姜政華：膜法制氧技術(shù)在干法水泥爐窯應(yīng)用前景展望

　　9月25日，由中國水泥網(wǎng)主辦、中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司特別主辦、淄博市魯中耐火材料有限公司特別協(xié)辦的“2013中國水泥節(jié)能技術(shù)交流大會(huì)”在山東濟(jì)南成功召開，大會(huì)邀請(qǐng)到行業(yè)內(nèi)眾多知名企業(yè)家、專家、學(xué)者共聚一堂，總結(jié)和分享國內(nèi)多年水泥節(jié)能技術(shù)發(fā)展成果，將對(duì)水泥行業(yè)節(jié)能技術(shù)發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)“十二五”綠色GDP發(fā)展目標(biāo)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。會(huì)上煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司董事長姜政華作了題為《膜法制氧技術(shù)在干法水泥爐窯應(yīng)用前景展望》的主題報(bào)告，就膜法制氧技術(shù)在水泥爐窯中的應(yīng)用和前景作了詳細(xì)的講解，全文如下：

 煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司董事長姜政華

　　一、國外膜法制氧助燃技術(shù)的發(fā)展

　　膜法制氧助燃技術(shù)源于美國；70年代末，富氧氣體分離膜法制氧技術(shù)是由美國孟山都公司發(fā)明，首先應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上；1983年美國康寧公司率先在溶化爐采用全富氧燃燒技術(shù)，獲得成功。

　　興起在德國；上世紀(jì)八十年代末，林德公司開始批量生產(chǎn)膜法制氧助燃設(shè)備。

日本松下電器工業(yè)有限公司50Nm3/h 板式富氧膜組件

　　發(fā)展在日本；上世紀(jì)九十年代，日本引進(jìn)該技術(shù)，并且政府介入。從1996始，日本政府規(guī)定，所有的工業(yè)爐窯、工業(yè)鍋爐，包括船用鍋爐都不能用空氣助燃，必須用富氧助燃。從而帶動(dòng)世界許多國家全面推廣采用膜法制氧助燃技術(shù)。

　　前蘇聯(lián)、俄羅斯、英國、法國、捷克等國家均有膜法制氧用于助燃的報(bào)道。

日本松下電器工業(yè)有限公司250Nm3/h 制氧系統(tǒng)

日本第二代富氧產(chǎn)品

　　日本膜法制氧助燃技術(shù)的應(yīng)用

　　日本曾在以氣、油、煤為燃料的不同場合進(jìn)行了富氧應(yīng)用試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：用23％的全富氧助燃可節(jié)能10-25％；用25%的全富氧助燃可節(jié)能20-40％；用27%的全富氧助燃則節(jié)能高達(dá)30-50％等。

　　綜上所述，燃料在氧濃度26%的全富氧燃燒下，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)，節(jié)能效果最明顯。

　　二、應(yīng)用于燃燒領(lǐng)域的制氧方法及概況

　　深冷空分技術(shù)：始于1903年，高爐煉鋼主要采用（深冷法）富氧噴煤技術(shù)，已有將近一個(gè)世紀(jì)的歷史，綜合節(jié)能效益非常顯著。至今是鋼鐵廠標(biāo)配的主流工藝技術(shù)，現(xiàn)建鋼廠必建制氧車間。

　　變壓吸附制氧技術(shù)：發(fā)明于1958年，上世紀(jì)70年代應(yīng)用在燃燒領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代我國把高爐富氧噴煤作為發(fā)展鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗的重點(diǎn)改造項(xiàng)目，在冶金行業(yè)推廣使用。

　　膜法制氧技術(shù)：上世紀(jì)70年代興起，1983年美國康寧公司率先應(yīng)用在燃燒領(lǐng)域，在熔化爐采用全富燃燒技術(shù)并成功。

　　膜法制氧技術(shù)是成熟的技術(shù)，為提供富氧空氣用于燃燒領(lǐng)域開辟了一條新途徑。特別是對(duì)回轉(zhuǎn)窯需要大流量富氧空氣，膜法制氧是最安全、投資量少，且安裝簡單，操作方便靈活，使用壽命長，維修費(fèi)用低，為我國工業(yè)爐窯應(yīng)用膜法制氧開辟出一條全新的道路。

