本文聚焦水泥窑膜分离法富氧燃烧技术的工业化应用，结合企业原有生产线设备配置与实际生产工况，通过空压站、富氧气体站设备升级及窑头燃烧系统专项改造，配套开展燃烧参数、用风系统、供煤系统的全方位调试优化。工业运行实践表明，富氧燃烧系统稳定投运后，生产线C1出口废气温度下降15 ℃，窑系统热回收效率显著提升，吨熟料标准煤耗降低2.23 kg/t，熟料产品核心质量指标整体稳定，实现了水泥生产节能、增产、降碳的综合效益，可为水泥行业绿色低碳技术升级提供工程参考。
0 引言
在“双碳”政策背景下，水泥行业作为高能耗、高碳排放的基础建材行业，绿色低碳转型已成为行业高质量发展的核心方向。水泥窑炉富氧燃烧节能减排技术凭借成熟度高、改造适配性强、节能降碳效果显著等优势，已正式纳入《国家绿色低碳先进技术成果目录》，是当前水泥窑节能提效、降碳减耗的核心技术之一。
依据《水泥窑炉富氧燃烧技术规范》（TCIECCPA 029—2023）定义，膜分离法制氧核心原理是利用特种气体分离膜对不同气体分子的选择性透过差异，实现氧气与氮气的高效分离，进而获取稳定浓度的富氧空气，相较于深冷制氧、变压吸附制氧，具备运行稳定、运维简单、适配工业连续化生产的优势。
本次改造项目采用正压式膜分离富氧工艺，配套无油离心空压机+零气耗余热干燥成套设备，制备无油、无水的高品质压缩空气，彻底解决原有压缩空气含水量过高引发的袋除尘器糊袋、煤粉秤下煤波动、燃烧工况不稳定等生产痛点。通过撬装式膜富氧装置制备高浓度富氧气体，与窑头一次风混合后送入专用低氮燃烧器，构建稳定高效的富氧燃烧工况。本项目通过系统化设备改造与工艺优化，探索适配企业生产实际的水泥窑富氧燃烧生产工艺，旨在进一步降低熟料生产能耗、提升窑系统热效率、稳定产品质量，增强企业市场核心竞争力，同时为水泥行业富氧燃烧技术的规模化、规范化应用提供实践依据。
1 改造内容
1.1 设备及生产概况
本次改造依托企业现有新型干法水泥熟料生产线，核心烧成设备配置完整、工艺成熟。生产线核心设备为Φ4.8 m×72 m回转窑，配套三心大蜗壳式五级预热器、Φ7600 mm、高45880 mm的TTF型分解炉，以及第三代TC型带充气梁、新型阻力篦板的高效篦冷机，设备配置满足大规模、连续化熟料生产需求。
项目改造前，生产线基准生产工况稳定，回转窑台时产量279 t/h，熟料综合热耗731.77 kcal/kg。生产所用原煤工业分析数据、生料及熟料理化指标分别见表1、表2，烧成窑尾常规运行中控画面见图1，原有生产线整体运行平稳，但存在热回收效率偏低、煤耗偏高、压缩空气质量缺陷引发的附属设备运行异常等问题，具备富氧燃烧技术改造的优化空间。
1.2 技术方案
结合生产线原有设备短板、生产工况特点及膜分离富氧技术特性，本次改造采用“空压站提质+富氧气体站新建+燃烧系统升级”的一体化改造方案，从气源品质、富氧制备、燃烧适配三个维度完成全方位优化，保障富氧燃烧工况稳定、高效运行。
1.2.1 空压站改造
原有螺杆空压机配套冷干机制备的压缩空气含水量、含油量偏高，长期运行导致袋除尘器滤袋糊堵、煤粉秤下料不均匀、煤粉输送稳定性差，直接影响窑内燃烧连续性与熟料生产稳定性。针对该问题，本次拆除原有5台英格索兰螺杆空压机及配套冷干机（29.2 m3/min、160 kW），新增2套无油离心空压机+零气耗余热干燥机组，单套设备气量13200 Nm3/h，工作压力0.85 MPa，配置600 kW/10 kV高压电机。
改造后可连续产出无油、无水的高品质压缩空气，彻底解决压缩空气品质缺陷引发的设备故障与工况波动问题，同时全面满足窑系统、水泥磨系统的压缩空气用量需求，为膜富氧装置稳定运行提供合格气源基础。
1.2.2 富氧气体站建设
