论文部分内容阅读
摘要：本文针对应用于氧化铝焙烧行业的气态悬浮焙烧炉进行了富氧燃烧及全空气燃烧时，在燃料量、烟气量、经济性等方面进行了对比计算及分析，通过计算分析富氧燃烧技术在气态悬浮焙烧炉设备上应用的可能性及前景。
关键词：气态悬浮焙烧炉；富氧燃烧；经济性
【分类号】：TF806.1
一、前言
富氧燃烧是通过提高助燃空气中的氧气比例强化燃烧，达到高效节能的目的。通常把含氧量大于21%的空气叫做富氧气体。富氧燃烧技术是以氧含量高于2l%的富氧气体作为助燃气体的一种高效强化燃烧技术。其特点是助燃空气量
和燃烧废气量都有所减少，燃烧反应速度加快，局部火焰温度提高，这有效提高了炉窑的热效率，使单位热耗降低。局部增氧是富氧气体使用的一种主要应用方式[3]。
富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）在绝大多数工业锅炉均适用，它既能提高劣质燃料的应用范圍，又能充分发挥优质燃料的性能。
二、焙烧炉富氧燃烧技术应用背景
氢氧化铝焙烧工序是氧化铝生产过程中的一个关键工序，对氧化铝产品指标有着至关重要的影响，但同时，氢氧化铝焙烧也是氧化铝生产过程中的耗能大户。气态悬浮焙烧炉在氧化铝生产行业已经得到了广泛的应用，不可否认该技术是目前用于氧化铝生产的焙烧方式中最成熟和先进的技术之一，但随着能源和环境要求的日益严格，国家、社会、生产企业等都把节能、减排做为头等大事来抓，以期降低生产成本、提高经济和社会效益、增强企业竞争力。
富氧燃烧技术做为一种高效节能方式，对于节能降耗、提高产量已经在水泥窑、冲天炉、玻璃窑炉、高炉等总舵的窑炉上已得到广泛的应用，对于燃油、燃气、燃煤等燃料的锅炉、窑炉都已经有许多成功案例，所以焙燒炉富氧燃烧技术在理论上完全是可行的，现依据借鉴富氧燃烧技术在其他窑炉热工设备上使用的经验进行设计计算。
三、富氧燃烧理论计算
3.1设计条件
（1）天然气成分
成分 CO CO2 H2 N2 O2 CH4 H2S 其他
% 0.65 2 0.4 2 0.05 92.9 0 0
Q低热=126.2VCO+107.8VH2+359.1VCH4+231.2VH2S=7999.41kcal/Mm3
计算时热值按8000kcal/Nm3计算
（2）预热空气温度：700℃；
（3）富氧空气温度：300℃；
（4）富氧空气氧含量：28%；
（5）富氧空气占总空气量的比例：8%；
（6）外排烟气温度：150℃；
（7）主炉温度：1150℃；
（8）空气温度：20℃；
（9）空气过剩系数：富氧：1.16，全空气：1.2；
（10）系统散热损失：按热收入的5%计。
3.2燃烧计算
以1Nm3天然气为基准计算（表1）：
项目
（Nm3/Nm3-天然气） 富氧
（Nm3/Nm3-天然气） 全空气
（Nm3/Nm3-天然气）
理论需氧量 1.863 1.863
理论富氧空气量 0.691
理论一次干空气量 7.949 8.870
实际干空气量 10.022 10.644
实际湿空气量 10.113 10.741
燃烧产物 11.058 11.790
3.3热平衡计算
以生产1kg氧化铝为基准计算
（1）富氧燃烧（表2）
热收入 热支出
名称 kJ/kg % 名称 kJ/kg %
天然气燃烧热 2829.17 93.93 焙烧反应热 2050.77 68.08
天然气显热 4.08 0.14 附水蒸发热 267.97 8.90
氢氧化铝显热 89.46 2.97 焙烧产物带走热 192.62 6.39
富氧空气带入热 27.56 预热空气带走热 7.26
空气显热 9.15 0.30 水蒸气带走热 149.65 4.97
返灰带入热 32.29 1.07 成品氧化铝带走热 160.92 5.34
AH附水显热 20.40 0.68 粉尘带走热 32.33 1.07
系统散热 150.61 5
合计 3012.12 3012.12
（2）全空气燃烧（表3）
热收入 热支出
名称 kJ/kg % 名称 kJ/kg %
天然气燃烧热 2862.78 94.80 焙烧反应热 2050.77 67.91
天然气显热 4.13 0.14 附水蒸发热 267.97 8.87
氢氧化铝显热 89.46 2.96 焙烧产物带走热 207.13 6.86
空气显热 10.69 0.35 水蒸气带走热 149.65 4.96
