富氧燃烧的若干问题概述

富氧燃烧的若干问题概述

引言

随着全球能源形势的日趋紧张和环境问题的日益重视，一方面应尽可能开发和寻找新能源；另一方面，应在现有能源的基础上，改进燃烧方式，提高能源使用效率。众所周知，新能源比如核能、太阳能能够有效地消除气体排放对温室效应的影响。新的能源利用方式将占据越来越重要的地位，然而，在可预见的将来，新的能源利用方式所提供的能源总量仍旧是有限的，并且会产生新的环境问题[1]。因此，煤炭仍将在能源领域占有重要的地位。

燃料的燃烧一般可以在以下3种工况下进行：贫氧燃烧工况，富氧燃烧工况，理论燃烧工况。为了使燃料充分燃烧，一般工业燃烧装置中的燃料都应该在富氧燃烧工况下进行[5]。富氧燃烧的助燃空气可以分为两种：(1) 含氧量为21%的普通空气；(2) 含氧量大于21%的空气。采用富氧空气助燃或者燃烧，由于燃烧烟气中含氮量减少，烟气体积显著降低，从而可以减少排烟损失。同时富氧燃烧可以提高理论燃烧温度，因此可以燃用低热值燃料。然而，富氧燃烧的优点远不止这些，无论从燃烧、经济性、环境影响方面，都有着很大的优势。这在本文的论述过程中将有详细体现。

氧气的提取方法

目前工业制氧主要有三种方法：变压吸附法(PSA) 、深冷法和膜法富氧。分别介绍如下：

变压吸附法[6]

现在多使用常压吸附—真空解吸法（VPSA法），它主要由鼓风机、多个吸附塔、缓冲罐、贮氧罐和真空泵组成，在各设备的连通管道上装上许多专用阀门，并配上由计算控制的自动控制系统，就构成了一套变压吸附制氧装置。空气经除尘后，由鼓风机鼓入盛有多种专用吸附剂（分子筛等）的吸附塔底部，绝大部分N2、CO2、SO2、H2O及少量O2在塔内被吸附剂吸附，而大部分O2则透过床层从塔顶排出，得到富氧产品，并进入贮氧罐备用。当吸附剂达到动态饱和后，停止对该塔鼓入空气，开启真空泵抽真空，N2等杂质从吸附剂上解吸出来，这样吸附剂得到再生，供下一循环使用。在这一塔停止进入空气的同时，开启另一塔吸附。这样2个或2个以上吸附塔交替进行吸附和解吸，就可以连续产出富氧产品。吸附塔的切换由计算机控制阀门开启或关闭，无需人工操作。

和深冷法相比，变压吸附法具有基建投资小、一次性投资少、流程简单、操作方便、自动化程度高、耗能少等优点。变压吸附制氧装置基本上在常温常压下运行，生产的产品不是纯氧，但提取氧浓度可以高达95%。其安全性能好得多，迄今还未见到重大伤亡事故的报道，这也是变压吸附法的一大优点。

变压吸附法的缺点是不能制得纯氧和氩，目前还没有设计和建设成功特大型制氧装置的实例。

深冷法[6]

深冷制氧设备主要由空气压缩机组（包括过滤器、压缩机、供油系统等）、空气冷却系统（空气冷却塔、水冷却塔、氟里昂冷冻机组、水泵、水过滤器等）、分子筛净化系统（净化器、加热器等）、透平膨胀机、分馏塔（上塔、下塔、过冷器等）、换热器等组成。如需回收稀有气体，还需增加稀有气体分馏设备。空气经过制氧机组分离后，可获得纯氧、纯氮及各种纯净的稀有气体。从工艺过程来看深冷法比变压吸附法工艺过程长，且工艺较复杂，但装置能力可做得很大，需用设备的种类和台数较多，且需耐受高压或超低温。

深冷法的主要缺点是设备多、流程复杂、占地面积大、电耗相对较高等。深冷制氧机在较高压力和超低温下运行，产出的产品系纯氧，因此在制氧、贮运、灌装等环节容易发生爆炸事故。在供氧连续性方面，深冷制氧机只有1个空分塔，大部分生产环节都只有1台设备，某一环节出故障都将影响供氧，加上重新启动后至少要36h；才能得到产品氧，故障率较高等因素，故供氧的连续性显然不如变压吸附法。

膜法制氧[7]

