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。

3.强化炉内传热：随着氧浓度的提高，直接的影响就是造成炉内温度场的提高，使燃烧变的稳定，因此可以强化和稳定炉内换热。

4.减小锅炉整体尺寸：随着炉内传热的强化，可以减小炉内的受热面积，从而可以减小锅炉尺寸，节约材料等等。

总之，富氧燃烧是一种既能节能又能环保的理想燃烧方式。

煤粉在富氧条件下的燃烧特性对于化学反应aA+bB→cC+dD，根据质量作用定律，其化学反应速率为。

在温度一定时k值一定，化学反应速率仅与反应物A、B的浓度相关，增加某种反应物的浓度必定增加化学反应速率。

煤粉的燃烧过程包括以下几个阶段[10]：1.预热干燥阶段。

主要是将煤中水分蒸发出来，属于吸热过程。

2.挥发份析出并着火阶段。

主要是煤中所有的高分子碳氢化合物吸热，进行热分解，分解出一种混合可燃气体，即挥发份。

挥发份一经析出，便马上着火。

3.燃烧阶段。

包括挥发份和焦炭的燃烧。

首先是挥发分燃烧，放出大量热量供焦炭进行燃烧。

随之焦炭燃烧，这个过程需要大量的氧气，以保证燃烧的需要，温度急剧上升，以保证燃料燃烧反应所需要的温度条件。

4.燃尽阶段。

主要是残余的焦炭最后燃尽，形成灰渣。

实际上，以上四个阶段是交错进行的，加以区分只是为了更加方便地分析问题。

以上阶段最重要的是着火和燃尽两个阶段。

只有实现稳定的着火，煤粉的燃烧和燃尽阶段才能进行，燃烧效率才有可能提高。

另外可以看到，在着火和燃尽阶段中，必须提供足够的氧气进行燃烧，一般意义上的燃烧即为在空气条件下的燃烧。

对于煤粉来讲，如果能够提高氧气浓度，即富氧条件，必然使着火更加稳定，燃烧更加剧烈，燃尽度提高。

图2 文献[10]研究煤粉燃烧特性的装置示意图图3 某种煤在不同氧浓度下的火焰照片文献[11]采用如图2所示的装置对某种煤进行了富氧燃烧特性研究。

从图3看出，在不同氧浓度下，煤粉的着火火焰有很大不同。

当氧浓度为6%时，火炬很长，且火焰明亮度弱；随着氧浓度的提高，着火距离变短，同时整个火炬变短，火焰变白变亮。

另一方面，由于着火距离变短，整个挥发份析出和燃烧过程提前。

因此，氧气对于挥发份的析出燃烧和焦炭的燃烧具有重要作用。

文献[12]，[13]，[14]对煤粉在富氧条件下的燃烧特性进行了研究。

采用热天平分析的方法，得到了煤粉的着火温度、燃烧速率以及燃尽温度、燃尽率随氧浓度变化的规律。

文献[12]，[13]对神木煤进行了研究。

随着氧的体积分数的增大，煤样的着火温度及燃尽温度均呈下降趋势，着火时间提前，燃烧时间缩短，煤粉的综合燃烧特性指数提高；当氧的体积分数小于40%左右时，煤粉燃烧特性的改变较大，当氧的体积分数大于40%时,改善趋势变缓。

因此，采用膜法富氧燃烧或助燃时，宜采用的氧的体积分数范围为30%～40%。

图4 神木煤在不同氧浓度下的DTG曲线图5 氧的体积分数对着火温度和燃尽温度的影响图6 氧的体积分数对煤粉未燃尽率的影响文献[14]对神混8号，富动12，富动23和优混煤等进行了富氧气氛的热分析试验。

除了得到文献[12]，[13]的结论外，还得到了不同煤种的富氧燃烧特性的差别。

如图7所示，图7不同煤种最大燃烧速度随氧气浓度变化情况神混8号和富动23的最大燃烧速率随氧浓度变化较大，而优混和富动12则变化不大。

这说明煤粉的燃烧受氧浓度的影响还和煤种本身性质有关。

由于热天平分析方法是在静态程序升温条件下进行，且升温速率不高，这和实际的燃烧过程有很大差异。