽时的温度，燃尽温度越低，表明燃尽时间越短，煤粉就越容易燃尽，残炭中的可燃剩余量就越少。 从图 1 可以看出，随着氧的体积分数的增加，煤粉燃烧的着火温度 Ti 和燃尽温度 Th 均呈下降趋势，因此可以说明，富氧可使煤粉的着火提前并燃烧充分。从图 2 可以看出在氧的体积分数较低时，随着氧的体积分数的增加，煤粉着火时刻的燃烧速度增加较快，因此，在氧的体积分数较低时，增加氧的体积分数，会使煤粉的燃烧强度得到加强，提高煤粉的着火速度。

图 1 氧体积分数对着火温度和燃尽温度的影响

图 2 氧体积分数对着火燃烧速度的影响

② 加快反应速度，缩短燃料燃烧时间

煤粉被加热后，挥发份在 300-400℃时即迅速析出并点燃、燃烧，且能在很短时间内燃尽。而煤粒中残留焦炭的燃烧最为缓慢，占据了整个燃煤反应的绝大部分时间。分解炉内，由于碳酸钙分解速度快，其吸热反应控制了分解炉炉温；炉内煤粉燃烧大多在 850-900℃较低温度下进行。反应动力学研究表明，水泥分解炉内煤粉燃烧属动力控制的一级反应，反应速度方程为：

ω=Aexp（－E／RT）•PO2

式中：A——频率因子

E/R——活化能

PO2——O2 分压

T——温度

即燃烧速度取决于化学反应能力，并与燃料性质、温度等有很大关系，与燃烧气体氧气分压成正比，而和气流相对速度关系较小。增加氧浓度，提高炉内温度能够加快化学反应速度。燃料的燃烧时间与氧浓度的关系如图 4-3 所示。增加空气中氧气的浓度，如氧的浓度能提高到 25 %，则煤粉的燃烧时间可大大缩短，为此，按无灰碳粒燃烧的计算公式进行估算。设：τ1 为当空气中氧气的浓度为 21%时，碳粒完全燃烧所需的时间；τ2为空气中氧气的浓度为 25%时，碳粒完全燃烧所需的时间。

τ1=ρxδ2/(8mD×0.21×1.428)    (1)

τ2=ρx/δ2/(8mD×0.25×1.428)    (2)

式中,ρx 为碳粒的密度(kg/ m)，δ为碳粒的颗粒直径(m)；D 为氧气的扩散系数(m/s)；m为碳与氧的化学当量比(0.375)；1.428 为氧气在标准状态下的密度(kg/ Nm3)。由(1)/(2)，得

τ2=0.84τ1

图 3 燃料燃烧时间与氧浓度的关系

由此得出结论，如氧气的浓度提高至 25%时，煤粉的燃烧时间可缩短 16%。

③ 加快火焰传播速度，提高火焰温度

增加氧浓度可以加快化学反应速度，从而加快了火焰的传播速度，增强火焰稳定性，提高了火焰温度。

④ 促进燃料完全燃烧，提高炉膛温度，强化炉内传热

提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，减少了不完全燃烧所造成的热量损失，达到节能的目的。图 4 为燃料燃尽率与氧浓度的关系。由于燃料的燃烧工况得到了良好的改善，提高了炉膛温度，同时强化了物料与气流的热传递，使得分解炉系统的热工制度更加稳定。

图 4 燃料燃尽率与氧浓度的关系

⑤ 降低过量空气系数，减少烟气排放量和排烟损失

由于空气中含 79%氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出，且氮分子不可能与燃料中可燃物反应，以及空气通过燃料层阻力等诸多因素。因此，必须以过剩空气使燃料燃烧获得足够的氧量，而使煤充分燃烧，这样就必须加大 3次风量，但是在水泥生产工艺中若风速过大，系统阻力加大并且缩短燃料、物料及气流在系统各部位的停留时间，影响整个系统的热效率和热工制度。采用富氧空气以后，氮气的浓度降低，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能力必然减弱，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数，同时减少烟气排放量和排烟损失。

（2）回转窑系统增加富氧

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。

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。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，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。

② 加快反应速度，提高升温速率

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 促进燃料完全燃烧，稳定窑内煅烧温度

提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，同时还能稳定窑内的煅烧温度，以保证熟料矿物的烧结。

④ 提高窑内气流对物料的辐射传热速率

根据计算得知当助燃空气中氧含量为 25%时，CO2 的体积百分浓度提高 17.5%，水蒸汽的体积百分浓度相应提高 17.7%，由于 CO2 与 H2O 的浓度均增加许多，火焰的黑度相应增大，当空气中氧气的浓度为 21%时，火焰的黑度经计算为 0.2104；当空气中氧气的浓度为 25%时，火焰的黑度经计算为 0.2245，增加的程度约为 6%，火焰黑度增加使得窑系统的辐射传热效率增加，研究表明氧气的浓度为 25%时，水泥回转窑燃烧带火焰对物料的辐射传热量提高的程度为 20.4%，回转窑其他各带的辐射传热量都相应提高。

⑤ 降低过量空气系数，保持窑内微氧化气氛

研究表明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，窑内的还原气氛会将熟料中的某些矿物质还原（例如 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，影响到熟料质量的提高。提高氧浓度可降低过量空气系数，同时保持窑内的微氧化氛围，为优质熟料的生产创造条件。

综上所述，富氧燃烧用于水泥生产工艺，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，减少废气及 CO、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。因此，富氧燃烧技术在水泥工艺上的应用可以取得良好的经济效益，社会效益和环保效益。