气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动。首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸。其推动力为膜两侧的该气体分压差。由于混合气体中不同组分的气体通过薄膜时的速度不同，从而达到气体分离，回收提纯气体的目的。图1为膜法富氧助燃装置应用于某燃煤锅炉工艺流程简图。

图1 某膜法富氧助燃装置工艺流程简图

空气经空气净化器除去大于10μm的灰尘后由通风机送至富氧发生器，形成含氧体积分数为28%～30%的富氧空气，由水环式真空泵抽取后经汽水分离器、脱湿罐和稳压罐，脱除气体中的水分，由增压风机将富氧空气增压至3000～4500Pa，进入富氧预热器，该预热器安装于锅炉空预器和省煤器之间的烟道内。富氧空气加热至大于80℃后分为两路：一路通入炉排下面的二、三风室，由导风器、富氧均化喷头在横向均匀地高速喷入炉内煤层进入炉膛,使该燃烧区内的火焰温度升高，并增强火焰刚性；另一路富氧空气由后拱前端，通过具有扩散角的“富氧高温喷嘴”喷入火焰上部，使火焰中的未完全燃烧物达到完全燃烧，可获得消烟除尘、提高火焰温度的效果。上述两路富氧空气均由阀门加以适当控制。

膜法富氧可使富氧空气中的氧浓度达到28%～45%，在小容量或者富氧浓度要求较低的情况下，膜法富氧相对于前两种制氧方式有着绝对的优势。

目前国内膜法富氧的研究和应用开发已经有20 多年的历史，有关膜法富氧技术已经十分成熟。从技术上讲，上万甚至数万m3/h 规模的膜法富氧装置完全可以生产；同时富氧浓度在30%左右，还比其它方法经济、方便和安全。随着制膜新材料的不断出现、制膜工艺的不断完善和制膜成本的不断下降等，膜法富氧的应用会越来越广[8]。

富氧燃烧的特点

和传统的燃烧相比，富氧燃烧由于氧浓度的提高，燃烧特性有了很大改变，主要体现在以下几个方面[9]：

1.由于富氧空气助燃，其中氮气等惰性气体成分就低，这不仅增加了燃烧反应的反应物浓度，而且增加了活化分子的有效碰撞次数，因此导致燃烧速度加快，温度水平升高。且富氧燃烧可降低空气过剩系数，既能获得较高的理论燃烧温度，又能实现完全燃烧。较高的理论燃烧温度有利于增加传热温差，改善热利用效率。

2.通常以气、液、固体为燃料的高温炉窑，其最大的单项热损失是烟气带走的显热。例如在典型的以天然气为燃料，用冷空气助燃的加热炉中(烟气不作余热利用)，烟气热损失竟达燃料热值的70%。而采用富氧燃烧，由于所需助燃空气量减少，烟气的排放量也相应减少(还可带来节约鼓风机、引风机电耗的效益)，在其他条件不变的前提下，可大幅度降低烟气热损失。

3.富氧燃烧减少了烟气排放量，相应减少了有害气体对空气的污染。其次，一般燃料在燃烧过程中会产生一种气体析出型烟尘，这是在氧气供应相对不足的条件下热分解生成的细小球型粒子，粒径大约在0.02~0.05微米范围内，亦称炭黑。由子单个粒子的粒径很小，表面积很大、往往由多小粒子缓集形成疏松的链团，外沙呈质地很轻的黑色絮状物。由于粒径小，除尘捕集难度大，只能力求通过改善燃烧来控制。而富氧燃烧则为有效途径之一。

4.由于富氧燃烧提高了燃烧的温度场水平，加强了燃烧的换热过程，因此可以燃用低热值的燃料。

对于电站锅炉煤粉燃烧，采用富氧燃烧还具有以下优点：

1.提高能源利用率：采用富氧气体作为氧化剂，可以减小过量空气系数，即氧化剂的体积，从而减小排烟损失；另外一方面可以促进燃料的完全燃烧，减小飞灰含炭量，提高燃料的燃烧效率；

2.降低烟气排放量：由于氧化剂量的减少，使得烟气排放量减小；另一方面使得烟气中的二氧化碳体积分数提高，从而给二氧化碳的分离创造了一定条件，提取出来的二氧化碳还可以作为一种副产品使用，提高了经济性。如果采用纯氧燃烧，就可以实现二氧化碳的零排放。