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中国膜法富氧燃烧技术跻身世界先进行列

治理雾霾的“新型武器” 燃烧领域的“二次革命”

//m.auribault.com 2014-03-06 来源：科技日报

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　　本报记者魏东

　　一座约30米长、14米宽、接近3层楼高的“大家伙”如何成为治理雾霾的“神秘武器”？产量增加12%，节煤率达到8.18%以上，这种被发达国家称为“资源的创造性技术”如何引发燃烧领域的“二次革命”？

　　只有站在烟台华盛燃烧设备工程有限公司生产的富氧设备面前，你才明白何为“重量级”：近30米长的机身长度，十几吨的吨位重量，这台被称为“膜法富氧助燃节能装置”的设备书写了该技术富氧流量最大的“中国记录”。外表略显粗犷的设备“内芯”，却是细腻十足：这边空气进入，那边氧气出来，神奇的物理化学反应支持的是15%左右节能效率的提升。

　　“膜法制氧、富氧助燃节能技术是燃烧领域的二次革命”，几十年技术积淀集于一台设备，通过协同创新与自主创新最终研发成功，“富氧助燃节能装置”并不缺乏漫长的往事和刻骨铭心的细节，但对发明者、烟台华盛燃烧设备工程有限公司董事长姜政华来说，设备的意义并不仅仅是行业专业眼中的“国际同类产品的先进水平”如此简单，更在于它拥有一种改变燃烧领域的现状，对当下牵动国人神经的节能减排提供了一剂良方。

　　用“资源的创造性技术”膜法富氧燃烧技术对付雾霾，如何拨开云雾见天日？

　　这是一个危险的信号：消除雾霾呼唤科技创新之风

　　雾霾，不再是北方城市的专利。曾经大多在京津冀地区盘踞的雾霾，如今已经成为全国性的问题。

　　今年1月，我国中东部地区频发4次大范围雾霾天气，影响区域达30个省（区、市）。其中1月6日—16日，中东部大部地区出现了入冬以来持续时间最长、影响范围最广、强度最强的雾霾天气过程。实际上，在刚刚过去的2013年中，我国有104个城市曾重度“沦陷”，平均雾霾天创52年之最；多地橙色、红色预警不断。从2013年到2014年，雾霾成了城市里挥之不去的阴影，呼吸一下新鲜的空气似乎成了奢求。烦不胜烦的雾霾天气给大气环境、群众健康、交通安全等带来了极为严重的影响，受污染的每一个城市的各个系统都承受着巨大的压力。

　　毋庸置疑，雾霾治理迫在眉睫，已经成为眼下社会关注的环保首要大事！

　　中科院对北京PM2.5化学组成及来源的季节性变化进行了研究。研究成果表明，如果将燃煤、工业污染和二次无机气溶胶（气溶胶，是对悬浮在大气中的固态或液态微粒的统称）三个来源合并起来，化石燃料燃烧排放成为北京PM2.5污染的主要来源。

　　我国能源结构的特点是“多煤贫油少气”，这是国情。长期以来，煤炭是中国的主体能源和重要的工业原料，在我国一次能源消费结构中的比重在65％以上。一次能源以煤炭为主，燃煤电厂排放二氧化硫和氮氧化物均居各行业首位，钢铁、建材、工业窑炉等行业都是高耗能污染排放行业，而这些行业均是大气污染治理的重点行业。这也提醒着人们：治理雾霾，应向一次能源中的高耗能行业开刀。

　　2013年底，国家发改委发布第44号《2012年万家企业节能目标责任考核结果》称，2012年参加节能目标责任考核企业14542家考核企业中“未完成”等级有1338家企业，其中水泥企业占有84家。水泥工业作为我国国民经济建设的重要基础材料产业，在百姓心中一直属于高能耗、高排放的企业，而全国性的严重雾霾天气，更是将水泥工业的污染诟病推上了风口浪尖。

　　触目惊心的一组数据是：一方面，我国拥有水泥企业近5000家，产量已连续20多年位居世界首位；另一方面，水泥工业在支撑国民经济快速发展的同时，也带来了严重的环境污染。水泥生产中产生许多细颗粒和硫化物、氮氧化物都是形成PM2.5的因素，可以说水泥工业是副产PM2.5的大户。资料显示，中国水泥工业排放的水泥粉(烟)尘占全国工业粉尘排放总量的39%，氮氧化物排放量约占全国总量的10%—12%。2012年中国水泥工业粉尘、二氧化硫和氮氧化物的排放量分别为368万吨、137万吨、240万吨。据介绍，我国每生产一吨水泥熟料的粉尘排放量为915克/立方纳米，是国标限值90克/立方纳米的10倍！

