燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過(guò)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(jù)實(shí)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(duì)所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業(yè)鍋爐均適用，既能提高劣質(zhì)燃料的應(yīng)用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應(yīng)的均可用富氧代替。

新型干法水泥生產(chǎn)工藝對(duì)原煤的設(shè)計(jì)有一定的標(biāo)準(zhǔn)，一般回轉(zhuǎn)窯煅燒用煤質(zhì)量要求灰分 A≤30%，揮發(fā)分 V 在 18%～30%，發(fā)熱量 QDW≥5000kcal/kg，然而根據(jù)我國(guó)的國(guó)情符合要求的又能輸出煤產(chǎn)地主要集中在北方的山西、河南、內(nèi)蒙等省區(qū)和淮北地區(qū)。除了價(jià)格原因外，長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)膲毫σ埠艽?，同時(shí)增加了水泥生產(chǎn)成本，無(wú)論是社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都不好。由于原煤的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，煤炭灰分過(guò)高，熱值過(guò)低，因此燃料在燃燒的過(guò)程中存在不完全燃燒，飛灰機(jī)械不完全損失大等一系列問(wèn)題而造成預(yù)熱分解系統(tǒng)“連接堵塞”，降低熟料生產(chǎn)質(zhì)量，影響水泥生產(chǎn)效率和水泥質(zhì)量。針對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)的新工藝，擬在分解爐系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)分別加入富氧空氣以促進(jìn)燃料的充分燃燒，穩(wěn)定整個(gè)窯系統(tǒng)的熱工制度，提高水泥生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

（1）分解爐系統(tǒng)增加富氧

分解爐系統(tǒng)是新型干法水泥生產(chǎn)工藝的重要組成部分，它承擔(dān)預(yù)分解系統(tǒng)中繁重的燃燒、換熱和碳酸鹽分解任務(wù)。這些任務(wù)能否在高效狀態(tài)下順利完成，主要取決于生料與燃料能否在爐內(nèi)很好的分散、混合和均布；燃料能否在爐內(nèi)迅速的完全燃燒，并把燃燒熱及時(shí)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(shí)排除等。在分解爐內(nèi)生料與高溫氣流之間傳熱快，物料在爐系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)問(wèn)短，化學(xué)反應(yīng)迅速，對(duì)熱工制度的波動(dòng)較為敏感。熱工制度不穩(wěn)定，輕者會(huì)打亂正常的生產(chǎn)秩序，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)造成預(yù)熱器系統(tǒng)的粘結(jié)堵塞，甚至威脅設(shè)備安全。碳酸鹽分解是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，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(tǒng)就需要大量熱，應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)有利于提高分解爐系統(tǒng)的熱效率，穩(wěn)定分解爐熱工制度，提高碳酸鹽的分解效率和質(zhì)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(tài)轉(zhuǎn)變到反應(yīng)能自動(dòng)加速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過(guò)程，相對(duì)應(yīng)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(shí)的溫度，燃盡溫度越低，表明燃盡時(shí)間越短，煤粉就越容易燃盡，殘?zhí)恐械目扇际Ｓ嗔烤驮缴佟?從圖 1 可以看出，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)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(shì)，因此可以說(shuō)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?jǐn)?shù)較低時(shí)，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)的增加，煤粉著火時(shí)刻的燃燒速度增加較快，因此，在氧的體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，增加氧的體積分?jǐn)?shù)，會(huì)使煤粉的燃燒強(qiáng)度得到加強(qiáng)，提高煤粉的著火速度。

圖 1 氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)著火溫度和燃盡溫度的影響

圖 2 氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)著火燃燒速度的影響

② 加快反應(yīng)速度，縮短燃料燃燒時(shí)間

煤粉被加熱后，揮發(fā)份在 300-400℃時(shí)即迅速析出并點(diǎn)燃、燃燒，且能在很短時(shí)間內(nèi)燃盡。而煤粒中殘留焦炭的燃燒最為緩慢，占據(jù)了整個(gè)燃煤反應(yīng)的絕大部分時(shí)間。分解爐內(nèi)，由于碳酸鈣分解速度快，其吸熱反應(yīng)控制了分解爐爐溫；爐內(nèi)煤粉燃燒大多在 850-900℃較低溫度下進(jìn)行。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究表明，水泥分解爐內(nèi)煤粉燃燒屬動(dòng)力控制的一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)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(xué)反應(yīng)能力，并與燃料性質(zhì)、溫度等有很大關(guān)系，與燃燒氣體氧氣分壓成正比，而和氣流相對(duì)速度關(guān)系較小。增加氧濃度，提高爐內(nèi)溫度能夠加快化學(xué)反應(yīng)速度。燃料的燃燒時(shí)間與氧濃度的關(guān)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(shí)間可大大縮短，為此，按無(wú)灰碳粒燃燒的計(jì)算公式進(jìn)行估算。設(shè)：τ1 為當(dāng)空氣中氧氣的濃度為 21%時(shí)，碳粒完全燃燒所需的時(shí)間；τ2為空氣中氧氣的濃度為 25%時(shí)，碳粒完全燃燒所需的時(shí)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(kuò)散系數(shù)(m/s)；m為碳與氧的化學(xué)當(dāng)量比(0.375)；1.428 為氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度(kg/ Nm3)。由(1)/(2)，得

