富氧燃燒技術指利用比空氣中含氧濃度高的富氧空氣或氣體進行燃燒的技術，該技術起源于美國，我國20世紀80年代開始在冶金行業使用，目前在冶金、玻璃等行業逐步成熟。我國水泥工業富氧燃燒在20世紀90年代開始探索，但發展較為緩慢，隨著水泥工業對節能減排的重視程度逐步提升，使用燃料的品質逐步下降，劣質燃料、替代燃料逐漸在水泥工業上使用，富氧燃燒又引起水泥工業的重視。

水泥工業熟料燒成系統的燃料燃燒主要發生于兩大熱工設備——回轉窯與分解爐，尤其是回轉窯內燃燒，燃燒速率、火焰溫度、火焰形狀、輻射等燃燒性能均對水泥熟料煅燒起著重要作用。回轉窯內富氧氣氛可明顯改善回轉窯內燃料燃燒性能，對提升火焰品質、改善劣質燃燒與替代燃料燃燒性能有明顯的正向作用，因此富氧燃燒又被稱為“資源創造性技術”。另外，空氣中含量較多的氮氣不能助燃，還減小了氧氣與燃料的接觸面積，影響燃料的高效燃燒、燃盡，高溫環境下還生成污染物NOx，富氧燃燒可以明顯減小氮氣的負面影響，無論是回轉窯，還是分解爐，提高氧氣含量進行富氧燃燒，可降低燃燒后煙氣量，對提高燃燒性能、降低氮氧化物均有益處。

 

根據分解爐與回轉窯的關聯布置方式，分解爐有在線分解爐、離線分解爐兩種形式，在線分解爐主要特征為回轉窯產生的煙氣進入分解爐（窯爐串聯的形式），離線分解爐主要特征為回轉窯產生的煙氣不進入分解爐（窯氣、爐氣并聯的形式）；根據分解爐與回轉窯的功能特點，富氧燃燒方式主要有回轉窯內富氧燃燒、分解爐內富氧燃燒、整個燒成系統富氧燃燒以及對應的帶煙氣循環富集二氧化碳的富氧燃燒方式；根據是否帶循環煙氣，富氧燃燒分為兩大類：無循環煙氣的富氧燃燒與帶循環煙氣的富氧燃燒，詳細闡述如下。

1　無煙氣循環的富氧燃燒

在空氣或加熱空氣作為燃燒氣體的基礎上，通過增加富氧來提高燃燒空氣中的氧氣濃度，來實現燃料的富氧燃燒。

1.1　回轉窯內富氧燃燒

為區別整個燒成系統與單獨分解爐內富氧燃燒，回轉窯內富氧燃燒指在回轉窯內實行燃料富氧燃燒、而分解爐不實行富氧燃燒的方式。具體實現方式：制備氧含量高于21%的富氧空氣，通入回轉窯內進行窯內富氧燃燒，入窯方式有兩種：富氧氣體可與一次風（如圖1所示）一起通過窯頭燃燒器進入窯內，通過改善燃燒器的燃燒性能，提高燃燒集中度與火焰強度；也可將富氧氣體單獨由富氧通道送入回轉窯內，或作為冷卻風通過冷卻機、小窯頭罩，作為富氧二次風（三次風不從窯頭罩取風，而是單獨從小窯頭罩后的冷卻機殼體取風）進入回轉窯，進行回轉窯內燃料富氧燃燒，來改善燃料燃燒性能。無論是離線分解爐還是在線分解爐，本文所指的回轉窯內（單獨）富氧燃燒，分解爐內均不實行富氧燃燒，盡管在線分解爐內會受到窯內煙氣的影響，但回轉窯富氧燃燒產生的煙氣中的氧氣含量已經很低（氧氣含量一般控制在0.5%~3%，可通過過剩空氣系數控制煙氣中含氧比例），對分解爐內的氣氛尤其是氧含量影響不會太大，分解爐內非富氧燃燒所需氧氣主要來自燒成系統的三次風（也可以說是來自冷卻機的熱空氣）。另外，無循環煙氣的回轉窯富氧燃燒，氧氣濃度提升過高，會存在火焰溫度過高、爆燃等燃燒安全隱患，難以實現穩定的較高氧氣濃度的富氧或全氧燃燒，因此氧氣濃度提高會受到一定的限制。

