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富氧燃烧在水泥工艺中的应用
富氧燃烧在水泥工艺中的应用
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.富氧燃烧国外现状
富氧燃烧作为一种高效的燃烧方式以其良好节能减排效果得到迅速的发展。
1937年富
氧在底吹转炉炼钢上的成功应用是世界上最早的富氧燃烧,西方发达国家及前苏联早在70
年代末就开始了富氧燃烧用于玻璃窑炉的研究,并取得了良好的效果,随着富氧燃烧在钢
铁工业及玻璃工业窑炉得到普遍的应用,它为富氧燃烧在其它工业化应用建立了坚实的基
础。
①上世纪80年代日本对富氧燃烧的工业化应用进行了深入的研究,并在以气、液、固
燃料燃烧的不同炉型进行了富氧应用试验,结果显示富氧燃烧节能减排效果良好;
②美国是富氧燃烧应用最广泛的国家,美国东芝炼油厂利用25.5%的富氧空气用于催化
裂化装置再生工艺,提高了装置处理能力;
③富氧制硫酸工艺利用23%-30%的富氧空气焙烧硫铁矿,可以缩短焙烧时间,提高转化
率;
④克劳斯硫回收工艺应用富氧燃烧可以提高装置产量,利用30%的富氧空气助燃可增产
18%;
⑤化学生产过程中凡是用空气作为氧源的均可用富氧代替普通空气,以提高产品的产量
和质量,有关文献认为丙烯酸、丙烯腈、甲醛、三氯乙烯、对苯二甲酸。
碳黑等几十种化
工产品均可采用富氧生产。
富氧燃烧作为一种高新的低碳排放燃烧手段,引起世界发达国家的重视。
随着全球环境
危机的加剧与环保要求的不断提高,目前美国与英国已经广泛应用了富氧燃烧,并开始进行
纯氧燃烧及烟气再循环燃烧的工业性试验,达到零排放的目的,探索改善环境的新路子。
3.富氧燃烧国内现状
富氧燃烧最近几年在国内发展很迅速。
许多院校及科研院所对富氧燃烧进行了积极的探
索和应用,如清华大学、浙江大学、东北大学、中科院大化所、西安热工研究院等,已逐
渐在各领域广泛推广应用。
①北京燕山石化有限公司成功的应用了催化裂化富氧再生工艺,提高了渣油的处理能
力;
②中国石化扬子石化有限公司、上海石化有限公司及天津石化有限公司成功的应用了
富氧PTA(对苯二甲酸)生产技术,减低了能耗,提高了产品质量;
③沧州大化及哈尔滨炼油厂成功的将富氧燃烧用于克劳斯硫回收工艺,提高了产品转
化率,效益显著;
④浙江大学与浙江省能源集团温州发电厂410吨煤粉炉富氧直接点火试验成功;
⑤中南大学与中铝公司河南分公司将富氧燃烧成功应用于150t/h煤粉锅炉,热效率提
高了2.5%,并且提高了低负荷不投油稳燃能力。
⑥富氧燃烧用于乙烯裂解炉,可以提高装置产率及产品质量,降低能耗;
⑦富氧喷煤炼钢及富氧浮法玻璃、碳黑生产已普遍应用;
⑧富氧燃烧造气技术已在国内普遍应用;
⑨富氧燃烧在石灰石、水泥行业也开始应用;
⑩富氧燃烧在国内的一些中小型锅炉也已得到广泛应用,
富氧燃烧是一项成熟的高效燃烧技术,它的应用可以取得显著的经济效益和社会效益,
但是受制氧成本的限制在很多行业还不能普遍应用。
4.富氧燃烧节能机理
提高火焰温度
加快燃烧速度,促进煤粉燃烧完全
降低过量空气系数,减少排烟热损失
增加热量利用率,提高燃烧效率
5.公司技术优势
我公司自2006年开始自主研发富氧燃烧技术,公司自成立以来,先后与中科院大连物
化所膜技术研究中心、郑州大学热能研究所建立了长期紧密的合作关系.,公司依托
知名研究所、知名大学的雄厚科研实力,坚持在氧空气分离领域进行不断地设备创
新及技术解决方案的创新。
自主研发的“膜分离制氧助燃装置”专利号:
ZL7.7)
已获得国家专利,目前我公司广泛的收集了国内外的富氧燃烧资料。
根据燃烧学原理,
我公司进行了多次的试验研究,系统的掌握了富氧含量与燃烧的配比关系,可根据锅炉的
燃烧工况合理的配置富氧空气流量、浓度,准确的控制火焰温度,已在工业锅炉、玻璃窑
炉、回转窑上富氧节能改造取得良好的节能效果,我公司的富氧燃烧工业化应用处于国内
领先地位。
6.富氧燃烧意义
近几年来,随着环保要求的不断提高,能源的日趋紧张以及价格的不断上涨,造成企
业的生产成本越来越高,节能降耗和保护环境是每个企业发展的重要问题。
水泥生产需要
消耗较多的能源和资源,并且原煤的设计有一定的标准,但是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,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。
