摘要：本文介紹了變壓吸附制氧技術在水泥生產(chǎn)行業(yè)技術改造的應用方向，并以韓國某水泥廠的實際改造情況為例，介紹了水泥爐窯采用變壓吸附制氧技術實現(xiàn)富氧燃燒的改造應用效果，以及變壓吸附制氧技術的特點和優(yōu)勢。

關鍵詞： 變壓吸附 VPSA 制氧 水泥 爐窯 富氧燃燒

0. 引言

自1985年起，中國作為水泥制造大國已連續(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)能減排重點改造的行業(yè)之一。在水泥生產(chǎn)過程中，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大比例。富氧燃燒技術是水泥行業(yè)國家重點節(jié)能低碳推廣項目，采用該技術對水泥窯爐送風系統(tǒng)進行改造后，對燃料的燃燒性能及熟料的產(chǎn)量均有積極作用。變壓吸附制氧技術因其建設周期短、規(guī)模適應性強、操作靈活、開停車方便等特點，成為該類技術改造項目中的首選應用。

1. 變壓吸附制氧技術在水泥生產(chǎn)行業(yè)的技術改造應用方向

水泥生產(chǎn)過程中，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)中的核心煅燒設備，也是水泥生產(chǎn)過程中消耗燃料最多的設備。水泥爐窯通常采用煤粉作為燃料，將其送入燃燒器、借助鼓風機送入的空氣進行燃燒。若采用富氧燃燒技術，借助高于空氣組成的氧含量可以實現(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、縮短燃盡時間，進而提升系統(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，可以增強熟料強度，進一步提高了水泥熟料的產(chǎn)量。

變壓吸附（VPSA）制氧技術可適用于各種規(guī)模的水泥窯爐，可實現(xiàn)一對一或一對多操作，建設周期短、操作靈活、負荷適應性強，在節(jié)能改造項目中具有明顯優(yōu)勢。

2. 變壓吸附兩塔制氧技術在韓國某水泥廠的應用

2021年，韓國某水泥廠欲對其水泥爐窯進行富氧燃燒技術改造。由于韓國當?shù)啬茉唇Y構的特殊性，煤燃料主要依賴于進口，為進一步降低成本，推廣可替代燃料、進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，且用氣點較為分散、共計7個用氣點，該韓國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）制氧技術對現(xiàn)有供氣系統(tǒng)進行改造。氧氣產(chǎn)量需求為5000Nm³/h，氧氣純度為90%。

此次技改采用VPSA兩塔制氧技術對原有的供氣系統(tǒng)進行改造，采用一對多的形式，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個爐窯，在各個用氣點根據(jù)用氧需要進行控制調(diào)節(jié)。

技改完成、裝置開車后系統(tǒng)運行穩(wěn)定：單獨使用煤粉作為燃料時，與改造前相比燃煤用量有所下降；在使用替代性的燃料時，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，改造后窯爐的各項生產(chǎn)參數(shù)更加穩(wěn)定。在技術改造后，替代性燃料（塑料垃圾）的使用比例上升，不僅減少了燃煤費用，而且由于處理了塑料垃圾、政府會提供額外的處理補貼，使綜合燃料成本大幅降低。采用變壓吸附制氧技術進行富氧燃燒改造后，系統(tǒng)的燃料成本降低、熟料產(chǎn)量提升、窯爐運行更加穩(wěn)定，技術改造帶來了明顯的經(jīng)濟效益。

3. 變壓吸附技術的特點及優(yōu)勢

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

3.1 工藝流程簡單、開停機方便

變壓吸附制氧裝置操作分別采用鼓風機、真空泵實現(xiàn)進氣和抽氣，主設備吸附塔可采用兩個或多個聯(lián)合操作，通常兩塔即可實現(xiàn)最大7500 Nm³/h的氧氣產(chǎn)量，通過均壓、回氧、增壓、吸附等操作步驟實現(xiàn)雜質(zhì)的吸附和產(chǎn)品的流出，并通過降壓、抽真空、清洗的方式實現(xiàn)雜質(zhì)的解析和吸附劑的再生。整體工藝流程簡單，通過時序控制閥門開關，自動化程度高，而且開機15分鐘即可達到使用要求，操作靈活，開停機方便。

3.2 操作簡易、負荷調(diào)節(jié)方便

變壓吸附制氧裝置可通過設置時序步驟及調(diào)閥相關控制參數(shù)來實現(xiàn)裝置的負荷調(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 運行穩(wěn)定、維護成本低

由于本套系統(tǒng)的動設備采用羅茨鼓風機和真空泵，以及羅茨增壓風機，動設備運行穩(wěn)定、日常維護量??；此外，控制系統(tǒng)采用北大先鋒先進的控制方案，自動化程度高，生產(chǎn)企業(yè)不需要投入過多運維資金和人力成本。

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溫和，與深冷裝置相比，不會出現(xiàn)液氧、乙炔富集等現(xiàn)象，安全性更高。

3.5 運行成本低

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

3.6 建設周期短、噪音小

可采用鋼結構一體化隔音廠房，該結構廠房較常規(guī)混凝土結構廠房建設周期更短，廠房采用復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. 結束語

變壓吸附制氧作為一種便捷高效的制氧設備，以其建設周期短、裝置操作靈活等特點在水泥廠技術改造項目中更具優(yōu)勢。以該法為核心的富氧燃燒技術對工業(yè)爐窯供氣系統(tǒng)進行改造后，可實現(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，進一步推廣富氧燃燒技術在工業(yè)爐窯供氣系統(tǒng)上的應用，可以實現(xiàn)更好的節(jié)能降碳效果。