水泥工业是重要的基础原材料工业，是国民经济发展的重要支柱产业。2013年我国水泥产量24.18亿t，规模以上水泥制造业能源消耗总量约为1.9亿t标准煤，占全国能源消耗总量的5.8%左右。因此，加快技术进步，促进水泥工业大幅度节能减排，是水泥工业发展面临的紧迫任务，也是实现经济社会发展和生态文明建设的主要内容。

富氧燃烧技术是指应用比通常空气（含氧21%）含氧浓度高的富氧空气进行燃烧的技术。因节能减排效果显著，目前已普遍应用于我国玻璃、冶金等行业。水泥行业作为能源消耗大户，在富氧燃烧技术上发展较为缓慢。目前，我国仅个别水泥企业采用了该技术。

富氧燃烧技术的研究为我国水泥工业节能减排提供了重要基础支撑。然而，诸多研究仅探讨了富氧燃烧技术自身优势，与水泥工业联系不够紧密；同时部分研究仅对富氧燃烧技术效果进行分析，无法准确分析其节能潜力。因此，本文以水泥行业为出发点，通过理论计算和实验研究，分析水泥窑用富氧燃烧技术的理论效果，并对其应用案例进行评述。

一、理论分析

采用富氧燃烧技术的水泥窑炉，由于入窑空气量减少、氧气浓度增大，具有燃烧温度高、火焰辐射强、煤粉起始反应温度低、燃尽率高等优势。

本文分别从上述几点分析水泥窑用富氧燃烧技术的理论效果，同时，以某1200t/d生产线为研究对象进行评述。

1、理论燃烧温度

在稳态、绝热、完全燃烧条件下，如果输入燃烧室的全部热量都用来提高燃烧产物的温度，即为理论燃烧温度。考虑入窑煤粉温度60℃，入窑一次空气温度30℃，二次空气温度1050℃，过剩空气系数1.1，则不同氧气浓度下煤粉的理论燃烧温度不同。

当氧气浓度由21%增加到25%和60%时，煤粉理论燃烧温度分别提高了约143℃和924℃，提高比例分别为6.5%和41.7%，效果显著。然而上述分析强调理论燃烧温度与煤粉颗粒周围氧气浓度的关系，而实际情况下，煤粉颗粒周围氧气浓度介于窑内整体氧浓度与通入富氧空气之间。以某1200t/d生产线为例，其采用的膜法制氧流量为2000Nm³/h，氧浓度达30%，且仅通入净风。化验显示净风中氧气浓度为27%。根据实际情况，煤风与净风的风量之比约为1∶4；且一次风量约占窑头总风量15%，则膜法富氧技术使一次风整体氧气浓度由21%提高至25.8%，使整体入窑气体氧浓度提高至21.7%。因此，煤粉颗粒周围氧气浓度应介于21.7%~25.8%，火焰温度提高约25~172℃。

然而熟料煅烧情况直接取决于火焰辐射量，而不是火焰温度，而前者与温度的四次方成正比，因此还需考虑火焰辐射量。

2、辐射换热量

研究表明，物料在回转窑内的温升主要来自辐射换热，包括烟气、窑内衬等辐射换热情况。富氧燃烧技术对辐射换热量的影响主要表现在燃烧温度的提高和烟气中非对称型双原子气体浓度的增加。而后者主要体现在入窑气体中热辐射能力较弱的对称型双原子气体N2的减少，该气体的减少可相对增加具有辐射能力和吸收能力的多原子气体（如和H2O）的浓度，从而提高烟气辐射率。

3、煤粉燃烧情况

应用富氧燃烧技术后，煤粉经燃烧器喷出有更低的起始反应温度，更快的燃烧速率，即在相同的停留时间下，煤粉燃尽率更高。取该生产线所用煤粉进行不同氧气浓度下的热重实验。

随着氧气浓度的增加，煤粉起始反应温度有了较为显著的下降。当氧气浓度为40%时，其起始反应温度较普通空气下降了近30℃，这将有助于煤粉的着火和水分含量较大煤粉的燃烧，同时为劣质煤的大规模应用提供了参考。

煤粉在水泥窑内燃烧所需氧气主要来自一、二次风，而其燃烧速率与固定碳的燃烧速度有显著关系。不同氧气浓度下，煤粉完全燃烧所需时间主要取决于氧气浓度。以普通空气下煤粉燃烧时间为基准，得出不同氧气浓度下煤粉完全燃烧所需时间。当氧气的浓度由21%提高至25%时，煤粉的燃烧时间即可缩短16%。在空间尺寸不变的情况下，由于煤粉燃尽时间缩短，煤粉燃尽的程度自然提高，这就减少了由于煤粉不完全燃烧所造成的热量损失，同时相应降低了CO等有害气体的排放。

二、结果与讨论

根据上述分析，可以得出以下结论：

（1）入窑氧气浓度的增加可以显著提高理论燃烧温度，增强窑内辐射换热量，降低煤粉起始反应温度，减少煤粉完全燃烧所需时间。

（2）实际应用中，当富氧空气流量较小时，其燃烧温度、辐射换热、煤粉起始反应温度和完全燃烧时间的变化取决于煤粉颗粒燃烧时周围氧气的浓度，而该浓度介于窑内整体氧气浓度和一次风氧气浓度之间。富氧燃烧技术的差异决定了该浓度的差别。目前，富氧燃烧技术作为水泥行业节能减排的新方法被广泛报道和论述。然而，应用该技术的不同窑炉效果不一。究其原因，在于应用富氧燃烧技术后，煤粉颗粒燃烧时周围的氧气浓度的差异。因此，在应用富氧燃烧技术时，水泥生产企业应根据实际情况，如燃料种类、燃烧器规格等，制定相应工作方案，使煤粉燃烧时周围氧气浓度得到较大提升，从而较大限度发挥富氧燃烧技术的优势。除此，由于燃料起始反应温度提前、燃烧温度提高等，企业还需适当调整回转窑等设备的操作习惯，使富氧燃烧技术得以有效应用，为我国水泥行业节能降耗提供新途径。