返灰带入热 32.29 1.07 成品氧化铝带走热 160.92 5.33
AH附水显热 20.40 0.68 粉尘带走热 32.33 1.07
系统散热 150.99 5
合计 3019.76 3019.76
3.4分析
通过表1的对比可知，采用局部富氧燃烧后，燃烧产物相对全空气燃烧减少约（11.790-11.058）/11.790×100%=6.2%，根据热平衡计算综合对比可以看到，富氧8%状态下，焙烧1kg氧化铝需要天然气量为0.0844Nm3，全空气燃烧则需天然气0.0855Nm3，燃料消耗量降低（0.0855-0.0844）/0.0855×100%=1.3%
采用富氧燃烧后增加了氧气浓度，使得助燃空气中不燃成分尤其是氮气量减少，进而减少了燃烧产物的体积，外排烟气带走的热量损失降低，提高了炉体的热效率，从而节省燃料。
以日产1850t的气态悬浮焙烧炉为例：
每小时可生产氧化铝Q产=1850÷24=77.083t/h
富氧前：
所需燃料量为Q燃=77.083×1000×0.0855=6590.6Nm3/h
外排烟气量为Q烟=77.083×0.0855×11.790×1000=77703.5Nm3/h
采用局部富氧技术：
消耗燃料天然气量为Q燃=77.083×0.0844×1000=6505.8Nm3/h
外排烟气量为Q烟=77.083×0.0844×1000×11.058=71941.2Nm3/h
与全空气燃烧相比，燃料消耗量减少84.8Nm3/h，外排烟气量减少5762.3Nm3/h。则全年节省燃料量和减少烟气外排量分别为742848Nm3/a和50477748Nm3/a。天然气按3.5元/Nm3计，则每年可节省燃料成本260万元。
4、结论
（1）通过对1850t/d气态悬浮焙烧炉计算可知，采用富氧燃烧对比全空气燃烧具有明显的优势，可以节省燃料1.3%，降低排放7.42%，年节省燃料费用260万元，并可节省基建投资，降低排放，有利于设备提产，具有明显的经济及社会效益。
（2）富氧燃烧技术能够显著的提高燃烧效率，降低排放，节省燃料，在水泥、玻璃、锅炉等行业及设备上已有成功应用，因此在氧化铝生产行业也完全可以实现，具有广阔的发展前景。
（3）富氧燃烧在气态悬浮焙烧炉上应用的具体方案需要在设计中根据行业及设备特点进一步详细设计。
关键词：气态悬浮焙烧炉；富氧燃烧；经济性
【分类号】：TF806.1
一、前言
富氧燃烧是通过提高助燃空气中的氧气比例强化燃烧，达到高效节能的目的。通常把含氧量大于21%的空气叫做富氧气体。富氧燃烧技术是以氧含量高于2l%的富氧气体作为助燃气体的一种高效强化燃烧技术。其特点是助燃空气量
和燃烧废气量都有所减少，燃烧反应速度加快，局部火焰温度提高，这有效提高了炉窑的热效率，使单位热耗降低。局部增氧是富氧气体使用的一种主要应用方式[3]。
富氧燃烧对所有燃料（包括气体、液体和固体）在绝大多数工业锅炉均适用，它既能提高劣质燃料的应用范圍，又能充分发挥优质燃料的性能。
二、焙烧炉富氧燃烧技术应用背景
氢氧化铝焙烧工序是氧化铝生产过程中的一个关键工序，对氧化铝产品指标有着至关重要的影响，但同时，氢氧化铝焙烧也是氧化铝生产过程中的耗能大户。气态悬浮焙烧炉在氧化铝生产行业已经得到了广泛的应用，不可否认该技术是目前用于氧化铝生产的焙烧方式中最成熟和先进的技术之一，但随着能源和环境要求的日益严格，国家、社会、生产企业等都把节能、减排做为头等大事来抓，以期降低生产成本、提高经济和社会效益、增强企业竞争力。
富氧燃烧技术做为一种高效节能方式，对于节能降耗、提高产量已经在水泥窑、冲天炉、玻璃窑炉、高炉等总舵的窑炉上已得到广泛的应用，对于燃油、燃气、燃煤等燃料的锅炉、窑炉都已经有许多成功案例，所以焙燒炉富氧燃烧技术在理论上完全是可行的，现依据借鉴富氧燃烧技术在其他窑炉热工设备上使用的经验进行设计计算。
三、富氧燃烧理论计算
3.1设计条件
（1）天然气成分
成分 CO CO2 H2 N2 O2 CH4 H2S 其他
% 0.65 2 0.4 2 0.05 92.9 0 0
Q低热=126.2VCO+107.8VH2+359.1VCH4+231.2VH2S=7999.41kcal/Mm3
计算时热值按8000kcal/Nm3计算
（2）预热空气温度：700℃；
（3）富氧空气温度：300℃；
