富氧燃烧的特性及其发展现状

富氧燃烧的特性及其发展现状

摘要本文从火焰温度和燃烧速度改变、燃烧产物的变化和可利用热的变化方面介绍了富氧燃烧的特性，分析了富氧燃烧的节能效果，并总结了富氧燃烧的发展现状，为发展富氧燃烧技术做出一些总结和建议。

关键词富氧燃烧；燃烧产物；氧气浓度；工作原理

在普通空气助燃的燃烧过程中，普通空气的成分氧只占20.94%，氮占78.09%，在燃烧过程中不助燃的氮吸收了大量热量，从废气中排掉，造成热损失，同时在高温下生成氮氧化物，造成大气污染。富氧燃烧技术（简称OEC），即采用一种特殊的高分子膜装置，将吹入加热炉的空气的含氧浓度提高，采用这种氧含量高的空气来助燃。富氧的极限就是使用纯氧。富氧燃烧可以显著提高燃烧效率和火焰温度，使燃料燃烧迅速、完全，从而达到节约燃料、提高生产效率和保护环境的良好作用。

1 富氧燃烧的特性

1.1 火焰温度和燃烧速度改变

富氧燃烧比普通燃烧火焰温度会大大提高，这是因为空气为氧化剂时氮气作为稀释剂使烟温降低。以甲烷燃烧为例：甲烷绝热燃烧中焰温随氧气成分的变化而变化，从空气变化到含60%增氧的氧化剂时，焰温有极大提高，氧气浓度越高焰温升高越慢。30%富氧空气时的绝热火焰温度为2500 K，比通常空气燃烧提高近300 K；氧浓度大于80%时的火焰温度接近3000 K，层流燃烧速度增大到近3 m/s，而普通空气的层流燃烧速度仅为0.45 m/s。通过富氧助燃可以提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时温度提高有利于燃烧反应。

1.2 燃烧产物的变化

燃烧产物的实际组份由许多因素决定，包括：氧化剂组成，气体温度等。一般天然气与空气的燃烧中，约70%体积的废气是氮气，而其与氧气的燃烧中废气的体积因氮气的去除而大大减少，纯氧燃烧时的烟气体积只有普通空气燃烧的1/4，同时，烟气中的CO2浓度增加，有利于回收CO2综合利用或封存，实现清洁生产；烟气中高辐射率的CO2和水蒸气浓度增加，可促进炉内的辐射传热。炉窑中的能量损失的大项是排烟损失，排出气体体积的减小使得烟气带出热量减小，这无疑增加了炉窑热效率。

1.3 可利用热的变化

可利用热被定义为燃料总热量减去由排出气体从燃烧过程中带出的能量。空气中的氮气不参与燃烧，随废气带出很多热量。甲烷燃烧中可利用热随氧化剂中氧气浓度变化时，随着废气温度增加，可利用热减少，因为更多热量从烟囱中被

带走了。在氧气体积浓度以空气中的21%开始增长时，可利用热出现了第一次快速增长，如图1所示。

2 富氧燃烧的发展现状

2.1 制氧价格

制氧价格的高昂大大制约了OEC 的应用与发展，而新一代的制氧技术，减少了分离氧的费用，从而促进了增氧燃烧技术的发展。目前可供选择的方案有三个：变压吸附法、低温精馏法和膜分离法。变压吸附法（PSA）利用分子筛生产氧气，系统结构简单，可靠性高，产量可调节性好，PSA系统适合于中等的需求量并且氧气纯度小于95%的场合。低温精馏法安全性好、噪声低、技术成熟、产氧纯度高，可以同时生产氧气、氮气，但结构比较复杂，产量调节性差，维护困难。在氧气产量低时生产费用很高，但产量大时生产费用下降也很大。膜分离法的设备简单，操作方便，在产气能力较小时成本效益最好，但产氧纯度低，约为25%～40%。这三种方法使用的场合不同，可将它们结合起来使用，使得综合效应最佳。

2.2 氮氧化物的排放

由于富氧燃烧使得火焰高温化，由此导致的氮氧化物（NOx）排放增加是限制富氧燃烧技术推广的关键问题之一。由图2可以看出，反应区中O2浓度是影响NOx生成的关键因素。O2浓度的增加直接刺激了NOx的产生。在燃烧装置中NOx产生机理，主要是热力NOx，其生成规律服从Zeldovich机理，主要反应有：

O2+M=O+O+M；N2+O=NO+N；N+O2=NO+O；N+OH=NO+H；

总反应为：

N2+O2=2NO-Q。NO的反平衡浓度：[NO]=Kp（T）[O2]1/2[N2]1/2；NO的生成速率：

d[NO]/dτ=3×1014[N2][O2]1/2exp（-542000/RT）。

式中[NO]、[N2]、[O2]分别为三种气体的浓度，T为绝对温度；KP、R 为气体常数。

在此基础上，改变燃烧过程中的速度梯度发现随着速度梯度的增大，热力型NOx急剧下降，因此总的NOx也随之下降。这说明在提高速度梯度的情况下可以有效降低NOx的生成，主要原因是随着速度拉伸率的加大，减少了反应物在高温区的停留时间，从而降低了热力型NOx的生成量。由富氧燃烧的特点可知，在保证高温、高效率火焰的基础上开发一种减少NOx生成的技术是推动富氧燃烧的关键。目前在实际应用中也有一些方法，主要有以下几点。

1）降低助燃氧中氮含量，但是提高氧气的纯度是有限的，因此限制了NOx 浓度的降低。

2）充分利用NOx的形成机理，尽可能地不给NOx提供生成的环境，如分级燃烧技术等。

3）采用无催化选择性还原NOx技术。

4）提高流动速度也可适当降低NOx的形成。当燃烧空气高速喷射时，卷吸的气体到火焰带中，促进炉内气体再循环，限制炉内高温区的生成也可降低热力型NOx的形成。

5）在加热炉改造中，采用烟气再循环结合富氧燃烧技术，一方面降低了由于理论燃烧温度提高对耐火材料的要求，另一方面由于减少了烟气带走的热量，具有显著的节能效果。针对国内加热炉的改造，采用烟气再循环结合富氧燃烧技术对NOx排放的影响还有待进一步研究。

2.3 潜在问题

如果系统没有正确设计，应用OEC还会有许多潜在问题，很多此类问题都和燃烧强度增强有关。如：绝热材料的易损坏、不均匀加热现象、火焰扰动、增加污染排放、火焰回闪、增加潜热排放等。另外由于OEC大量去除助燃剂中的氮气，还会引起烟气流速下降、对流换热减弱。这些问题都可以通过正确调节系统及供氧量来解决。

3 结束语

富氧燃烧起到的节约燃料和提高热能利用率等效果是显而易见的，虽然目前富氧燃烧已取得很大进步，但是NOx的排放等一些问题仍有待进一步研究，因此要求我们对富氧燃烧中NOx形成机理和抑制机理深入地研究，同时将采用合适的手段将这些方法应用到实际的工业应用中，促进富氧燃烧在更多的领域发展，从而达到节能的目的。

参考文献

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