τ2=0.84τ1

圖 3 燃料燃燒時(shí)間與氧濃度的關(guān)系

由此得出結(jié)論，如氧氣的濃度提高至 25%時(shí)，煤粉的燃燒時(shí)間可縮短 16%。

③ 加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋岣呋鹧鏈囟?/p>

增加氧濃度可以加快化學(xué)反應(yīng)速度，從而加快了火焰的傳播速度，增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性，提高了火焰溫度。

④ 促進(jìn)燃料完全燃燒，提高爐膛溫度，強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱

提高氧濃度可使化學(xué)反應(yīng)更加徹底，縮短了燃料燃盡時(shí)間，促進(jìn)燃料完全燃燒，減少了不完全燃燒所造成的熱量損失，達(dá)到節(jié)能的目的。圖 4 為燃料燃盡率與氧濃度的關(guān)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(shí)強(qiáng)化了物料與氣流的熱傳遞，使得分解爐系統(tǒng)的熱工制度更加穩(wěn)定。

圖 4 燃料燃盡率與氧濃度的關(guān)系

⑤ 降低過(guò)量空氣系數(shù)，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(kuò)散和燃燒產(chǎn)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(yīng)，以及空氣通過(guò)燃料層阻力等諸多因素。因此，必須以過(guò)?？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(fēng)量，但是在水泥生產(chǎn)工藝中若風(fēng)速過(guò)大，系統(tǒng)阻力加大并且縮短燃料、物料及氣流在系統(tǒng)各部位的停留時(shí)間，影響整個(gè)系統(tǒng)的熱效率和熱工制度。采用富氧空氣以后，氮?dú)獾臐舛冉档?，阻礙氧分子向碳表面吸附層的擴(kuò)散和燃燒產(chǎn)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(guò)量空氣必然減少，因而降低過(guò)量空氣系數(shù)，同時(shí)減少煙氣排放量和排煙損失。

（2）回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)增加富氧

回轉(zhuǎn)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(shí)間，以實(shí)現(xiàn)熟料的燒成。在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中主要是 C3S、C2S 礦物的形成，優(yōu)質(zhì)熟料要求C3S、C2S 礦物含量高，堿含量低，礦物晶粒粒徑較細(xì)小均勻，發(fā)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(fā)育大小主要決定于回轉(zhuǎn)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(shí)間等。因此，回轉(zhuǎn)窯的煅燒操作熱工制度對(duì)硅酸鹽水泥熟料煅燒質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)加入富氧空氣以改善窯內(nèi)燃料的燃燒工況，穩(wěn)定窯系統(tǒng)的熱工制度，提高水泥熟料的生產(chǎn)質(zhì)量。

① 穩(wěn)定火焰形狀，提高火焰溫度

研究表明火焰形狀和長(zhǎng)度影響到熟料中 C3S 礦物的晶粒發(fā)育大小和活性，因此，在燒高強(qiáng)優(yōu)質(zhì)熟料時(shí)，必須調(diào)整火焰長(zhǎng)度適中，且要求火焰形狀穩(wěn)定。通入富氧以后，燃料燃燒更加穩(wěn)定，所以火焰的穩(wěn)定性能得到加強(qiáng)。干法窯窯頭火焰溫度控制，視窯型大小而異，對(duì)于2000t/d 以下的窯型一般控制在 1650～1850℃之間，對(duì)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(nèi)比較有利，采用高溫?zé)捎欣谑炝腺|(zhì)量的提高和堿分的充分揮發(fā)，可獲得低堿熟料。采用富氧燃燒技術(shù)，可使燃燒反應(yīng)更加劇烈，從而提高火焰溫度。

② 加快反應(yīng)速度，提高升溫速率

優(yōu)質(zhì)熟料形成要求在窯內(nèi)過(guò)渡帶升溫階段要求快速升溫，促進(jìn)熟料的礦物形成和燒結(jié)，通入富氧空氣以后，可加快燃燒反應(yīng)速度，提高回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的升溫速率。③ 促進(jìn)燃料完全燃燒，穩(wěn)定窯內(nèi)煅燒溫度

提高氧濃度可使化學(xué)反應(yīng)更加徹底，縮短了燃料燃盡時(shí)間，促進(jìn)燃料完全燃燒，同時(shí)還能穩(wěn)定窯內(nèi)的煅燒溫度，以保證熟料礦物的燒結(jié)。

④ 提高窯內(nèi)氣流對(duì)物料的輻射傳熱速率

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

⑤ 降低過(guò)量空氣系數(shù)，保持窯內(nèi)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(guò)?？諝庀禂?shù)控制過(guò)低，二次風(fēng)不足，易導(dǎo)致還原氣氛產(chǎn)生，窯內(nèi)的還原氣氛會(huì)將熟料中的某些礦物質(zhì)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(jié)，易產(chǎn)生大量黃心熟料，影響到熟料質(zhì)量的提高。提高氧濃度可降低過(guò)量空氣系數(shù)，同時(shí)保持窯內(nèi)的微氧化氛圍，為優(yōu)質(zhì)熟料的生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

綜上所述，富氧燃燒用于水泥生產(chǎn)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒，從而加大火焰對(duì)物料的輻射傳熱能力提高整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，減少?gòu)U氣及 CO、NOx 等有害氣體的排放量，有利于節(jié)能減排，同時(shí)還能夠穩(wěn)定整個(gè)窯系統(tǒng)的熱工制度，提高水泥的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，富氧燃燒技術(shù)在水泥工藝上的應(yīng)用可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益和環(huán)保效益。