摘要：本文介紹了變壓吸附制氧技術(shù)在水泥生產(chǎn)行業(yè)技術(shù)改造的應(yīng)用方向，并以韓國(guó)某水泥廠的實(shí)際改造情況為例，介紹了水泥爐窯采用變壓吸附制氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)富氧燃燒的改造應(yīng)用效果，以及變壓吸附制氧技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 變壓吸附 VPSA 制氧 水泥 爐窯 富氧燃燒

0. 引言

自1985年起，中國(guó)作為水泥制造大國(guó)已連續(xù)37年蟬聯(lián)水泥產(chǎn)量全球第一位，水泥生產(chǎn)行業(yè)因其高能耗屬性也成為節(jié)能減排重點(diǎn)改造的行業(yè)之一。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，水泥爐窯是水泥生產(chǎn)的核心燃煤煅燒裝備，在水泥廠的總能耗及排碳量中占有相當(dāng)大比例。富氧燃燒技術(shù)是水泥行業(yè)國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能低碳推廣項(xiàng)目，采用該技術(shù)對(duì)水泥窯爐送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造后，對(duì)燃料的燃燒性能及熟料的產(chǎn)量均有積極作用。變壓吸附制氧技術(shù)因其建設(shè)周期短、規(guī)模適應(yīng)性強(qiáng)、操作靈活、開(kāi)停車(chē)方便等特點(diǎn)，成為該類(lèi)技術(shù)改造項(xiàng)目中的首選應(yīng)用。

1. 變壓吸附制氧技術(shù)在水泥生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)改造應(yīng)用方向

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，能源成本占總生產(chǎn)成本的50%以上，而爐窯作為水泥生產(chǎn)中的核心煅燒設(shè)備，也是水泥生產(chǎn)過(guò)程中消耗燃料最多的設(shè)備。水泥爐窯通常采用煤粉作為燃料，將其送入燃燒器、借助鼓風(fēng)機(jī)送入的空氣進(jìn)行燃燒。若采用富氧燃燒技術(shù)，借助高于空氣組成的氧含量可以實(shí)現(xiàn)更好的助燃效果，使得燃料燃燒更為充分，提高煤粉的燃燒溫度、縮短燃盡時(shí)間，進(jìn)而提升系統(tǒng)的綜合燃料效率；此外，由于富氧燃燒可以提高火焰的燃燒溫度、且燃燒氛圍穩(wěn)定，可以增強(qiáng)熟料強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了水泥熟料的產(chǎn)量。

變壓吸附（VPSA）制氧技術(shù)可適用于各種規(guī)模的水泥窯爐，可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或一對(duì)多操作，建設(shè)周期短、操作靈活、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，在節(jié)能改造項(xiàng)目中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2. 變壓吸附兩塔制氧技術(shù)在韓國(guó)某水泥廠的應(yīng)用

2021年，韓國(guó)某水泥廠欲對(duì)其水泥爐窯進(jìn)行富氧燃燒技術(shù)改造。由于韓國(guó)當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)的特殊性，煤燃料主要依賴(lài)于進(jìn)口，為進(jìn)一步降低成本，推廣可替代燃料、進(jìn)一步提升燃燒效率成為迫在眉睫的技改需求。由于廠內(nèi)可利用面積較小，可供制氧站使用的面積僅為21.6mx25.4m，且用氣點(diǎn)較為分散、共計(jì)7個(gè)用氣點(diǎn)，該韓國(guó)水泥廠在綜合比較深冷分離、膜分離和變壓吸附等生產(chǎn)工藝之后，決定采用北大先鋒的變壓吸附（VPSA）制氧技術(shù)對(duì)現(xiàn)有供氣系統(tǒng)進(jìn)行改造。氧氣產(chǎn)量需求為5000Nm³/h，氧氣純度為90%。

此次技改采用VPSA兩塔制氧技術(shù)對(duì)原有的供氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用一對(duì)多的形式，將VPSA兩塔制氧裝置得到的壓力為20~30kPa、產(chǎn)量為5000Nm³/h、純度為90%的產(chǎn)品氧氣，增壓至150kPa后分別送至廠內(nèi)的7個(gè)爐窯，在各個(gè)用氣點(diǎn)根據(jù)用氧需要進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

