局部富氧精准助燃技术用于工业炉窑节能降碳新进展

Current Progress of Localized Oxygen Enrichment Precision Combustion-support Technology Used for Energy Saving and Carbon Reduction in Industrial Furnaces Abstract： The application of local oxygen enrichment precise combustion-support technology in industrial furnaces is very extensive. This article mainly introduces the new progress in the application of this technology in coal water slurry boiler，titanium dioxide rotary kiln， cement kiln and fuel oil boiler， not only does it significantly save energy and reduce carbon emissions， but it also significantly reduces harmful smoke and dust such as CO， NOX， and dust， which has significant economic and social benefits. Key words： precision combustion-support technology; coal water slurry boiler; titanium dioxide; rotary kiln; cement kiln; fuel oil boiler; energy saving and carbon reduction

1.引言

由于节能降碳的要求越来越严格，所以富氧燃烧技术在工业炉窑方面的应用也越来越广[1-12]。目前根据目的的不同，富氧燃烧大体可分为三类[1]：①以捕获 CO2 为目的的富氧燃烧，锅炉设有烟气再循环系统，燃烧气体 （O2+CO2 ）中氧浓度在 27%左右，燃烧产物主要是 CO2，富集后的 CO2 可直接深埋或工业应用;②以降低有害气体排放为目的的富氧燃烧，是为了提高炉膛的烟气温度，降低 CO 和二噁英的生成，主要用于垃圾焚烧炉; ③ 以提高锅炉经济性为目的的富氧燃烧锅炉，将燃烧气体中的含氧量由大气中的 21% 提高到 30%左右，减少烟气量，提高锅炉效率，降低锅炉本体重量；而③又分为二类：常规富氧即整体富氧和局部富氧，前者不仅投资非常大，而且运行费用高，参见表 1[1]。该表中的富氧相当于“整体富氧”，不仅投资非常大，而且运行费用相当高：以 27%富氧为例，所需纯氧就达 20500 标方/时，仅耗电每小时至少六千度左右，而且排烟氧含量比常规的还“高”，所以并不实用！后者所用富氧量仅占助燃风量的 1-5%左右，主要又分二种，即整体局部富氧和局部富氧精准助燃，前者如回转窑把富氧加在一次风里[11]，虽然明显节能，但由于富氧量比后者大而且燃烧器容易烧坏，国内多家实施后均已停用；后者由于采用富氧精准助燃技术，而且不改动炉窑本体、节能降碳效果更好，还能减少 CO、CO2、NOX 和有害烟尘等的排放、提高负荷、减轻司炉工劳动强度并改善工作环境，同时还能延长炉龄和维护保养周期等[2-12]。

本文主要介绍局部富氧精准助燃技术在工业炉窑应用方面的最新进展。

2 典型应用案例汇总

2.1 在水煤浆锅炉上的应用

2017 年在某石化企业的3 台（二开一备）150 吨水煤浆锅炉上实施，所配富氧流量 2500 标方/时，富氧浓度29%左右，富氧预热温度 330℃左右，富氧压力20 多千帕，富氧喷嘴四角布置，每一角均配四组富氧喷嘴，和锅炉的一次风、二次风和燃尽风优化组合，具体配置参见右图，是其中的一角布置，另三角类同：下层富氧喷嘴与炉墙成一定角度，作为贴壁风，在水冷壁附近形成氧化性气氛，并实现炉膛向火侧欠氧燃烧，降低NOX 含量、背火侧富氧燃烧，且避免了火焰冲刷水冷壁的现象、减少结焦；上层富氧风作为燃烬风，以降低飞灰碳含量！经用户多次反复检测吨蒸汽标煤耗下降在 3.85% ～4.9%之间，飞灰含碳量平均下降 22.5% ，炉渣含碳量平均下降 43.8% ，具体数据参见下表，而且排烟温度、氧含量、CO、炉渣和飞灰未燃物含量均明显下降，NOX 平均下降 25.2% ，平均每年节约标煤大约1 万吨，降碳2.6 万吨。获得了海南省 2018 年节能与循环经济专项基金支持500 万元。另外在用户的DCS 上建一个“富氧系统”模块即可，不增加额外人员，只有“报警”提示时，按照提示要求处理，平时仅需日常巡检即可。