（4）富氧空气氧含量：28%；
（5）富氧空气占总空气量的比例：8%；
（6）外排烟气温度：150℃；
（7）主炉温度：1150℃；
（8）空气温度：20℃；
（9）空气过剩系数：富氧：1.16，全空气：1.2；
（10）系统散热损失：按热收入的5%计。
3.2燃烧计算
以1Nm3天然气为基准计算（表1）：
项目
（Nm3/Nm3-天然气） 富氧
（Nm3/Nm3-天然气） 全空气
（Nm3/Nm3-天然气）
理论需氧量 1.863 1.863
理论富氧空气量 0.691
理论一次干空气量 7.949 8.870
实际干空气量 10.022 10.644
实际湿空气量 10.113 10.741
燃烧产物 11.058 11.790
3.3热平衡计算
以生产1kg氧化铝为基准计算
（1）富氧燃烧（表2）
热收入 热支出
名称 kJ/kg % 名称 kJ/kg %
天然气燃烧热 2829.17 93.93 焙烧反应热 2050.77 68.08
天然气显热 4.08 0.14 附水蒸发热 267.97 8.90
氢氧化铝显热 89.46 2.97 焙烧产物带走热 192.62 6.39
富氧空气带入热 27.56 预热空气带走热 7.26
空气显热 9.15 0.30 水蒸气带走热 149.65 4.97
返灰带入热 32.29 1.07 成品氧化铝带走热 160.92 5.34
AH附水显热 20.40 0.68 粉尘带走热 32.33 1.07
系统散热 150.61 5
合计 3012.12 3012.12
（2）全空气燃烧（表3）
热收入 热支出
名称 kJ/kg % 名称 kJ/kg %
天然气燃烧热 2862.78 94.80 焙烧反应热 2050.77 67.91
天然气显热 4.13 0.14 附水蒸发热 267.97 8.87
氢氧化铝显热 89.46 2.96 焙烧产物带走热 207.13 6.86
空气显热 10.69 0.35 水蒸气带走热 149.65 4.96
返灰带入热 32.29 1.07 成品氧化铝带走热 160.92 5.33
AH附水显热 20.40 0.68 粉尘带走热 32.33 1.07
系统散热 150.99 5
合计 3019.76 3019.76
3.4分析
通过表1的对比可知，采用局部富氧燃烧后，燃烧产物相对全空气燃烧减少约（11.790-11.058）/11.790×100%=6.2%，根据热平衡计算综合对比可以看到，富氧8%状态下，焙烧1kg氧化铝需要天然气量为0.0844Nm3，全空气燃烧则需天然气0.0855Nm3，燃料消耗量降低（0.0855-0.0844）/0.0855×100%=1.3%
采用富氧燃烧后增加了氧气浓度，使得助燃空气中不燃成分尤其是氮气量减少，进而减少了燃烧产物的体积，外排烟气带走的热量损失降低，提高了炉体的热效率，从而节省燃料。
以日产1850t的气态悬浮焙烧炉为例：
每小时可生产氧化铝Q产=1850÷24=77.083t/h
富氧前：
所需燃料量为Q燃=77.083×1000×0.0855=6590.6Nm3/h
外排烟气量为Q烟=77.083×0.0855×11.790×1000=77703.5Nm3/h
采用局部富氧技术：
消耗燃料天然气量为Q燃=77.083×0.0844×1000=6505.8Nm3/h
外排烟气量为Q烟=77.083×0.0844×1000×11.058=71941.2Nm3/h
与全空气燃烧相比，燃料消耗量减少84.8Nm3/h，外排烟气量减少5762.3Nm3/h。则全年节省燃料量和减少烟气外排量分别为742848Nm3/a和50477748Nm3/a。天然气按3.5元/Nm3计，则每年可节省燃料成本260万元。
4、结论
（1）通过对1850t/d气态悬浮焙烧炉计算可知，采用富氧燃烧对比全空气燃烧具有明显的优势，可以节省燃料1.3%，降低排放7.42%，年节省燃料费用260万元，并可节省基建投资，降低排放，有利于设备提产，具有明显的经济及社会效益。
（2）富氧燃烧技术能够显著的提高燃烧效率，降低排放，节省燃料，在水泥、玻璃、锅炉等行业及设备上已有成功应用，因此在氧化铝生产行业也完全可以实现，具有广阔的发展前景。
（3）富氧燃烧在气态悬浮焙烧炉上应用的具体方案需要在设计中根据行业及设备特点进一步详细设计。