贾华平：关于水泥窑富氧煅烧的一些看法

近年来，越来越多的新技术在水泥行业得到应用，富氧燃烧技术就是其中之一，但尚没有被行业接受，这是为什么？中国水泥网高级顾问贾华平在近期举行的“2020第八届中国水泥节能环保技术交流大会”以《水泥窑富氧煅烧—— 释疑解惑与成功例证》给出了自己的看法。

中国水泥网高级顾问贾华平

一，行业引入与发展概况

人类可用于燃烧的资源是有限的，且燃烧过程的排放物是造成环境污染的主要原因。富氧燃烧作为一种高效燃烧技术，既可减少能耗、又能降低排放，被称为“资源的创造性技术”。

富氧燃烧起源于美国，成熟于德国，推广于日本，已经在燃烧的各个领域开始了广泛的应用。

在中国，我们的起步并不晚，早在1980年，甘肃白银有色金属公司就使用了富氧，而且达到了节约能源、强化熔炼和根治污染的目的，使冰铜富氧熔炼工艺获得完全成功。

研究表明：

富氧煅烧能提高煤的活性，进而提高煤的燃烧速度、提高其燃尽率；能降低燃点，提高燃烧的集中度和火焰强度，进而减少燃烧的边际效应，增加燃烧热量的利用率；能提高火焰绝对温度，进而提高燃烧温度、减少㶲损失；能提高火焰黑度，进而提高辐射强度和强化辐射传热；还能减少燃烧后的排气量，降低烟气带走的热量。

在中国的水泥行业，富氧煅烧至少在理念上是被多数人认可的。从2004年开始，就有人提出了水泥熟料的富氧煅烧理念，但由于水泥行业的利润较低，考虑到富氧还要增加成本，未能真正应用于工业生产。随着富氧成本的不断降低，对高煤耗、低利润的水泥行业，其诱惑力是可以想象的。在2011年至2014年期间，据笔者不完全统计，小至700t/d窑、大到5000t/d窑—— 先后有十多家水泥公司参与了富氧煅烧试验。

但是，由于各生产线的情况不同、提供富氧煅烧技术的公司不同、富氧制备工艺不同、富氧助燃方案不同，各公司的试验结果可谓千差万别，一时难有定论、怀疑四起、褒贬不一，高潮一退又偃旗息鼓了。除了这些企业自发的试验以外，富氧煅烧还作为 “十二五” 国家科技支撑计划、并且已经启动，但后续、遗憾的没了后续。

二，卡壳误解与释疑解惑

创新需要容忍失败、研究需要坚忍不拔，理论来之于实践，又总是被实践修正。—— 创新的历史反复证明，在多数人山穷水尽之后，往往会迎来少数人的柳暗花明！

富氧燃烧作为近代燃烧技术的一大突破，在钢铁、玻璃等行业的成功，已经充分证明了其在强化燃烧、提高燃烧效率，推动节能减排方面的突出功效。为什么水泥行业就不行呢？

—— 首先是理论上能不能节能？

—— 再就是会不会增加NOx排放？

1，富氧煅烧会不会增加NOx排放？

在环保力度越来越严的今天，富氧煅烧会不会增加NOx排放？这是个原则问题、也是有关人员担心的主要问题。如果解决不了这个问题，富氧煅烧在水泥行业将无从谈起！虽然第一波富氧煅烧的热潮无功而返，但基本体现出“富氧煅烧可以不增大NOx排放”，

—— 为我们解开了一个关键心结！

我们知道，NOx的形成与烧成温度有很强的相关性。实验表明，燃烧温度在1550℃到1900℃之间时，NOx是以指数方次急剧上升，特别在1750℃后几乎是直线上升，而水泥窑的火焰温度峰值就在这个区间。因此，要降低NOx的生成，就必须控制好火焰温度，最好是降低一些火焰温度。