采用模块化撬装式膜富氧装置，整套系统配置4组富氧膜撬块，占地面积仅5 m×8 m，配套建筑总面积约100 m²，设备集成度高、占地小、安装调试便捷，适配厂区现有布局。设备额定运行工况下，膜富氧装置出口富氧气体流量可达67 m3/min，氧气浓度稳定40%，工作压力0.72 MPa。
为适配窑头燃烧工况、避免高浓度富氧局部燃烧过激问题，将制备的40%浓度富氧气体与旋流风机引入的77 m3/min常温空气均匀混合，混合后送入燃烧器旋流风道，最终窑头燃烧富氧浓度稳定维持在36%。分离产生的贫氧气体统一接入厂区压缩空气管网，实现气体资源最大化利用，无能源浪费。
1.2.3 燃烧系统优化升级
为匹配富氧燃烧的高氧、高效燃烧特性，规避原有燃烧器配风不合理、火焰刚性不足、燃烧效率低等问题，对窑头一次风系统及燃烧器进行全面升级。拆除原有一体式一次风机，全新配置专用旋流风机（77 m3/min、40 kPa、90 kW）与轴流风机（59 m3/min、90 kPa、132 kW），实现窑头配风精准可控、风压风量独立调节。
同时更换大推力低氮四风道燃烧器，风道由外至内依次为外轴流风道、轴流风道、煤粉风道、旋流风道，结构设计适配富氧燃烧工艺。系统将混合后的36%浓度富氧气体集中送入旋流风道，可强化煤粉扰动、加速煤粉与氧气的混合接触，促进煤粉集中、快速、完全燃烧，优化火焰形态，提升烧成带煅烧温度与热利用率，同时抑制氮氧化物生成，兼顾节能与环保效果。
2 调试过程与工艺优化
设备改造完成后，结合富氧燃烧的燃烧机理与生产线实际工况，从燃烧参数、系统用风、煤粉供给三个维度开展系统性调试优化，逐步匹配富氧燃烧工艺特性，消除工况波动，实现系统稳定高效运行。
2.1 燃烧参数优化
根据辐射传热原理，回转窑窑内传热能力与火焰温度的四次方成正比，富氧环境可有效提升煤粉燃烧速率、集中释放燃烧热量，提高烧成带火焰温度与传热效率，是实现降煤耗、提产量的核心机理。为最大化发挥富氧燃烧技术优势，调试期间重点优化窑内风压、富氧浓度、三次风用量等核心参数。
通过多轮梯度调试，最终确定最优运行参数：轴流风道风压稳定控制在80000 Pa，旋流风道风压稳定控制在20000 Pa，窑头混合富氧浓度恒定维持36%。同时适度提升三次风闸板开度，优化篦冷机风机运行工况，提升入窑热风温度，逐步降低尾煤消耗量，实现窑尾低温区燃烧补热优化。
采用德图340烟气分析仪对烟室、分解炉出口烟气成分进行全程检测，调试前后烟气参数对比见表3。数据显示，富氧燃烧投运后，窑内NOx生成量显著提升，印证富氧环境有效强化了煤粉燃烧反应强度，实现了窑前集中煅烧、高温高效传热的工艺目标。同时，入窑斗提运行电流提升6 A，熟料台时产量初步提升17 t/h，增产效果显著。
2.2 系统用风优化调整
富氧燃烧工况下，窑头燃烧强度、落料温度发生明显变化，原有篦冷机用风配比与物料分布工况不匹配，出现窑头落料偏移、料层分布不均问题：细料侧料层偏厚、通风阻力大，粗料侧物料稀疏、通风吹漏，导致篦冷机冷却效率偏低、热回收效果不佳。
针对该问题，对篦冷机核心风机运行参数进行全面检测，检测数据显示G16M风机开度30%、风压8200 Pa以上，G17M风机开度100%、风压10000 Pa以上，且G16M风机运行电流较G17M风机偏高80 A，风机运行负荷与开度严重不匹配，物料分布失衡问题突出。据此将G17M风机开度由100%精准下调至60%，平衡窑头落料分布，优化料层透气性。
同时针对固定篦板G10M风机电流偏低、篦板漏风严重的问题，对固定端篦板进行分级封堵改造：第一排左右2块靠边篦板全封堵，其余8块封堵3/4通风孔；第二排左右2块靠边篦板封堵1/2通风孔，其余8块封堵2/4通风孔；第三排整体封堵1/4通风孔；第四、五排篦板保持原状。改造后彻底解决篦冷机局部漏风、通风不均问题，冷却效率与余热回收效率大幅提升。
2.3 供煤系统优化
富氧燃烧初期，窑头送煤罗茨风机沿用原有运行压力（29000 Pa），煤粉输送风速过快，导致煤粉在高温富氧区停留时间不足、出现后燃现象，造成火焰发散、窑尾温度偏高、燃烧器易结焦，严重影响窑内燃烧稳定性。