 

圖1　富氧/全氧通過一次風進入回轉窯流程 

1.2　分解爐內富氧燃燒

為區別整個燒成系統富氧燃燒，在分解爐內富氧燃燒指分解爐內實行燃料富氧燃燒、而回轉窯內不實行富氧燃燒。具體實現方式：制備氧含量高于21%的富氧氣體，通入三次風管，與三次風一起組成富氧熱氣體送入分解爐，如圖2所示的方式2，以供分解爐燃料燃燒用，實現分解爐內富氧燃燒；或單獨用管道將制備的富氧氣體通入分解爐內，如圖2所示的方式1，使得分解爐內燃料燃燒前氧氣濃度增加，在分解爐內燃料燃燒前形成富氧氣氛，進行分解爐內富氧燃燒。

圖2　富氧/全氧入三次風管或分解爐流程

若分解爐為離線分解爐，進行分解爐內富氧燃燒不受回轉窯內煙氣成分的影響；若分解爐為在線分解爐，分解爐內富氧燃燒會受到回轉窯煙氣成分的影響，尤其是二氧化碳含量的影響。二氧化碳對分解爐內生料分解與燃料燃燒具有一定的負面作用，由于二氧化碳體積百分數較小（窯內煙氣與三次風混合后的燃前煙氣中，二氧化碳體積百分比一般在7%以下），低于7%的二氧化碳體積比所產生的負面影響有限，而分解爐內采用富氧燃燒又改善了燃料燃燒，可以通過富氧來彌補二氧化碳的負面影響。

 

分解爐內進行富氧燃燒時對火焰要求沒有窯頭燃燒器高，且能夠通過富氧程度來彌補稍高濃度二氧化碳對燃料燃燒的負面影響，當氧氣濃度提高后，煙氣中的二氧化碳濃度會提高，一定程度上影響生料分解，因此分解爐富氧燃燒面對的主要難點是高濃度二氧化碳環境下生料的分解。

1.3　整個燒成系統富氧燃燒

整個燒成系統富氧燃燒指回轉窯、分解爐均通入富氧氣體，來提升燃料燃前燃燒氣體的氧氣體積百分比。具體實現方式：將制備的富氧氣體通過冷卻機風機引入冷卻機，與熟料換熱后以富氧高溫二次風、富氧高溫三次風的方式分別進入回轉窯與分解爐；也可通過單獨通道（含一次風通道）將富氧通入回轉窯與分解爐（或三次風管），實現回轉窯、分解爐內燃料的富氧燃燒。

無論是離線分解爐，還是在線分解爐，整個燒成系統富氧燃燒可實現分解爐與回轉窯在高濃度氧氣下的燃料燃燒，對燃料燃燒與煙氣量降低均是正向影響，由于氧氣濃度的提升，降低了煙氣中的氮氣比例，可一定程度上提高最終煙氣中的二氧化碳體積百分比。

2　帶煙氣循環的富氧燃燒

由于富氧燃燒會帶來煙氣量的降低，燃前氣體氧氣含量越高，產生的煙氣量越低，預熱預分解系統的料氣比越大，當煙氣量不能滿足分解爐、預熱器帶料能力時，需要額外引進外界氣體來補充煙氣量。將窯尾煙氣循環至燒成系統是可行的技術路線，在保證燃料燃燒用氧氣量的前提下，通過窯尾煙氣循環來提高系統內煙氣量（主要提高二氧化碳等非燃燒氣體量），來降低系統內的料氣比，以滿足氣體攜帶物料的能力。煙氣循環利用一定程度上提高了系統氣體中的二氧化碳濃度，由于二氧化碳屬于滅火惰性氣體，且對燒成系統的生料分解與燃料燃燒具有負面的影響，是水泥工業需要引起重視的問題。

水泥工業帶煙氣循環的富氧燃燒工藝優勢為大幅提升二氧化碳濃度，降低空氣用量，最大限度地降低了氮氣的含量，且可以通過煙氣循環量來調節分解爐、預熱器系統的料氣比，以適應煙氣的帶料能力；劣勢為燃料燃燒前的氣體成分中二氧化碳含量較大，一定程度上影響燃料燃燒與生料分解。