—— 而富氧煅烧恰恰是提高火焰温度的，难免有人推理富氧煅烧将导致NOx排放的增加，这也是应该给予理解的。

虽然推理并不等于事实，但事实也要用数据说话！那么，事实上又是什么结果呢？

笔者曾在2012年主持了一条5000t/d线上的试验，废气排放是由当地环保局的在线监测仪控制的，企业人为干预的可能性不大，而且作为试验我也绝对不允许人为干预！

使用富氧前后的NOx排放见下表：

由表可见，

在采用富氧煅烧以后，在线监测仪显示，废气中的氮氧化物不但没有增加，甚至还有所降低。无独有偶，我对东北某3200t/d线上的试验作了电话了解，回答是“实际运行中，根据窑头新增的火焰温度场在线监测、和SNCR在线烟气检测装置数据，使用富氧后NOx排放没有增加”。

2014年9月25，中国建材总院高工房晶瑞在宁波做了一个《水泥行业碳减排技术》的主题报告，报告给出了富氧燃烧在国外水泥企业的应用情况，不论是湿法窑、预热器窑、预分解窑，还是烧燃料油、煤、焦油、垃圾，都没有增加氮氧化物的排放。

—— 详见下表:

国内外大量的事实表明，—— 富氧煅烧并不会增加NOX的排放。那么，为什么事实与大众的推理、担忧、疑虑不一样呢？笔者在此作一些探讨供参考：

事实上，由于富氧煅烧强化了燃烧条件，提高了燃烧强度，从而为拉长火焰，扩大火焰的分布空间，减小火力的集中度，降低火焰峰值创造了条件。

通过适当的加大燃烧器的轴流风、减小旋流风，就能把短粗火焰拉成细长。在保持火焰总体强度基本不变的情况下，增大火焰的分布空间，将火焰的核心燃烧区扁平化拉长。

通过加大1700℃以下的核心区间，在保持烧成带煅烧强度的同时，缩小1700℃以上的峰值区间，通过降低火焰燃烧的峰值温度，从而减少氮氧化物的生成机会。

（1）虽然NOX的形成与烧成温度有很强的相关性，实验表明燃烧温度从1550℃起到1900℃，NOX以指数方次急剧上升，特别在1750℃后几乎是直线上升。

我们要特别注意这个“特别”，燃烧温度在1750℃以下和1750℃以上是大不一样的！

—— 这正是我们可以作为的空间。

水泥窑的火焰温度峰值正好在1750℃上下，而我们的熟料煅烧并不需要1750℃，我们能否把这个“以上”削掉呢？

（2）从合肥院对全国部分水泥窑的检测结果来看，

运行稳定的水泥窑NOx排放都相对较低；相反的是，运行较差的水泥窑NOx排放就相对较高。

这主要是因为稳定的运行可以相应的降低煅烧强度，减小火焰的燃烧峰值，抑制NOx的形成。

试验证明富氧煅烧能促进水泥窑的稳定运行，这一点大家是异口同声没有异议的，

—— 而稳定运行有利于抑制NOx的形成。

（3）上面谈的都是关于废气中NOx的含量问题，就环境保护来讲，还有一个问题必须考虑，那就是生产一吨熟料NOx的贡献值。

—— 在废气中NOx含量相同的情况下，废气排放量的减少，意味着吨熟料贡献值的降低。

根据齐砚勇教授的有关研究，当燃烧用空气中的氧含量由21%提高到30%时，5000tpd熟料线预热器出口的废气量将由816067m3/h减少到624529m3/h，排放废气量减少了23.47%。

—— 详见：水泥商情网读者报2012（2）《富氧燃烧条件下预分解窑废气量计算》。

2，水泥窑富氧煅烧到底有没有效果？

有关专家提出的另一个问题是：氧没有热值，不可能节煤。

有时候专家的话也不一定都对，特别像我这一号的所谓“专家”，说错话是经常的事，还望大家给予谅解。也许专家说完就后悔了，只是碍于面子不好公开收回而已。—— 但不管对与不对，对专家的话必须给予重视！