　　消除雾霾期待科技创新！就如何解决以上难题，国务院参事蒋明麟说得好：要抓好水泥产业环保工作，必须树立危机意识，增强做好工作的责任心和使命感；必须确立从全局和系统分析问题的能力；必须大力推动科技创新，促进产业优化升级；政府职能部门必须发挥政策引导、市场监管的职责。

　　这是智慧的时代：“资源的创造性技术”大有可为

　　“这是最好的时代，这是最坏的时代，这是智慧的时代，这是愚蠢的时代。”以狄更斯在《双城记》中的开篇之语形容当下的雾霾治理非常贴切。

　　一方面雾锁中国，亟待科技发力；另一方面政府出手，召唤减排新品的出现。而被发达国家称为“资源的创造性技术”的富氧燃烧技术自然站到了舞台中央。

　　2013年10月10日，国家发改委环资司副司长谢极表示，“十二五”节能减排实际进度落后于目标，当初确定的五年目标为单位国内生产总值（GDP）能源下降16%，但规划前两年只下降了5.5%，只完成了“十二五”进度的32.7%。按照时间进度前两年应该完成40%左右，但现在实际进度落后目标，后3年国家层面面临巨大减排压力。

　　2013年12月27日，国家环保部会同国家质检总局发布了《水泥工业大气污染物排放标准》《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》及其配套的《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》等3项标准，以及《铅、锌工业污染物排放标准》等6项有色金属行业排放标准修改单，增设了大气污染物特别排放限值。

　　其中，业界最为关心的《水泥工业大气污染物排放标准》中明确指出，水泥行业现有与新建生产线氮氧化物排放标准为400毫克/立方米。现有企业2015年6月30日前仍执行《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）中的标准，自2015年7月1日起执行新标准，新建企业自2014年3月1日起执行新标准。重点地区企业执行生产线排放标准为320毫克/立方米。

　　新的标准调整了大气污染物排放限值，增加了适用于重点地区的大气污染物特别排放限值。新标准重点提高了PM、氮氧化物排放控制要求。根据除尘、脱硝技术进步情况，新标准规定的PM排放限值由现行标准的50毫克/立方米（水泥窑等热力设备）和30毫克/立方米（水泥磨等通风设备）收严至30毫克/立方米和20毫克/立方米；新标准规定的氮氧化物排放限值由现行标准的800毫克/立方米收严至400毫克/立方米，促进水泥企业采用工艺控制（如低氮燃烧器、分解炉分级燃烧、燃料替代等）和末端治理（目前较为成熟可行的是SNCR技术）相结合的措施，有效控制氮氧化物排放。

　　新标准一旦施行，预期效益明显。据环保部测算表示，实施新的《水泥工业大气污染物排放标准》将使水泥工业年PM排放将在目前200—250万吨基础上削减约77万吨，削减30.8%—38.5%；氮氧化物年排放将在目前190—220万吨基础上削减约98万吨，削减44.5%—51.6%。此外，落实《大气污染防治行动计划》重点配套标准的《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）和广受公众关注的《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）修订工作正在抓紧推进，修订草案收严了污染物排放限值、提高了监控要求。

　　一项项政策，一条条标准，呼唤着减排新产品的出现，也催促着烟台华盛燃烧设备工程有限公司“重量级环保产品”的研发力度——2009年底，中国膜法富氧助燃技术的顶尖之作在华盛诞生，“膜法富氧助燃技术是近代燃烧领域的新突破，它可使燃料中的挥发份和没燃尽的碳粒子在富氧中充分燃烧，极大地转化成热能，并降低燃烧后的排气量、粉尘量和二氧化碳。”姜政华自信，该技术“已发展成为适用于水泥、建材、钢铁、有色冶金、玻纤各种工业锅炉（窑炉）的节能集成技术。”

　　“新式武器”亮相：富氧燃烧技术或能留住蓝天白云

　　“新式武器”甫一亮相，注定与众不同。

　　2012年8月18日，一种名为“MZYR-12000富氧助燃节能装置”在中国企业500强河南天瑞集团汝州水泥有限公司日产5000吨的水泥回转窑上投入试运行。这是目前我国水泥炉窑配备的最大膜法富氧助燃装置。

　　何为膜法富氧助燃？

　　“氧浓度大于21%、小于40%的气体称为富氧富氧助燃技术”，富氧助燃节能装置的研发者、烟台华盛燃烧设备工程有限公司姜政华向本报记者揭示了富氧助燃的神奇过程：“当氧浓度大于21%、小于40%的气体称为富氧。在燃烧设备最需要富氧的地方局部增氧助燃的过程称为富氧助燃。”姜政华强调：“在助燃空气中没增加1%的氧气，则相应减少4%的氮气，所以富氧燃烧提高燃烧效率，减少废气排放是环保的选择。”