帶循環煙氣的富氧燃燒可分為三種形式，詳細闡述如下。

 

2.1　帶循環煙氣的回轉窯內富氧燃燒

窯尾煙氣單獨循環至回轉窯，該部分煙氣溫度比常規新型干法水泥生產線的二次風溫低，需要預熱后再進入回轉窯，根據水泥燒成工藝的特點，該部分循環煙氣通過與熟料換熱實現預熱，是較為合適的技術方案。為實現回轉窯內富氧燃燒而分解爐不富氧燃燒，燒成窯頭需設計為小窯頭罩，循環煙氣與制備的富氧或全氧進行混合后（氧氣量滿足回轉窯內燃料燃燒用，通過循環煙氣與富氧或全氧比例的調節，實現入回轉窯的氣體富含氧氣與二氧化碳，且滿足熟料冷卻與新型干法關鍵熱工裝備風速的要求），進入熟料冷卻機的前端，與熟料進行換熱，將匯合煙氣加熱至1?100 ℃以上（將這部分通過熟料預熱的混合氣體稱為“窯頭富氧燃燒二次風”），再通過小窯頭罩進入回轉窯，在回轉窯內實現帶循環煙氣的富氧燃燒，工藝流程如圖3。

圖3　富CO2/O2混合煙氣通過冷卻機入窯流程 

帶循環煙氣的回轉窯富氧燃燒與不帶循環煙氣的回轉窯富氧燃燒相比，最大的區別是入回轉窯的熱氣體含有較高濃度的二氧化碳（燃料燃前、燃后均較常規生產線高），高濃度的二氧化碳環境對回轉窯內燃料的燃燒速率、火焰溫度與集中度等有著負面影響，甚至會影響熟料煅燒，需要通過富氧與二氧化碳耦合作用以及專用燃燒器的開發來調節燃料燃燒性能，這是未來研究攻關帶循環煙氣的回轉窯內富氧燃燒的重點內容之一。

 

單獨回轉窯內實現帶煙氣循環的富氧燃燒，可以在窯尾形成高濃度的二氧化碳，若這部分含有高濃度二氧化碳的煙氣進入分解爐，而分解爐內采用空氣燃燒，由于分解爐內產生的煙氣量比回轉窯內大，最終煙氣中二氧化碳濃度并不太高。如回轉窯內二氧化碳體積比從常規約15%提升至50%，考慮一定的富氧與富二氧化碳形成的混合煙氣作為入窯燃前氣體，風量按0.3 Nm3/kg.cl估算，最終窯尾煙氣按照1.2 Nm3/kg.cl計算，最終窯尾煙氣中二氧化碳體積比只有40%左右，常規空氣燃燒生產線最終窯尾煙氣中二氧化碳濃度約30%，也就提高10%左右。若分解爐為離線分解爐，預熱器為雙系列預熱器，回轉窯的煙氣直接進入一列預熱器（一般稱為窯列預熱器），分解爐的煙氣進入另一列預熱器（一般稱為爐列預熱器），窯列預熱器則可以形成高濃度二氧化碳煙氣，但存在一個問題：分解爐內燃料量比例較大且碳酸鹽在爐內分解，理論上煙氣量比窯列大，會導致兩列預熱器煙氣量存在差別，給預熱器的開發與操作帶來一定的難度。

2.2　帶循環煙氣的分解爐內富氧燃燒

窯尾煙氣單獨循環至分解爐，分解爐內燃料燃前的氣體為富氧、富二氧化碳氣體，循環煙氣與富氧或全氧匯合進入分解爐而不進入回轉窯，有兩種方式實現：第一種方式，將循環煙氣與富氧或全氧混合后通入三次風管，由三次風管送往分解爐，可在分解爐內實現帶循環煙氣的富氧燃燒，工藝流程如圖4所示；第二種方式，將循環煙氣與富氧或全氧混合后通入熟料冷卻機，與熟料換熱后形成高溫的富含氧氣與二氧化碳的混合氣體，通過冷卻機單獨取風口與三次風管送入分解爐，在分解爐內實現帶循環煙氣的富氧燃燒，工藝流程如圖5所示，需要注意的是經過冷卻機后入三次風管的氣體成分會受到冷卻機其他空氣熱風的影響。

