富氧燃烧技术研究现状及发展前景

富氧燃烧技术研究现状及发展前景

摘要:当前锅炉富氧燃烧技术正在逐步发展,其应用的规模和范围正在不断扩大,本文讨论了氧燃烧技术的背景及意义，富氧燃烧可显著减少助燃空气量、烟气生成量，显著节约能源，且有利于减少和控制SO2 、CO2 的排放，同时阐述了富氧燃烧技术的理论基础以及应用,并详细介绍了国内外膜法制氧技术和富氧燃烧技术的发展历程及现状,最后对富氧燃烧技术的未来进行了展望,指出富氧燃烧技术在节能及环保方面将有广阔的前景。

关键词: 富氧燃烧; 应用; 节能；研究; 现状; 发展

1 富氧燃烧技术背景及意义

富氧燃烧(也称为O2 /CO2 燃烧)利用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂,这种燃烧方式可以使烟气CO2 的浓度高达85%以上,可不必分离而将大部分的烟气直接液化回收处理,有利于CO2 的回收,可以有效减少温室气体的排放,此外富氧燃烧还可以有效减少NOX 和SO2等污染物的排放,是一项高效节能的燃烧方式。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。燃烧是目前人类获取能量的一个最主要的手段,通过燃烧矿物燃料所获取的能量占世界总能量消耗的百分之九十以上。因此,燃烧过程组织得合理与否在很大程度上影响到能源的利用程度和能耗的降低。煤在富氧状态下燃烧，燃烧温度大大提高，可强化炉内传热，提高生产率；随着助燃空气中氧气含量的增加，助燃空气量显著减少，空气量的减少导致烟气量的减少，排烟热损失也就大大减少，提高了热效率，节约了能源。对富氧燃烧的工业应用而言，不同的应用就有不同的节能效果。

2 富氧燃烧技术理论基础

燃烧是由于燃料中可燃分子与氧分子之间发生高能碰撞而引起的,所以氧的供给情况决定了燃烧过程完成得是否充分。用比通常空气(含氧21% )含氧浓度高的富氧空气进行燃烧,称为富氧燃烧(oxygen enriched combustion) ,简称OEC。它是一项高效节能的燃烧技术,在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用。富氧燃烧与用普通空气燃烧相比有以下优点：

2. 1 充分燃烧，合理燃烧

常规的燃烧过程都存在着不足之处，局部缺氧。产生不完全燃烧，火焰温度偏低也会产生不完全燃烧，可燃物质变成烟尘排掉，浪费能源，造成大气污染。富氧燃烧针对缺氧区，局部增氧，使燃烧充分，火焰温度提高，辐射强度大幅提升，从而使热能的利用率大幅提升。例如：1、锅炉前后拱是缺氧区，前后拱上部是锅炉水管吸热区，富氧喷嘴在缺氧区注入富氧，不仅可以充分燃烧，同时可以拉高火焰，提高火焰的温度，在吸热区再次形成高温，增强热辐射。2、在隧道窑炉中富氧喷射在喷油枪的下方，在中下部缺氧区形成高温层，有利于被加热的产品获得热能，可燃物质被充分燃烧。总之，可以根据不同窑炉的燃烧要求，优选到最佳方案。

2. 2 氧浓度提高，火焰温度上升，热效率大幅度提高

富氧可以使火焰温度提高，燃烧反应过程稳定。火焰温度与节能效率密切相关，火焰温度提高，促进整个燃烧体（炉膛）温度上升。受热物质主要靠热辐射获得热能，辐射强度与温度的四次方成正比，炉膛温度上升虽不大，但热辐射强度大幅提升，受热物质更容易获得热量，热效率大幅提高。

2. 3 降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间

燃料的燃点温度随燃烧条件变化而变化。燃料的燃点温度不是一个常数,如CO 在空气中为609℃,在纯氧中仅388 ℃,所以用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等。表2为几种燃料在空气和氧气中的燃点。可见,加入氧气将有助于降低燃料的燃点温度。比如:市政垃圾的燃点很高,普通空气助燃下不易燃烧。日本三菱公司将富氧燃烧技术应用于垃圾焚烧炉中,收到了可观的经济和环保效益。

2. 4 降低过量空气系数,减少燃烧后的烟气量

用富氧代替空气助燃,可适当降低过量空气系数,减少排烟体积。用锅炉反平衡效率法计算锅炉效率时,我们会发现锅炉的排烟损失占锅炉热损失的很大比例,特别是在普通空气助燃的情况下,占助燃空气近4 /5体积的氮气并没参加燃烧反应,并且在燃烧过程中被同时加热,带走大量的热量。若使用氧浓度为21%的常规空气,按理论空气量燃烧的烟气量作为1计算时,随着含氧量的增加,烟气量有减少的倾

向。使用含氧量为27%的富氧空气燃烧与氧浓度为21%的空气燃烧比较,过量空气系数α = 1时,则烟气体积减少20% ,排烟热损失也相应减少而节能。

3 膜法富氧燃烧技术的研究和应用

3. 1 国外情况

早在上世纪80年代初,许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术,特别是日本,其通产省就资助组织了7家公司和研究所组成“膜法富氧燃烧技术研究组”。由于能源紧张,日本先后有近20家公司推出膜法富氧装置。该国曾在以气、油、煤燃烧的不同场合进行了各种富氧应用试验,得出如下结论: 用23%的富氧助燃可节能10% ～25%;用25%的富氧助燃可节能20% ～40% , 用27%的富氧助燃则节能高达30% ～50%等。联邦德国在一座马蹄型蓄热炉上用27%的富氧试验,使熔化率增加了56. 2%,能耗下降20% ,而熔化温度提高了100 ℃。瑞典、英国、德国在滚轧和铝熔炉装置上采用膜法富氧浓度25%～27%,节约燃料12%～28% ,而原设备生产率提高17% ～39%。美国WOLVER INE铜冶炼厂,采用29%的膜法富氧节约燃料可大于30%。此外,前苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧用于助燃的报道。值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧来助燃,所以投资非常大,故国外还没有广泛推广应用。

3. 2 国内情况

我国在上世纪80年代中期开始研究此项技术,并取得了可喜的成果。国内在这方面的研究也有十多家,如清华大学、东北大学、中科院大化所、中科院广州能源所、辽宁省锅炉技术研究所等单位对膜法制氧及富氧燃烧技术都进行了积极的探索与应用。中科院大连化物所自1986年起一直从事国家“七五”和“八五”科技攻关项目:卷式富氧膜、组件、装置及其应用和开发的研究,并且研制成功LTV -PS富氧膜。1990年“用于玻璃窑炉的高分子膜富氧装置及燃烧技术”的成果又通过了中国科学院和北京市人民政府组织的联合鉴定,被确定为国家“八五”新技术重点推广项目。辽宁省锅炉技术研究所对国内外相关领域也进行了广泛的探讨和调研。2004 年引进国外先进的制氧技术,设计生产出富氧助燃设备系统,并与丹东某玻璃器皿厂合作,对两台玻璃缸窑炉改造取得了成功并通过政府有关部门验收。大庆开发区三春节能技术有限公司开发推广锅炉富氧助燃装置走在国内