2.2 在钛白粉回转窑上应用

2017 年在某钛白公司的2 台钛白粉回转窑上实施，配一套膜法富氧设备，通过调节阀控制。相关流程参考下图：所配富氧流量大约为1200 标方/时，富氧浓度大约为 29% ，富氧预热和富氧喷嘴集成一体方便安装、控制和调节等。由于钛白粉浆料压榨后含水率高、钛白粉含量、回转窑窑头和窑尾温度等均波动大，特别是二次风温波动更大，由于二次风管路堵塞从160 多℃下降到 50℃左右等等，加上倒烟、风量无法调整，而且要求排烟中的氧含量维持在17%左右，在这种情况下通过前后 20 多天反复对比，平均节约天然气 3.66% ，NOX 平均从384 下降到364.7mg/m3，排烟中的CO 等有害烟尘均明显下降，由于签的是能源服务合同，2 年后用户要求复测，检测结果均在合同规定的范围内，平均每年节约标煤大约800 吨，降碳大约1600 吨。

2.3 在邻二甲苯分离塔加热炉上的应用

2019 年在某石化企业一台20MW 邻二甲苯分离塔加热炉上实施，采用了新的工艺流程如下：

该工艺比原来的工艺更先进，而且安装更方便、操作更简单、更节能：不仅少增压风机、循环水系统和管道泵，而且富氧品质高含水率低，富氧不需预热，真空增压泵是气冷，富氧出口温度高达170 多℃，富氧喷嘴采用对称布置，所配富氧流量 1000 标方/时，富氧浓度29%左右。经石化行业权威部门进行了72 小时对比测试：负荷实施前后基本不变，富氧浓度检测 4 次平均为 29.5%，吨产品耗气下降即平均节能 6.55% ，扣除运行费用即净节能 5.58% ，炉膛负压平均下降14.8 帕，排烟温度平均下降 8.1℃，排烟氧含量从 2.21% 下降到 1.9% ，NOX平均下降 12 . .3% ，炉膛温度下降6.8℃，吨产品烟气排放量降低 9.68% ，平均每年节约标煤 1000 吨，降碳2600吨，综合节能降碳提效等效果更好。

2.3 在3 台水泥窑上的应用

2019 年至2022 年期间在某水泥企业的3 台水泥窑上分别实施，综合节能降碳增产提效等效果均比较明显。实施后靠近熟料的火焰更加明亮，从右图可以清晰的看出：说明回转窑的烧成带火焰温度明显提高，熟料能吸收更多的有效热量。下面先介绍一台日产6000 吨熟料的调试情况：由于熟料的冷却风有 8 个风室，其风量和风压匹配非常难！我们主要优化了二、三、四和六、七、八共六个风室的开度，前三个风室开大，后三个风室开小，一和五风室没有调整，特别是第二风室，静压提高了 35% ；而第八风室则下降了 37.5%^′ 左右。使用富氧后的风量和风压匹配也是比较理想的：总冷却风量降低了 11% ，二次风量降低了 10.5% ，二次风温提高了 81℃，冷却机排风孔的开度调整比较理想，排风量降低了 11.4%。实施前后双方进行了72 小时对比：熟料产量平均增加 468 吨，吨熟料标煤耗下降 5.1% ，28 天熟料强度平均提高1.3 兆帕，C1 出口温度平均下降 8.6℃，O2 平均下降0.78%百分点，CO 平均下降 46%， ，结圈结皮等明显减轻，窑况越来越稳定，3 台水泥窑平均每年节约标煤大约1.85 万吨，降碳大约 4.87 万吨。

2.4 在130 吨燃油锅炉上的应用

2023 年在某石化企业一台 130 吨燃油锅炉上实施，富氧装置现场照片参考下图：所配富氧流量1400 标方/时，富氧浓度29%左右，富氧气体加热到 300℃左右，经用户 72 小时检测对比：平均吨油 ZF 蒸汽 5.45% ，相当于节能 5.45% ，送风机电流大约下降 3.8% ，引风机电流大约下降 2.7% 助燃风量下降 8.1% ，排烟氧含量平均下降 1.56% ，排烟温度下降6.5℃，空白标定期间氮氧化物排放浓度 .25kg/m³ ，富氧标定时为 38.55kg/m3;颗粒物也由 15.75kg/m3 降至 15.24kg/m3，分别下降 6.55% 和 3.2% 左右，平均每年节约标煤大约7700 吨，降碳大约18000吨，具有明显的综合效益。

3 展望

富氧助燃技术一直是国家重点推广的节能降碳高新技术，已经在各种工业炉窑上均有广泛应用[1-12]。但对于生物质锅炉，目前该技术在国内外尚处于研究示范阶段[13]，主要在有效改善生物质燃料清洁高效利用的同时，为碳捕集及利用提供高浓度CO2 的烟气。目前局部富氧精准助燃技术用于生物质锅炉方面的节能降碳正在研究中，相信不久的将来该技术会在各种工业炉窑上的应用越来越广！

参考文献

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