圖4　富CO2/O2混合煙氣入三次風管流程

若分解爐為離線分解爐，回轉窯煙氣不進入分解爐，進行分解爐內富氧燃燒不受回轉窯內煙氣的影響，通過提高制備氧氣的濃度與系統漏風控制，可以大幅提高離線分解爐中的二氧化碳濃度；若分解爐為在線分解爐，回轉窯煙氣進入分解爐，進行分解爐內富氧燃燒會受回轉窯煙氣的影響，且最后形成的煙氣量較大，二氧化碳濃度的富集提高也受回轉窯煙氣成分的影響。單獨在線分解爐富氧燃燒、回轉窯不富氧燃燒，回轉窯內形成的煙氣含有較大比例的氮氣，會降低最終出分解爐煙氣中的二氧化碳濃度。從提高系統煙氣中二氧化碳濃度的角度出發，為后續二氧化碳低能耗捕集、提純提供技術支撐，采用離線分解爐較為合理，可以避開回轉窯內煙氣的影響。

 

圖5　富CO2/O2混合煙氣通過冷卻機入三次風管流程 

從二氧化碳捕集提純的市場需求與捕集規模考慮，目前還難以將整條水泥生產線進行全部捕集。一條5?000 t/d的水泥熟料生產線，窯尾煙氣年排二氧化碳在100萬噸以上（運轉率按照80%~85%計算），目前市場規模很難將整條窯系統排出的二氧化碳進行捕集、提純與利用，進行部分富集、捕集與提純利用較為合理。根據二氧化碳富集與捕集利用規模，在原水泥窯生產線窯尾旁新建一套窯尾系統，自帶的分解爐采用離線的形式，在新建的離線分解爐內實行自身系統的煙氣循環與富氧或全氧燃燒，通過制氧濃度的提高與系統漏風的嚴格控制，實現煙氣中二氧化碳的高濃度富集，為后續二氧化碳的低成本捕集、提純、利用打下基礎。

2.3　帶循環煙氣的整個燒成系統富氧燃燒

將整個燒成系統的部分窯尾煙氣（稱為循環煙氣）與制備的氧氣引入回轉窯與分解爐，在回轉窯與分解爐內燃料燃前均形成富氧、富二氧化碳氣體，可實現帶循環煙氣的整個燒成系統富氧燃燒。由于窯尾循環煙氣、制備的氧氣溫度遠低于常規新型干法水泥生產線的二次風、三次風風溫，為進一步提高循環煙氣與制備氧氣的溫度，以降低整個燒成系統的熱耗，根據水泥燒成系統的工藝特點，分別將循環煙氣與制備氧氣引入冷卻機的固定端與活動床的前端，通過在冷卻熟料過程中與熟料換熱，形成溫度較高的富氧、富二氧化碳氣體，作為回轉窯與分解爐的燃料燃前氣體（稱為“帶循環煙氣的富氧燃燒燒成系統的二次風與三次風”，燃前氣體總的氧氣量需滿足燃料燃燒需求，通過循環煙氣與制備高濃度氧氣的比例調節，可以改變燃料燃前二氧化碳與氧氣的體積百分比），入回轉窯與分解爐的氧氣量需要按照回轉窯與分解爐燃料的比例進行分配設計；也可先將循環煙氣與制備的氧氣進行混合，形成富氧、富二氧化碳的混合氣體，然后通入冷卻機與熟料換熱，形成高溫混合氣體，作為回轉窯與分解爐內燃料的燃前供氧氣體，其中氧氣總含量同樣需滿足總燃料燃燒要求，入回轉窯的氧氣含量與入分解爐的氧氣含量需分別滿足回轉窯與分解爐內燃料的燃燒要求，整個燒成系統富氧燃燒工藝流程如圖6所示。

 

圖6　整個燒成系統富氧燃燒流程

通過煙氣循環與制備氧氣的混合以及與熟料換熱，形成高溫富氧、富二氧化碳氣體，來實現整個燒成系統的富氧燃燒，和整個燒成系統煙氣中的二氧化碳富集與濃度提高，該技術方案可為后續整條水泥熟料生產線窯尾煙氣的全部低成本捕集、提純提供技術支撐，也為水泥熟料燒成系統的二氧化碳零排放提供了可能；通過煙氣循環量的調節控制，可以使得回轉窯、分解爐內的料氣比與常規新型干法水泥熟料燒成系統相接近，尤其是可以更好地滿足窯尾煙氣的帶料能力，降低系統塌料與帶料難的風險。