7.水泥富氧生产工艺
7.1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QDW≥
5000kcal/kg,煤粉细度要求控制在8%~15%,实际上,我国当前由于优质煤炭供应紧张且
价格较高,许多厂家实际达不到这一要求,由于煤质量达不到设计要求,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。
(2)火焰形状和温度的影响
火焰形状的调节一方面取决于煤粉的热值、灰分、细度和挥发分的大小,另一方面还取
决于一次风的风速和风量大小,即窑头燃烧器的规格和性能,调整好窑火焰长度也就是调整
好烧成带长度,也即调整控制了熟料在高温烧成带停留时间,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,既不
拉长火焰使烧成带温度降低,也不缩短火焰使高温部分过于集中,从而烧垮窑皮和耐火砖而
不利于窑的安全运转,回转窑内火焰形状粗细必须与窑断面积相适应,要求比较充满近料而
不触料,正常形状保持其纵断面为正柳叶形状。
当烧灰分高、热值低的劣质煤时,其一次风
风速应适度加大,对于使用多通道喷煤管的窑应增加内、外净风风速和风量,使其火焰形状
尽量控制不发散而形成正常火焰。
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,预分解窑内火焰温度取决于两部分因素:
一是煤粉热值、灰分和细度,二是取决
于二次风温和风量大小,对于烧劣质煤的厂家提高二次风温尤其重要。
对于易烧性差的生料
和含碱高的生料,适当提高火焰温度,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。
(3)熟料煅烧温度的影响
一般情况下控制熟料煅烧温度在1300~1450℃可确保熟料质量和烧结,对于当前我国
相当部分厂家由于采用双高配料(高KH、高SM)生产高强熟料,其生料易烧性变差,相应
熟料煅烧温度应适度偏高控制,控制在1300~1500℃左右比较有利。
(4)烧成带长度的影响
对于双高(高KH、高SM)熟料配料的厂家,要求控制烧成带长度比正常情况偏长一些,
煅烧温度高一些,即"高温长带"煅烧,有利于熟料烧结和熟料质量的提高。
(5)窑速的影响
对于短小型预分解窑,由于其长度比大型窑短,窑速应偏低控制较好,如:
Φ3×48m、
Φ4×43m预分解,窑速控制在3.0~3.2转/分。
对熟料质量比较有利,主要是因为其窑长
较短,为确保熟料在短窑内的高温停留时间,窑速偏低控制较为有利。
(6)升温速率和冷却速率的影响
优质熟料形成要求预热器分解炉气固换热效率高,传热快,在窑内过渡带升温阶段要
求快速升温,主要操作要求就是要适度提高窑速、加大灼烧生料翻滚频次,缩短过渡带长
度,延长烧成带长度,促进熟料的矿物形成和烧结,烧高强优质熟料要求快烧急冷,窑头
篦冷机操作要求强化一室、二室高压风风量迅速,强化冷风对高温熟料的冷却效果,这样
有利于熟料质量的提高。
(7)窑气氛的影响
回转窑内燃煤燃烧过剩空气系数一般要控制在1.10~1.15左右,以窑尾废气中氧浓度
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,窑内出现还原气氛,会产生CO气体,且熟料中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,也浪费热量
和燃煤消耗量,从而影响到熟料质量的提高。
7.2富氧燃烧方案
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)
τ2=ρx/δ2/(8mD×0.25×1.428)
(1)
(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。
8.总结
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。
河南能信节能科技有限公司
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