　　三、膜法制氧技術(shù)原理

　　膜法制氧技術(shù)是利用滲透的原理，即氧分子通過膜向化學(xué)勢(shì)降低的方向運(yùn)動(dòng)，首先運(yùn)動(dòng)至膜的外表面層上，并溶解于膜中，然后在膜的內(nèi)部擴(kuò)散至膜的內(nèi)表面層解吸，其推動(dòng)力為膜兩側(cè)的該氣體分壓差，由于混合氣體中不同組分的氣體通過膜時(shí)的速度不同，氧分子優(yōu)先通過分離膜從而達(dá)到提純富氧氣體的目的，稱作膜法制氧，氧濃度一般在30％左右。氧濃度大于21%、小于40%的氣體稱為富氧。

　　四、膜法制氧工藝流程

　　膜法制氧助燃節(jié)能裝置是由：1.空氣凈化器、2.離心通風(fēng)機(jī)、3.大型集成化膜組件、4.真空泵、5.脫濕裝置6、穩(wěn)壓裝置、7.增壓風(fēng)機(jī)、8.系統(tǒng)管路、9.自動(dòng)化控制操作系統(tǒng)等組成的。

　　五、膜法制氧-富氧助燃技術(shù)節(jié)能原理

富氧條件下的爐內(nèi)各有關(guān)溫度的變化及傳熱量的變化

　　富氧助燃技術(shù)是近代燃燒的新突破，它是使燃料中的揮發(fā)份和沒燃盡的碳粒子在富氧中充分燃燒，在不增加燃料的前提下，火焰溫度提高100～350℃，使燃燒速度加快，熱輻射迅速增強(qiáng)的技術(shù)。該技術(shù)強(qiáng)化燃燒，降低空氣過量系數(shù)，降低燃燒后的排氣量和粉塵量，降低二氧化碳，提高燃燒效率，使燃料在富氧燃燒中極大的轉(zhuǎn)化成熱能，工業(yè)爐窯或工業(yè)鍋爐采用該技術(shù)后，一般節(jié)能率在5～15%，設(shè)備投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益或社會(huì)效益是巨大的。發(fā)達(dá)國家稱該技術(shù)為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”，并已經(jīng)在燃燒的各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　六、膜法制氧的安全性

　　膜法制氧的過程是純物理過程，無相變等，常溫低壓下靜態(tài)制氧，制取的氧氣純度約為30%，制氧本身的安全性好，30%以下的富氧已在近百年的富氧燃燒工程案例中證明是安全可靠的，無需按照氧氣站建設(shè)規(guī)范建設(shè)、無需采用氧用介質(zhì)的輸送設(shè)備，無需脫脂處理，無任何安全隱患。

　　七、膜法制氧與變壓吸附制氧應(yīng)用于水泥行業(yè)的使用壽命對(duì)比與參考

　　大多數(shù)人常誤認(rèn)為膜分離器的膜材料不如變壓吸附的分子篩耐用，是因?yàn)椴涣私鈨煞N材料對(duì)應(yīng)環(huán)境下的工業(yè)設(shè)計(jì)條件。實(shí)際上，無論膜法制氧的膜分離材料還是變壓吸附的分子篩（吸附劑），都是一種分離材料，其壽命都對(duì)應(yīng)于實(shí)際使用的環(huán)境，在不同的環(huán)境下材料具有不同的使用壽命。工業(yè)設(shè)計(jì)中，均需對(duì)環(huán)境污染條件進(jìn)行必要的過濾設(shè)計(jì)，以高效過濾措施方可滿足其長效的使用壽命。

　　眾所周知，在水泥工業(yè)高濃度的粉塵污染環(huán)境中，水泥粉是高堿性的粉塵污染物，具有3微米的正態(tài)分布中徑，工業(yè)設(shè)計(jì)過程中，將使用嚴(yán)格的過濾措施方可保證材料的長效使用壽命。