3　水泥工業富氧燃燒的發展方向

水泥工業最早的富氧燃燒方案主要是從燃料高效燃盡、提高燃燒火焰集中度、提高水泥燒成系統產量與質量、改善難燃燃料與替代燃料的燃燒狀態等角度進行設計，燃料燃前氧氣濃度只是適當提高，并沒有對煙氣量、二氧化碳濃度改變太多，水泥燒成系統尤其是窯尾系統的料氣比只是稍有提高，且還在正常料氣比的波動范圍內，水泥工業富氧燃燒得到的效果主要有：適當降低燒成系統熱耗，提高系統熟料產量，改善難燃燃料的燃燒狀態等。

隨著全球對碳減排的迫切要求，以及“碳達峰、碳中和”目標的提出與各項碳減排政策的響應，水泥工業二氧化碳減排與捕集利用逐步提上日程，其中通過提高水泥工業煙氣中二氧化碳濃度實現二氧化碳低成本捕集、提純與利用，是一項可行的技術路線。將水泥工業富氧燃燒逐步提升至全氧燃燒（供氧燃燒氣體中氧氣比例一般在85%以上），最大程度地提高水泥工業煙氣中的二氧化碳濃度，通過制備全氧甚至純氧，結合窯尾煙氣循環利用，可以最大限度地將系統中氮氣（傳統水泥工業的熱空氣燃燒會給水泥窯尾煙氣帶來比例較大的氮氣含量）排除，再通過二氧化碳捕集、提純可以獲得高濃度的二氧化碳，制備成各種工業、農業、生活所需的二氧化碳產品。

通過煙氣循環與氧氣搭配，實現水泥工業富氧耦合燃燒與煅燒；水泥工業常規空氣燃燒，煙氣中主要成分主要為氮氣、二氧化碳、水汽、剩余過剩氧氣（體積含量從高到低列出）等，其中氮氣、二氧化碳占比較大，想大幅提高二氧化碳濃度（≥70%），需要將氮氣排除或不引入水泥燒成系統。由于水泥工業煙氣量較大，將煙氣中氮氣采用燃后排除成本較高。將空氣中氧氮分離，制備高濃度氧氣，將制備的氧氣通入水泥燒成系統，再將部分煙氣循環至水泥燒成系統，形成富氧富二氧化碳的燃前煙氣，以滿足水泥工業生料預熱預分解、熟料煅燒與冷卻機換熱等工藝要求，可以實現水泥工業中高濃度二氧化碳煙氣的生成，煙氣中二氧化碳濃度越高，后續捕集、提純、利用等成本越低。

綜上，水泥工業帶煙氣循環的富氧燃燒或全氧燃燒比較符合新型干法水泥的工藝特點，是未來水泥工業燒成系統新工藝流程再造的發展方向，也是水泥科技工作者在碳減排技術領域重點研究攻關的方向之一。由于燃前氣體中二氧化碳濃度的提高，給燃料燃燒與生料分解帶來困難，需要水泥科技人員去研究攻關、打破技術瓶頸，為水泥工業二氧化碳富集與捕集利用提供核心技術支撐，為水泥工業早日實現“碳達峰、碳中和”與低碳綠色發展做出貢獻。

4　小結

根據新型干法水泥工藝的特點，水泥燒成系統富氧燃燒分為無循環煙氣的富氧燃燒與帶煙氣循環的富氧燃燒，通過制備氧氣在水泥燒成系統加入位置不同，可實現回轉窯內富氧燃燒、分解爐內富氧燃燒與整個燒成系統富氧燃燒；根據新型干法水泥窯尾系統的工藝特點，結合水泥工業碳減排與低碳水泥發展的需要，帶循環煙氣的水泥燒成系統富氧燃燒或全氧燃燒新工藝，是未來水泥工業實現“碳達峰、碳中和”的重要研究與發展方向，需要水泥科技人員去攻關研究。