我们下面就来探讨一下这个问题：

（1）说不清的氧化与碳化

除了核物理，一般的热量都来自于氧化反应（包括没有氧参与的氧化反应），是某种势能与热能的转换，而不是无中生有，这与能量守恒并不矛盾。

对于煤炭的氧化反应，在反应以后碳和氧的势能都发生了变化，都对产生的热能作出了贡献。

—— 正确的理解应该是，热能是碳和氧反应的共同结果，而不是参与反应的某一方的贡献。这与化学概念在历史上的形成过程有关。

总体上讲，能与氧发生反应的物质比较多，而能与碳发生反应的物质比较少，故在物质（比如碳）与氧反应后称为该物质被氧化了，反应叫作氧化反应；

但就个体来讲，碳与氧同样是参与反应的双方，既可以叫碳被氧化了、当然也可以叫氧被炭化了。

碳和氧反应能产生热能我们就说碳具有热值，氢和氧反应能产生热能我们又说氢具有热值。

同样都对热能的产生作出了贡献，为什么就不能说氧具有热值呢？

主要是因为氧能与多种元素发生“氧化反应”，而其他元素之间能发生“氧化反应”的不多，而且贡献的热能也有限。

实际上，这只是由于在语言的形成过程中，遵循从简和方便的原则而已。

准确的说，既不存在氧不能产生热量、也不存在煤炭就能产生热量，而是在碳和氧反应后共同产生了热量。

（2）说得清的富氧与节煤

富氧煅烧，不是要凭空增加可燃物的燃烧能量,这也不符合能量守恒定律。而是通过提高可燃物燃烧能量的利用率，通过减少浪费实现节煤。

由于燃料在富氧中能够充分燃烧，热辐射会迅速增强，从而大大提高燃料的燃烧速度和燃尽率。

① 富氧煅烧将燃料本身具有的能量得以比较集中的释放出来，用在它该用的地方，减小了燃烧的边际效应，减少了由于不完全燃烧导致的它在不该用的地方继续燃烧造成的浪费。

② 由于燃料在富氧中的燃烧比较集中，而且提高了火焰黑度，热辐射迅速增强，提高了火焰对窑内物料的传热速度，将燃料本身具有的能量得以更多的传给物料，用在它该用的地方，减少其释放出的能量不能全部传给物料而随废气流失造成的浪费。

③ 富氧煅烧，也可在一定程度上减少燃烧用风，减少废气排放，降低热能损失。

④ 减少废气排放，同时具有减小废气处理系统能力降低投资、降低高温风机和尾排风机电耗的好处。

（3）富氧要用在需要它的地方

富氧煅烧不是包治百病的灵丹妙药，如果不是对症下药、如果不是症位用药、如果你本身就没病，

—— 那么，再好的药物对你也是没有效果的。

虽然同是富氧燃烧，但不同的行业、不同的生产线，其工况就不会一样，富氧燃烧的效果也就不会一样，切忌简单地盲目照搬。

比如，

富氧煅烧在水泥行业的效果不如其他行业好，因为多数行业的烧成系统只有一把火，一旦这把火的燃烧能量利用不好，就白白地给浪费了；

而水泥行业的烧成系统却有两把火，即使窑前的第一把火有些不完全燃烧，还有机会在窑尾的第二把火继续燃烧；即使燃烧能量未能集中利用，还有一个庞大的预热器在等着它，甚至还有余热发电系统。

浪费的多节约的潜力才大，浪费的少节约的潜力就小。

再如，

将富氧用在分解炉不如用在窑头效果好，这与富氧在烧成系统的节煤原理有关。

窑头以辐射传热为主，对火力的分布比较敏感，对燃烧速度、燃尽率、火焰形状有较高的要求；而分解炉不同，主要是对流传热，原理就是无焰燃烧，只要停留时间足够、料场和温度场分布合理就没问题，在这些方面

—— 富氧几乎起不到什么作用，所以就不可能有效果。

成功的经验是财富，失败的教训更是宝贵的财富。在第一波试用失败的基础上启动第二波试用，就必须找到第一波失败的教训、接受这些教训，才能避免重蹈覆辙。

以下作一些不全面的简单探讨：

富氧煅烧＝富氧＋煅烧 —— 我们拆开来分析可能会更清晰一些。

实际上，富氧早已广泛应用于医疗以及其他工业领域，“富氧” 包括其系统，无非就是个商品而已。对水泥行业也没什么不同，就是个投资大小和运行成本高低。谁的富氧系统稳定可靠、性价比高我们就用谁的，这不应该成为水泥行业关注的技术焦点；