　　膜法制氧是靜態(tài)制氧。經(jīng)不斷的研發(fā)與改進(jìn)，且長期的應(yīng)用實(shí)踐證明，多級(jí)高效過濾器祛除粉塵污染物之后的膜材料具有10年以上的超長使用壽命。而且膜法制氧的分離過程是錯(cuò)流的，其空氣通道與富氧通道是分開的，因不斷輸入的空氣會(huì)將沉積在膜分離材料表面的粉塵在空氣通道帶走從而形成一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，這并不影膜法制氧過程的使用。通俗的說，膜法制氧的過程的粉塵污染是有進(jìn)有出，最終達(dá)到平衡而不影響使用。即使存在的一定量的粉塵污染，當(dāng)10年后達(dá)到富氧膜達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命時(shí)，沉積下較多的粉塵也可以通過現(xiàn)場清洗措施使得制氧設(shè)備恢復(fù)其大部分性能。

　　變壓吸附制氧過程是動(dòng)態(tài)制氧，無論雙塔還是多塔，需要很多閥門進(jìn)行切換，可靠性與膜法制氧相比要差的多，閥門需要定期維護(hù)密封件。分子篩一般具有5～10年的使用壽命，維護(hù)成本較膜法制氧系統(tǒng)高。變壓吸附的分子篩即使采用了嚴(yán)格的粉塵過濾，因無法截留100%的粉塵，而且氣流通過吸附分離床中裝填的分子篩制氧，這相當(dāng)于一個(gè)死端過濾過程，不斷進(jìn)入的微粒類粉塵將嚴(yán)重堵塞分子篩的空氣流道。通俗的說，變壓吸附過程的粉塵污染是有進(jìn)無出或者有進(jìn)少量的出，最終影響床層的壓差與分離性能，直至分離性能喪失。可以毫不夸張的說，在水泥工業(yè)，無論將變壓吸附制氧過程的羅茨鼓風(fēng)機(jī)帶入的水泥粉塵過濾到什么程度，都將有部分粉塵進(jìn)入吸附床層，堵塞分子篩空氣通道，這一過程是無法克服的。

　　比如，一套1000m3/h，90%的變壓吸附制氧設(shè)備，需要加工的空氣量是12000m3/h，即使過濾到含塵量0.5 mg/m3計(jì)（工業(yè)過程實(shí)際上難以達(dá)到這一水平），1年累積進(jìn)入的粉塵將達(dá)到：

　　0.5 mg/m3×12000m3/h×24h×330天/年=47.52kg/年

　　床層將以年40多千克的粉塵累積，結(jié)合分子篩吸附的水分，與水泥的高堿性（水溶解平衡后的堿性將達(dá)到PH值為13）將嚴(yán)重的破壞分子篩，降低其性能指標(biāo)。

　　而如果需要維護(hù)，則需要大動(dòng)干戈去更換，甚至無法在制造廠按照通常的活化手段來恢復(fù)其性能。

　　因此，相比較而言，膜法制氧更適宜干法水泥爐窯。

　　八、膜法制氧的可操作性

　　膜法制氧控制過程簡單，泵開即開，泵停即停，本身無需控制，圍繞回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行富氧燃燒時(shí)設(shè)計(jì)的控制過程主要是機(jī)泵的保護(hù)、連鎖、故障報(bào)警以及流體分配，對(duì)結(jié)合水泥窯富氧燃燒進(jìn)行富氧純度、流量調(diào)節(jié)時(shí)，僅需簡單的改變真空泵的轉(zhuǎn)速和真空度參數(shù)即可滿足純度與流量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程連續(xù)供氧，無需緩沖容積。

　　九、膜法制氧對(duì)改造主體設(shè)備的安全性影響

　　膜法制氧直接自空氣中制取純度約為30%富氧，系統(tǒng)自開機(jī)1分鐘即可達(dá)到供氧純度，無需儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，無需混合空氣，可直接入爐，沒有因混合空氣環(huán)節(jié)帶來的安全性風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)對(duì)窯爐、噴槍、燃燒器等造成損害。使用更安全，并且也因?yàn)槟しㄖ蒲踹^程開機(jī)迅速，更有利于與窯爐的使用做更安全的無損工藝切換。

　　十、膜法制取富氧氣體的特性

　　膜法制氧過程有效的回收了動(dòng)力設(shè)備的壓縮能，其制取的是120℃左右的富氧，大量熱態(tài)富氧空氣折算等量功率，其制取能量消耗遠(yuǎn)低于變壓吸附方法，可大幅節(jié)約運(yùn)行成本。

