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1 富氧燃燒簡介
富氧燃燒的概念在 1981年由 Homne 和 Steinburg 首次提出，并得到美國阿貢國家實驗室的驗證。簡單來講，富氧燃燒是指采用含氧濃度比常規空氣（含氧21%）更高的富氧空氣或純氧作為助燃氣休，是一項高效節能的燃燒技術。鑒于我國能源利用量及污染物排放年年攀升，深入研究能源高效潔凈化利用，開發高效、潔凈的燃燒發電技術，是保障國民經濟持續健康快速發展和保護環境的迫切需要。富氧燃燒不僅能提高燃料利用率，又能夠有效降低燃燒后各種排放物的有害程度，對于節能減排有很好的應用前景。
與用普通空氣燃燒相比，富氧燃燒主要有以下優點。
1）提高火焰溫度和黑度，降低燃料的燃點溫度，促進燃燒完全。
2）降低過量空氣系數，減少燃燒后的煙氣量。
3）有效降低NO的生成量。
4）有效減少煙氣量，簡化了煙氣處理系統。
5）既適合新建鍋爐，又適合舊鍋爐的改造。
2 富氧燃燒在燃煤氣鍋爐中的應用研究
近幾年，小容量高參數的煤氣發電項目在全國各地大小鋼廠中如雨后春筍般出現，煤氣發電本身就是對鋼廠在各生產工藝流程中的廢氣進行回收利用，如果能將富氧燃燒技術應用于燃煤氣鍋爐，對于能源的再利用將起到錦上添花的效果。
2.1 富氧燃燒工沉下理論燃燒溫度的影響
輻射換熱是鍋爐換熱的主要方式之一，煙氣中起輻射作用的主要是三原子氣體，原子氣體幾乎沒有輻射能力。所以在常規空氣助燃的情況下，無輻射能力的氮氣所占比例很高，因此煙氣黑度較低，影響了煙氣對鍋爐受熱面的輻射換熱。如采用富氧空氣來助燃，煙氣中的氮氣份額大大除低、故火焰溫度和黑度會大幅提高。另外，富氧燃燒會提高火焰的燃燒強度，加快燃燒速度，獲得更好的傳熱效果，有利干點料反應完全。
表1是燃煤氣鈉爐富氧燃燒改造的計算數據，可以看出隨著助燃空氣中含氧量的增加，理論燃燒溫度隨之升高;含氧量為30%空氣助燃時，理論燃燒溫度比常規空氣助燃時提高了211℃，但當采用35%富氧空氣助燃時，由于煙氣再循環比例提高，導致理論燃燒溫度下降，表明助燃空氣中的含氧量并非越高越好，實際應用中當選取合理的富氧比例。
表1 空氣中含氧量與火焰溫度的關系
|
空氣含氧量/% |
理論燃燒溫度/℃ |
過量空氣系數 |
煙氣再循環比例 |
|
21（常規空氣） |
1407 |
1.2 |
0% |
|
23 |
1518 |
1.2 |
0% |
|
25 |
1540 |
1.15 |
0% |
|
30 |
1618 |
1.1 |
5% |
|
35 |
1584 |
1.1 |
15% |
2.2 富氧燃燒工況下煙氣量的對比分析
眾所周知，鍋爐的各項熱損失中，占比*大的是排煙熱損失;尤其對于燃鋼廠煤氣的鍋爐，煙氣量大是煤氣鍋爐的顯著特點，因此如能降低鍋爐排煙量，便可大幅提高鍋爐熱效率。采用富氧空氣參與燃燒，由于空氣中氮氣占比大幅下降，同時理論空氣量也減少，因此可以有效降低煙氣量。表2是針對該鋼廠煤氣鍋爐的計算結果（煙氣再循環量見表1），數據表明隨著助燃空氣中含氧氣量的增加，單位燃料燃燒后的煙氣量不斷減少，并且煙氣中三原子氣體的比例在增加。在排煙溫度不變的情況下，排煙熱損失必然隨著煙氣量減少而降低，從而顯著提升鍋爐熱效率。對于新設計的富氧燃燒鍋爐，由于煙氣量大幅下降，受熱面的布置方面可以更加優化，減少鍋爐設備鋼材使用量。
表2 燃燒產物與空氣中含氧量的關系
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空氣含氧量/% |
H2O（%） |
N2（%） |
CO2（%） |
煙氣體積（m³/m³） |
|
21（常規空氣） |
6.7 |
66 |
25.5 |
1.744 |
|
23 |
7 |
64.3 |
27 |
1.643 |
|
25 |
7.4 |
62.7 |
28.7 |
1.546 |
|
30 |
8 |
59.7 |
31.6 |
1.405 |
|
35 |
8.4 |
57.4 |
33.5 |
1.325 |
2.3 過量空氣系數與鍋爐效率的關系
燃氣鍋爐運行中，過量空氣系數的選取非常重要，過量空氣少了會導致燃燒不完全，增加Q3熱損失;過量空氣多了會降低煙氣的輻射能力，受熱面的利用率降低，更為重要的是過量空氣的多少會直接影響鍋爐熱效率。本改造項目中，由于燃料主要是燃點較高的高爐煤氣，為保證燃燒完全，采用了較高的過量空氣系數。但當采用富氧燃燒時，由于火焰溫度提高，燃料燃點在富氧條件下也有所降低，因此可以采用較低的過量空氣系數（見表1）。研究表明，過量空氣系數越低，鍋爐可利用熱量越高（見圖1）。所以在采用富氧燃燒的鍋爐中，取較低的過量空氣系數，既可以保證燃燒完全，又可以減少排煙熱損失，鍋爐效率明顯提高。
2.4富氧燃燒過程中氣體濃度的監測
在工業過程中，企業對氧氣含量的監測十分重視，一般會采用實時監測的氣體濃度監測設備防患于未然。在富氧燃燒工藝中的應用氣體監測設備的目的是主要為了提高燃燒效率節約成本，在煙氣排出口會安裝煙氣監測系統來監測排放氣體是否達到國家要求的排放標準。氣體監測設備對工業工藝具有很大的指導意義。
3 結語
從對該項目鋼廠煤氣爐的改造研究來看，采用富氧燃燒將有效提高鋼爐的熱效率，節約燃料消耗量，或者提高鍋爐蒸發量，從而提高燃料的利用率，為企業創造更高的經濟價值。如果在新建鍋爐項目中按采用富氧燃燒來設計，由于煙氣量大幅縮小，鍋爐受熱面的布置可以更加緊湊，將大大降低鋼材消耗。