而“煅烧”才是我们的职责所在，我们已经习惯了“常氧”煅烧，在高原地区也适应了“贫氧”煅烧，唯独没有用过“富氧”煅烧，尚缺乏这方面的煅烧经验。

“煅烧”是水泥生产方的专业和职责，缺经验应该自己去摸索总结，—— 遗憾的却总是将责任推给富氧商。

隔行如隔山嘛，富氧商的擅长是制氧，他们对水泥煅烧能有什么比你更好的办法呢？所以，—— 职责错位，是第一波试用失败的根本原因！

任何事物都是一分为二的，有利就有弊，富氧煅烧也不例外，问题在于如何趋利避害。

那么，利弊是什么、如何趋利避害，是否具备趋利避害的条件、能否创造趋利避害的条件？

富氧能促进煤粉燃烧、富氧煅烧能提高燃烧温度，这都能加快煤粉燃烧速度、容易造成短焰急烧，

—— 而短焰急烧却是熟料烧成的大忌！这就是富氧煅烧的主要弊端所在。

那么，你现有的工况能不能适应这个弊端，包括熟料的液相量、有害成分，包括你的耐材砖、燃烧器、篦冷机，甚至包括分解炉大小、回转窑长短。

如果不能适应，富氧煅烧就很难发挥出它应有的效果。实际上，最好的办法。不是被动的去适应这个弊端，而是主动的去抑制甚至消除这个弊端。

解决短焰急烧最简单的方法就是加大燃烧器的推力、将火焰高温区拉长，这对提高产质量、保护窑皮和耐火砖、降低NOX生成都是求之不得的。

但问题是，如果你的燃烧器不具备这个推力（多数国产燃烧器不具备这个能力），而是简单粗暴的增加一次风风量、增大风速，

—— 这不仅效果有限、而且会加速燃烧器的磨损，燃烧器早晚被磨穿也就在所必然，还能谈什么富氧效果呢？

三，成功案例与发展前景

科学必须实事求是，实践是检验真理的唯一标准。水泥窑富氧煅烧到底能不能成功，不是由专家裁决的，而是看事实结果。

在经过第一波热潮之后，水泥窑富氧煅烧之火并没有熄灭，部分不甘心失败的企业在总结了经验、汲取了教训之后，整体方案已逐渐的迈向成熟，并取得了很好的效果。鉴于时间有限，这里仅简单列举几个5000tpd线的案例供大家参考。

1，辽宁某公司不设制氧系统案例：

该公司 5000tpd 生产线由于煤磨产能不足，煤粉细度过粗，严重制约着系统能力的发挥。为了打破制约瓶颈，希望通过富氧助燃改善煤粉燃烧状况，改善系统对粗煤粉的适应性。鉴于自己缺乏制氧经验，没有建设富氧系统，而是决定“简单的”购买富氧，使用附近钢厂制氧车间的富裕能力。