　　燃烧是人类获取能源的主要途径，世界上80%以上的能源都来自燃烧，而这更是中国以火电为主体的能源现状。人类通过燃烧获得能量的同时，也产生了大量温室气体和酸性气体，而这些是造成雾霾的重要原因之一。富氧助燃恰恰是近代燃烧的新突破，它是使燃料中的挥发份和没燃尽的碳粒子在富氧中充分燃烧，在不增加燃料的前提下，火焰温度提高100—350℃，使燃烧速度加快，热辐射迅速增强的技术。从某种程度上，推广富氧助燃正是最贴合中国能源国情的“中国道路”。

　　人们并没有想到，安装在河南天瑞水泥设备上的装置能够产生如此之功效。

　　经效果试验，炉窑火焰温度提高了200℃，二次风温提高100℃，节煤率达到8.18%。通过在线仪表进行测试，该公司加装富氧助燃装置后，水泥窑排放烟气中NOx浓度降低了15.64%，二氧化硫浓度降低了7.71%，同时烟气流速降低了2.28%，烟气排放等各项指标达到了设计要求。

　　“2012年11月25日水泥窑富氧煅烧投入正式运行。从11月25日到12月2日，又进行了192小时的正式有富氧运行观察，节煤率达到了10.19%。从2012年11月25日正式投入运行，至2013年1月9日停窑检修，平均日产孰料提高约200t/d左右，平均节煤率为10.73%。”使用富氧煅烧后，天瑞集团水泥有限公司总工贾华平如是说，“炉窑操作运行稳定；窑内热负荷稳定；窑皮稳定；熟料质量稳定并有提高；熟料的外观颜色明显改善；有提高熟料产量的能力；不影响低温余热发电工作；向大气排放的主要指标均呈下降趋势。”

　　“填补了该领域的国内空白，达到国际同类产品的领先水平。”这是姜政华带领公司技术人员研发设备的科技高度，更是带给环保领域一份礼物，“这台装置采用了国内最新的技术制造，首次把膜法制氧装置大型化，为了保障在恶劣环境下的使用，他们精心设计了自洁式PLC控制空气过滤装置，可确保膜组件的使用寿命长达10年以上。同时，该装置还首次采用了大型集成化膜组件，可使富氧流量每小时达到24000立方米，能满足日产10000吨水泥炉窑和企业自备热电联产每小时450吨以下的锅炉使用。据了解，局部全富氧助燃技术的应用，不仅让工业炉窑节能率达到10%—15%，也使设备的性价比更加合理。”

　　除了在水泥产业，富氧助燃节能装置在石灰回转炉窑上的节能效果同样显著。2009年8月，我国首台应用于石灰回转窑的膜法富氧助燃节能装置在济南钢铁集团耐火材料有限责任公司投入运行。在不增加燃料前提下炉膛火焰温度升高109℃，产品产量增加12.34%，节能率达到10.3%，烟尘排放量大为减少。显著的节能效果，让该公司又购置了第二台富氧助燃节能装置，并于2010年4月投入运行，综合节能率达10%以上。

　　减少烟气排放，减少燃料投入，在“两头瘦身”的前提下，富氧燃烧技术却能神奇的将燃烧效率和产出大幅度增加，原因何在？

　　空气中氧气的体积含量约为21%，氮气与极少量的惰性气体的体积含量约为79%，在燃烧过程中，真正参与燃烧反应的只有约占空气体积21%的氧气，而占空气体积79%的氮气和惰性气体不但不能助燃，还会在燃烧过程中带走大量的热量，所以严重制约了工业炉窑的热效率。在工业炉窑中使用富氧燃烧技术后，不参与燃烧反应的氮气量大大减小，因此由氮气带走的热损失也大大减小，节省了加热部分氮气所需的燃料量，还将从根本上改善炉膛内部燃料的分布及燃烧状态。

　　燃料在燃烧时因缺氧会导致设备热效率低下，因此造成了极大的能源浪费。研究资料表明，煤炭（包括油品、天然气）在氧浓度为26%时燃烧最完全，速度最快，温度最高，热辐量强度最大。而膜法制氧、富氧助燃的燃烧机理就是高分子膜在压力差的作用下，使空气中的氧气优先通过，送入燃烧设备中，从而提高工业炉窑内氧气的含量，使燃料在燃烧中最大化地转为热能，大幅度提高工业炉窑的燃烧效率，由此达到节能之目的。

　　对富氧燃烧而言，首先，由于其节能效果，在总体能源雪球不变的条件下，燃料使用量会有明显的减少，可以减少燃料型氮氧化物的排放。其次，由于烟气量中含氧量上升，含氮量会有明显下降。设空气中含氮量为78%，含氧量21%，通过简单的计算可得，富氧空气氧含量为25%时，助燃空气中的N2浓度下降至74%，降低5.1%；富氧空气氧含量为29%时，助燃空气中N2浓度降至70%。降低10.2%。同时空气总量减少，总N2会有大幅下降。从这个角度来看，含氧量的上升有利于减排氮氧化物。

编辑：尹盼秋