技改完成、裝置開(kāi)車(chē)后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定：?jiǎn)为?dú)使用煤粉作為燃料時(shí)，與改造前相比燃煤用量有所下降；在使用替代性的燃料時(shí)，富氧氛圍下塑料燃燒更充分、熱效率提升。此外，熟料產(chǎn)量同比提升百分之十以上。與原生產(chǎn)參數(shù)相比，改造后窯爐的各項(xiàng)生產(chǎn)參數(shù)更加穩(wěn)定。在技術(shù)改造后，替代性燃料（塑料垃圾）的使用比例上升，不僅減少了燃煤費(fèi)用，而且由于處理了塑料垃圾、政府會(huì)提供額外的處理補(bǔ)貼，使綜合燃料成本大幅降低。采用變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)行富氧燃燒改造后，系統(tǒng)的燃料成本降低、熟料產(chǎn)量提升、窯爐運(yùn)行更加穩(wěn)定，技術(shù)改造帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3. 變壓吸附技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

本次技術(shù)改造采用北大先鋒徑向床吸附器技術(shù)及第三代制氧分子篩技術(shù)，該工藝技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

3.1 工藝流程簡(jiǎn)單、開(kāi)停機(jī)方便

變壓吸附制氧裝置操作分別采用鼓風(fēng)機(jī)、真空泵實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣和抽氣，主設(shè)備吸附塔可采用兩個(gè)或多個(gè)聯(lián)合操作，通常兩塔即可實(shí)現(xiàn)最大7500 Nm³/h的氧氣產(chǎn)量，通過(guò)均壓、回氧、增壓、吸附等操作步驟實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的吸附和產(chǎn)品的流出，并通過(guò)降壓、抽真空、清洗的方式實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的解析和吸附劑的再生。整體工藝流程簡(jiǎn)單，通過(guò)時(shí)序控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)化程度高，而且開(kāi)機(jī)15分鐘即可達(dá)到使用要求，操作靈活，開(kāi)停機(jī)方便。

3.2 操作簡(jiǎn)易、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便

變壓吸附制氧裝置可通過(guò)設(shè)置時(shí)序步驟及調(diào)閥相關(guān)控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)及產(chǎn)品純度調(diào)節(jié)，在純氧電耗變化不大的情況下，負(fù)荷可在30%~100%之間調(diào)節(jié)、純度可在70%~94%之間調(diào)節(jié)。

3.3 運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)成本低

由于本套系統(tǒng)的動(dòng)設(shè)備采用羅茨鼓風(fēng)機(jī)和真空泵，以及羅茨增壓風(fēng)機(jī)，動(dòng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、日常維護(hù)量??；此外，控制系統(tǒng)采用北大先鋒先進(jìn)的控制方案，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)企業(yè)不需要投入過(guò)多運(yùn)維資金和人力成本。

3.4 常溫操作、安全性高

由于變壓吸附裝置為常溫、低壓操作，操作壓力和操作溫度相對(duì)溫和，與深冷裝置相比，不會(huì)出現(xiàn)液氧、乙炔富集等現(xiàn)象，安全性更高。

3.5 運(yùn)行成本低

變壓吸附制氧裝置整體電耗較低，純氧電耗在0.29~0.33kwh/Nm³，運(yùn)行成本低。

3.6 建設(shè)周期短、噪音小

可采用鋼結(jié)構(gòu)一體化隔音廠房，該結(jié)構(gòu)廠房較常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)廠房建設(shè)周期更短，廠房采用復(fù)合消音材料做消音處理，降噪效果好，廠房外1m的噪聲值≤85dB。

4. 結(jié)束語(yǔ)

變壓吸附制氧作為一種便捷高效的制氧設(shè)備，以其建設(shè)周期短、裝置操作靈活等特點(diǎn)在水泥廠技術(shù)改造項(xiàng)目中更具優(yōu)勢(shì)。以該法為核心的富氧燃燒技術(shù)對(duì)工業(yè)爐窯供氣系統(tǒng)進(jìn)行改造后，可實(shí)現(xiàn)提高煤粉燃燒效率、增加熟料產(chǎn)量的綜合效果。在節(jié)能減排的迫切形式下，進(jìn)一步推廣富氧燃燒技術(shù)在工業(yè)爐窯供氣系統(tǒng)上的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能降碳效果。