　　十一、膜法制氧富氧助燃技術(shù)開辟了水泥爐窯節(jié)能減排的新篇章

　　水泥產(chǎn)業(yè)是工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其節(jié)能減排效果對(duì)完成我國能源消耗目標(biāo)、工業(yè)可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。

　　膜法制氧富氧助燃節(jié)能技術(shù)的誕生，就可稱為能源科技革命的突破性進(jìn)展。作為近代燃燒技術(shù)創(chuàng)新的一次重大突破，它較好的解決了窯爐燃燒中因缺氧導(dǎo)致熱效率低下的問題，并減少煙氣的排出，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，被譽(yù)為燃燒領(lǐng)域的“二次革命”，發(fā)達(dá)國家稱之為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”。

2011年4月，煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司研發(fā)生產(chǎn)的全國首臺(tái)MZYR-2500膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置在煙臺(tái)海洋水泥有限公司投入運(yùn)行。

2012年，煙臺(tái)華盛燃燒設(shè)備工程有限公司研發(fā)生產(chǎn)的MZYR-12000膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置在河南天瑞集團(tuán)汝州水泥日產(chǎn)5000噸的水泥回轉(zhuǎn)窯上投入試運(yùn)行。

目前，都江堰拉法基水泥有限公司、棗莊中聯(lián)水泥有限公司業(yè)正在安裝調(diào)試期間。

　　十二、目前存在的問題

　　新型干法水泥生產(chǎn)線應(yīng)用膜法制氧富氧助燃節(jié)能裝置，采用富氧煅燒工藝，比用空氣煅燒節(jié)能減排效果明顯、毋容置疑，但為何采用富氧助燃技術(shù)的爐窯節(jié)能效果有時(shí)出現(xiàn)反復(fù)。主要有以下原因：

　　1. 干法水泥爐窯的監(jiān)測(cè)儀表、窯操軟件都是按空氣煅燒工藝設(shè)計(jì)。自動(dòng)化程度越高，調(diào)整越難。

　　2. 現(xiàn)有的窯操員都是按空氣煅燒工藝培養(yǎng)出來的。

　　3. 現(xiàn)有的熟料煅燒工藝都是按空氣煅燒制定的。

　　4. 有時(shí)爐窯大修，更換燃燒器、羅茨風(fēng)機(jī)和煤種原因造成的。

　　如果干法水泥爐窯采用富氧煅燒工藝，需要調(diào)整二次風(fēng)溫，燒成帶的監(jiān)測(cè)儀表的位置（因?yàn)椴捎酶谎跞紵鹧骈L度變短，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)儀表位置布置不準(zhǔn)，顯示不出真實(shí)溫度）；操窯員應(yīng)按富氧煅燒工藝操作，工藝部門應(yīng)修改熟料富氧煅燒工藝，調(diào)整操作規(guī)程，鞏固提高富氧煅燒的節(jié)能效果。

　　十三、前景展望

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，我國新型干法水泥生產(chǎn)線達(dá)到1637條，設(shè)計(jì)熟料產(chǎn)能達(dá)16億噸。如果這些生產(chǎn)線全部采用目前膜法制氧富氧助燃節(jié)能技術(shù)，按照節(jié)煤10%計(jì)，年可節(jié)煤1997.55萬噸，每噸標(biāo)煤按980元計(jì)，全年可節(jié)約資金195.76億元人民幣。減少煙氣排放量163199.84萬Nm3，減少排放二氧化碳4993.88萬噸。如果新型干法水泥生產(chǎn)線采用膜法制氧全富氧助燃節(jié)能技術(shù)，節(jié)煤率可達(dá)30-40%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。因此，膜法制氧富氧助燃技術(shù)是目前工業(yè)爐窯實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降耗的重要手段和必由之路。該技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅能帶動(dòng)其他新生行業(yè)，而且標(biāo)志著我國工業(yè)爐窯節(jié)能改造在科技創(chuàng)新方面達(dá)到了新的高度。隨著國家的大力推廣節(jié)能減排產(chǎn)品，富氧助燃節(jié)能技術(shù)有望成為水泥行業(yè)繼純低溫余熱發(fā)電之后又一新舉措，將為我國建材行業(yè)節(jié)能減排和環(huán)保事業(yè)作出巨大貢獻(xiàn)。