1 引言  

水泥生产过程中，伴随着大量能源资源的消耗。随着国家“碳达峰·碳中和”战略的部署，水泥行业节能减排技术推广势在必行，而富氧助燃节能技术是一种在工业窑炉和工业锅炉上采用的最新增氧燃烧技术，采用比空气中氧含量高的空气来助燃，可以显著提高燃烧效率和火焰温度，降低生产线煤耗和提高熟料产品品质。

近年来，随着膜法制氧技术的快速发展，制氧成本得到有效降低且应用范围进一步扩大。中国建筑材料科学研究院王俊杰等^[1]通过理论计算和实验研究分析了窑内富氧燃烧技术效果，发现煤粉燃烧温度取决于煤粉颗粒周围的氧浓度。廖斌等^[2]采用数值模拟分析研究水泥窑富氧燃烧技术，发现将窑内富氧燃烧用于熟料生产线，可以节约燃料，达到节能减排增效的作用。李乐意等^[3]对富氧燃烧在水泥窑上的影响效果进行了深入分析。窑内富氧燃烧技术在水泥窑节能降耗理论研究中取得较多成果^[4-5]。本文以CZHL5 000 t/d熟料生产线为项目载体，研究富氧燃烧机理及其对熟料煅烧运行的影响。

2 富氧制备方式及燃烧机理分析

2.1 富氧制备方式

研究水泥熟料生产线用富氧燃烧技术，选择适合水泥生产特点的制氧方式很重要，对制氧方法进行研究与选择，比较分析不同制氧方法的稳定性、经济性及技术优越性。目前，富氧制备行业主要有深冷分离法、变压吸附（PSA）、膜分离法、磁电机选法四种常见不同制氧方式。

2.2 富氧燃烧机理

富氧燃烧是一种高效强化燃烧技术，节能降碳效果显著。但在水泥生产中，煤粉燃烧本身具有不同于其他行业的复杂性、特殊性，通过实验研究论证水泥窑富氧燃烧机理。

1. 改善燃料的综合燃烧特性

从图1中还可看出，当氧气浓度超过50%后，煤粉质量损失速率增加趋势变缓，说明氧气浓度的进一步提升作用效果没有50%以内的氧气浓度增加提升效果明显，因此，富氧气提高煤粉燃烧效率集中控制在其浓度在50%以内较为优异，这样既可以保障煤粉的燃烧性能，也可以提高富氧在水泥窑中应用的经济性。

图1 煤粉在不同氧含量下的着火温度  图2 不同富氧浓度低热值煤粉燃烧温度

与质量损失速度图       

2. 提高煤粉燃烧温度

由图2可知，当富氧浓度达到27%时，对比普通空气（氧浓度21%）中的燃烧温度上升了295℃；当富氧浓度达到30%时，燃烧温度上升了438℃，说明在富氧气体中，低热值煤粉燃烧温度具有显著的提高。

3. 增强窑内辐射传热

回转窑内传热方式为对流和辐射传热，物料在回转窑内的温度升高，主要来自辐射传热，包括烟气、窑内衬等的辐射传热。熟料的煅烧取决于火焰辐射传热的热量。

表1 辐射换热量与氧浓度的关系

由表1数据分析可知，氧气浓度由21%提高至 25%、35%，辐射换热量分别提高了 33%、119%，效果十分显著，说明富氧有利于提高物料的烧成温度。但考虑氧气浓度过高，将对窑带来不利影响，结合熟料烧成温度、耐火材料性能、煤粉燃烧特性及制氧成本的影响，30%~40%富氧浓度较为符合窑热工制定。

3 水泥窑富氧燃烧技术应用及效果

3.1 新式深冷直送法制氧效果

富氧燃烧技术的研究及应用项目于2019年2月立项，通过制氧技术调研和论证分析，研讨确定系统制氧技术方案-采用新式深冷直送法制氧，以省内基地CZ海螺某条线为项目实施富氧燃烧示范项目，项目于2020年9月24日开车，制氧系统的运行情况如表3和图4。

表3 新式深冷直送法制氧系统运行效果

图4 CZHL富氧燃烧示范项目制氧系统运行参数图

3.2 富氧燃烧对烧成系统节能降耗的影响

富氧系统在水泥烧成系统投入后，对烧成系统有以下影响：（1）火焰温度增加，烧成温度增加，火焰集中，熟料结粒均齐，篦冷机工作效率高，二次风温度增加，实施富氧后，火焰温度升高245℃，二次风温和三次风温分别升高100℃和10℃。（2）烟气量和烟气温度降低，烟气带走热量降低，头煤用量减少；（3）由于煤粉燃烧速度加快，刚进入回转窑便发生剧烈燃烧，煤粉燃尽率增加，沉降减少，熟料烧失量降低。

项目实施后，吨熟料标煤耗降低约7kgce/t·cl，吨熟料电耗增加0.4kW·h/t·cl。

4 结论

从富氧燃烧机理及实践效果可得出，富氧燃烧技术应用到水泥窑中，可改善燃料的燃烧工况，提高煤质适用性，提高火焰温度计辐射传热效率，缩短燃烧时间，同时能稳定整个窑系统热工制度，提高水泥熟料产质量。

在5000t/d熟料生产线实践富氧燃烧技术，取得了较好的节能降耗效果：烧成系统标煤耗降低约7 kg.ce/t.cl；计入制氧系统电耗，熟料综合电耗升高约0.4 kWh/t.cl。

参考文献

[1]王俊杰，颜碧兰，朱文尚， 等. 水泥窑用富氧燃烧技术理论分析[J].节能技术,2015,33(3):195-

198,202.

[2] 廖斌. 水泥回转窑富氧燃烧的数值模拟研究[D].昆明：昆明理工大学，2016.

[3] 李乐意，轩红钟，刘守信.水泥窑富氧燃烧技术的应用及分析[J].新世纪水泥导报，2021,02:34-35.

[4] 崔昭霞，李俊峰，周全，等. 劣质褐煤富氧燃烧特性的数值模拟研究[J]. 煤炭技术，2018, 037(012):314-317.

[5] 徐顺生，杨易霖，时章明，等. 分解窑混煤富氧燃烧研究[J].中南大学学报(自然科学版)，2017,48(11):3116-3125.