2016年7月2 日，完成了富氧配套改造，并投入富氧煅烧。

富氧资源，通过管道取自钢厂的富氧管网。富氧进厂后设计了多个使用点，便于烧成系统富氧引入点的优化确立：

① 经窑头一次风机入口进窑头燃烧器，作为一次风使用；

② 经篦冷机一室冷却风机入口进篦冷机高温区，作为入窑二次风使用；

③ 经送煤粉罗茨风机入口进入煤风管道（窑头、窑尾均可引入），作为一次风使用。

富氧配套管网及初选引入点如下图所示。

在配套改造完成后，分阶段分别对三个富氧引入点进行了效果试验：

第一阶段：在一次风中加入富氧，进行了不同富氧浓度对烧成系统的影响试验。在不同富氧浓度下，通过调整系统工况使其达到最大产能。

试验结果表明：最佳的富氧浓度在27%-30%之间，台时产量提高了 9%，煤耗降低 9.41%，电耗降低 14.01%。

试验结果如下图所示。

第二阶段：在二次风中逐步掺入富氧。

试验发现，由于二次风风量太大，富氧阀门在全开的情况下，二次风的氧含量依旧很低，烧成工况没有明显变化，停用富氧后烧成工况也没见影响，因效果不明显而停用。

第三阶段：在分解炉供煤煤风中逐步掺入一定比例的富氧。试验发现，也没有取得明显效果，只好停止使用。

该公司自2016年开始使用一次风富氧煅烧至今多年，是国内连续使用富氧煅烧时间最长的公司。

他们的总结认为：由于富氧煅烧技术在经济效益、节能降耗、环境保护等方面均具有显著的优越性，可以预见富氧燃烧技术在水泥回转窑中的应用有广阔的前景。

2，河南某公司膜法制氧系统案例：

该公司 5000tpd 生产线, 采用MZYR-12000型膜法制氧系统富氧煅烧，气体的富氧浓度为29%±2％,富氧气体流量为12000±200Nm3/h。烧成系统设有两个富氧引入点：

① 头煤一次风机入口；② 尾煤送煤风机入口。

该公司配套建设的膜法富氧系统如下图所示。

从2012年11月14日至11月18日进行了120小时连续无富氧运行测试，从11月19日至11月24日进行了144小时连续加富氧运行测试，分解炉富氧由于效果不明显停用。

—— 经对比测试，节煤效果达到8.18 %。

使用富氧煅烧前后，紫外线测温仪测试的火焰温度由1380℃～1450℃ 提高到1580℃～1600℃，提高了150℃左右；二次风温度由1050℃～1100℃ 提高到1144℃～1194℃，提高了100℃左右。

2012年11月25日水泥窑富氧煅烧投入正式运行。

从11月25日到12月2日，又进行了192小时的正式有富氧运行观察，节煤率达到了10.19%。

从2012年11月25日正式投入运行，至2013年1月9日停窑检修，平均日产熟料提高约200t/d左右，平均节煤率为10.73%。

使用富氧煅烧后的操作员评价：

炉窑操作运行稳定，窑内热负荷稳定，窑皮平稳；熟料质量稳定并有提高，熟料的外观颜色明显改善；由于受到篦冷机能力的限制，在使用富氧期间窑还有提产空间，没能充分发挥出来；不影响低温余热发电工作；向大气排放的主要指标均呈下降趋势。

3，山东某公司深冷法制氧系统案例：

该公司 5000tpd 线海拔较低、接近于海平面，

以20170218～0228 对烧成系统的热工标定为基础，配套设计了深冷法富氧系统。热工标定的几个主要技术指标为：窑生产能力6096t/d，煤的热值6700kcal/kg，煤耗111.46kg/t熟料，标煤耗106.68 kg/t熟料。该公司的富氧系统如下图所示。

在富氧系统建成之后，20170420～0426又做了一次富氧煅烧前的空白标定，标定的几个主要技术指标为：窑生产能力6120t/d，煤的热值6680kcal/kg，煤耗109.74kg/t熟料，标煤耗104.72 kg/t熟料。

富氧煅烧投运后即刻显示出满意的效果，遗憾的是还没有调到最佳工况，窑头燃烧器就出现了内管磨穿问题，烧成工况开始明显的恶化，只好于20171201～1205进行了富氧煅烧的效果标定。标定的几个主要技术指标为：窑生产能力6552 t/d，煤的热值6400 kcal/kg，煤耗96.38 kg/t熟料，标煤耗88.12 kg/t熟料。

由此可见，在生产系统不尽理想的情况下，富氧煅烧已取得了不错的效果：

生产能力提高了7%，由6120t/d提高到6552t/d，提产432t/d；

实物煤耗降低了12.17%，由109.74kg/t熟料降低到96.38 kg/t熟料，降低13.36 kg/t熟料；

标准煤耗降低了15.85%，由104.72 kg/t熟料降低到88.12 kg/t熟料，降低16.6 kg/t熟料。

随后，该公司利用年底整修的机会，采用了有关公司开发的富氧专用燃烧器，并对烧成系统进行了部分优化改造，富氧煅烧的效果得到了进一步发挥。篦冷机的能力，依然制约着富氧煅烧的提产空间。该公司对富氧煅烧提产、提质、节煤等各方面都很满意，一直使用至今。

4，水泥窑富氧煅烧的前景展望