为匹配富氧燃烧的快速燃烧特性，逐步下调窑头送煤风机压力，最终将运行压力稳定控制在23000 Pa。优化后煤粉输送速率适中，可精准送入窑头高温富氧区域，实现快速着火、集中燃烧、完全放热，形成刚性强、形态稳定的高温火焰，彻底解决煤粉后燃、燃烧器结焦问题，窑内燃烧工况稳定性大幅提升，为熟料矿物组分均匀形成、质量稳定可控奠定基础。
3 稳定运行效果与生产指标分析
在节能增效方面，富氧燃烧技术优势凸显。相较于改造前，生产线吨熟料标准煤耗降低2.23 kg/t，全年可实现大量原煤节约，直接降低生产能耗成本；C1出口废气温度降低15 ℃，窑系统废气余热损失减少，热回收效率显著提升；二次风、三次风温度均提升约30 ℃，入窑入炉热风温度升高，进一步强化生料预热、分解效果，形成“高温高效燃烧+高效余热回收”的良性生产循环，是熟料增产、降耗的核心原因。
在产品质量方面，富氧燃烧工艺改造后熟料整体质量稳定可控。其中熟料3 d抗压强度小幅下降0.72 MPa，游离氧化钙（f-CaO）含量降低0.3%，熟料饱和系数（KH值）小幅上升0.004，其余强度、安定性等核心质量指标无明显波动，完全满足产品质量标准与市场使用要求，实现了节能降本与质量稳定的双向兼顾。
4 项目投资与成本效益分析
4.1 项目投资概况
本项目为系统性工艺升级改造项目，主要投资用于设备更新与系统搭建，核心投资内容包括：2套无油离心空压机及零气耗余热干燥机组、4组膜富氧撬装装置、窑头专用旋流风机与轴流风机，配套管路、电控、土建及调试工程，项目总投资
项目节能降碳成效突出，依据《企业温室气体排放核算与报告指南 水泥行业》核算标准，每节约1 t原煤可减少二氧化碳排放2.193 t。结合项目煤耗降幅，生产线每年可实现大幅碳减排，按照当前碳交易价格60元/t测算，吨熟料碳交易收益超120元，环境效益与低碳经济效益双重凸显，助力企业完成碳排放指标考核，契合行业绿色低碳发展趋势。
按照工业电价0.6元/kWh、标煤单价1050元/t、氨水单价780元/t的市场价格核算，扣除用电、氨水新增成本后，项目吨熟料仍可节约综合生产成本0.93元/t，规模化生产下累计经济效益可观。
5 结论与展望
5.1 改造结论
本次水泥窑膜分离法富氧燃烧技术工业化应用改造成效显著，通过空压站提质、富氧气体站搭建、燃烧系统升级及工艺参数精细化调试，成功实现生产线增产、节能、降碳、稳质的综合目标，验证了膜分离富氧燃烧技术在新型干法水泥生产线的适配性与实用性。
工艺优化层面，富氧燃烧有效提升窑内燃烧效率与系统热回收效率，C1出口废气温度降低15 ℃，二次风、三次风温同步提升30 ℃，窑系统热量利用率大幅提高；生产效能层面，熟料台时产量提升17 t/h，吨熟料标准煤耗降低2.23 kg/t，有效降低熟料单位生产成本；产品质量层面，熟料各项核心指标整体稳定，游离氧化钙含量小幅下降，熟料安定性进一步优化，生产质量可控性提升；环保效益层面，项目大幅降低原煤消耗，实现显著碳减排，助力企业绿色低碳升级。
5.2 存在问题与未来展望
本次工业化应用过程中，也发现部分待优化问题：一是富氧高温燃烧工况下，熟料3 d早期抗压强度出现小幅衰减；二是窑内高温富氧环境导致NOx生成量增加，脱硝氨水消耗量有所上升，小幅抵消了部分节能收益。
后续将针对现存问题开展专项优化研究：进一步精细化匹配富氧浓度、火焰形态与煅烧温度场，优化篦冷机用风、窑头配风、煤粉供给等核心工艺参数；针对性改进燃烧设备运行工况，优化脱硝系统联动控制逻辑，降低氨水消耗；持续摸索最优富氧燃烧工艺制度，在保障节能降碳、增产增效的基础上，进一步优化熟料力学性能，彻底解决早期强度小幅衰减的问题。通过持续技术迭代与工艺优化，推动富氧燃烧技术在水泥行业更高效、稳定、规模化应用，为水泥产业绿色低碳高质量发展提供更完善的技术支撑。