摘　要:當(dāng)前鍋爐富氧燃燒技術(shù)正在逐步發(fā)展,其應(yīng)用的規(guī)模和范圍正在不斷擴(kuò)大,本文討論了氧燃燒技術(shù)的背景及意義，富氧燃燒可顯著減少助燃空氣量、煙氣生成量，顯著節(jié)約能源，且有利于減少和控制SO2 、CO2 的排放，同時(shí)闡述了富氧燃燒技術(shù)的理論基礎(chǔ)以及應(yīng)用,并詳細(xì)介紹了國內(nèi)外膜法制氧技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀,最后對(duì)富氧燃燒技術(shù)的未來進(jìn)行了展望,指出富氧燃燒技術(shù)在節(jié)能及環(huán)保方面將有廣闊的前景。
    關(guān)鍵詞: 富氧燃燒; 應(yīng)用; 節(jié)能；研究; 現(xiàn)狀; 發(fā)展
    1　富氧燃燒技術(shù)背景及意義
    富氧燃燒(也稱為O2 /CO2 燃燒)利用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐排氣構(gòu)成的混合氣代替空氣做礦物燃料燃燒時(shí)的氧化劑,這種燃燒方式可以使煙氣CO2 的濃度高達(dá)85%以上,可不必分離而將大部分的煙氣直接液化回收處理,有利于CO2 的回收,可以有效減少溫室氣體的排放,此外富氧燃燒還可以有效減少NOX 和SO2等污染物的排放,是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒方式。為了使燃料充分燃燒, 一般工業(yè)燃燒裝置中的燃料都應(yīng)該在富氧燃燒工況下進(jìn)行。燃燒是目前人類獲取能量的一個(gè)最主要的手段,通過燃燒礦物燃料所獲取的能量占世界總能量消耗的百分之九十以上。因此,燃燒過程組織得合理與否在很大程度上影響到能源的利用程度和能耗的降低。煤在富氧狀態(tài)下燃燒，燃燒溫度大大提高，可強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，提高生產(chǎn)率；隨著助燃空氣中氧氣含量的增加，助燃空氣量顯著減少，空氣量的減少導(dǎo)致煙氣量的減少，排煙熱損失也就大大減少，提高了熱效率，節(jié)約了能源。對(duì)富氧燃燒的工業(yè)應(yīng)用而言，不同的應(yīng)用就有不同的節(jié)能效果。
    2　富氧燃燒技術(shù)理論基礎(chǔ)
    燃燒是由于燃料中可燃分子與氧分子之間發(fā)生高能碰撞而引起的,所以氧的供給情況決定了燃燒過程完成得是否充分。用比通常空氣(含氧21% )含氧濃度高的富氧空氣進(jìn)行燃燒,稱為富氧燃燒(oxygen enriched combustion) ,簡稱OEC。它是一項(xiàng)高效節(jié)能的燃燒技術(shù),在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)及熱能工程領(lǐng)域均有應(yīng)用。富氧燃燒與用普通空氣燃燒相比有以下優(yōu)點(diǎn)：
    2. 1 充分燃燒，合理燃燒
    常規(guī)的燃燒過程都存在著不足之處，局部缺氧。產(chǎn)生不*燃燒，火焰溫度偏低也會(huì)產(chǎn)生不*燃燒，可燃物質(zhì)變成煙塵排掉，浪費(fèi)能源，造成大氣污染。富氧燃燒針對(duì)缺氧區(qū)，局部增氧，使燃燒充分，火焰溫度提高，輻射強(qiáng)度大幅提升，從而使熱能的利用率大幅提升。 例如：1、鍋爐前后拱是缺氧區(qū)，前后拱上部是鍋爐水管吸熱區(qū)，富氧噴嘴在缺氧區(qū)注入富氧，不僅可以充分燃燒，同時(shí)可以拉高火焰，提高火焰的溫度，在吸熱區(qū)再次形成高溫，增強(qiáng)熱輻射。2、在隧道窯爐中富氧噴射在噴油槍的下方，在中下部缺氧區(qū)形成高溫層，有利于被加熱的產(chǎn)品獲得熱能，可燃物質(zhì)被充分燃燒?？傊梢愿鶕?jù)不同窯爐的燃燒要求，優(yōu)選到最佳方案。
    2. 2 氧濃度提高，火焰溫度上升，熱效率大幅度提高
    富氧可以使火焰溫度提高，燃燒反應(yīng)過程穩(wěn)定?；鹧鏈囟扰c節(jié)能效率密切相關(guān)，火焰溫度提高，促進(jìn)整個(gè)燃燒體（爐膛）溫度上升。受熱物質(zhì)主要靠熱輻射獲得熱能，輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，爐膛溫度上升雖不大，但熱輻射強(qiáng)度大幅提升，受熱物質(zhì)更容易獲得熱量，熱效率大幅提高。
    2. 3　降低燃料的燃點(diǎn)溫度和減少燃盡時(shí)間
    燃料的燃點(diǎn)溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù),如CO 在空氣中為609℃,在純氧中僅388 ℃,所以用富氧助燃能提高火焰強(qiáng)度、增加釋放熱量等。表2為幾種燃料在空氣和氧氣中的燃點(diǎn)?？梢?加入氧氣將有助于降低燃料的燃點(diǎn)溫度。比如:市政垃圾的燃點(diǎn)很高,普通空氣助燃下不易燃燒。日本三菱公司將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中,收到了可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。
    2. 4　降低過量空氣系數(shù),減少燃燒后的煙氣量
    用富氧代替空氣助燃,可適當(dāng)降低過量空氣系數(shù),減少排煙體積。用鍋爐反平衡效率法計(jì)算鍋爐效率時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)鍋爐的排煙損失占鍋爐熱損失的很大比例,特別是在普通空氣助燃的情況下,占助燃空氣近4 /5體積的氮?dú)獠]參加燃燒反應(yīng),并且在燃燒過程中被同時(shí)加熱,帶走大量的熱量。若使用氧濃度為21%的常規(guī)空氣,按理論空氣量燃燒的煙氣量作為1計(jì)算時(shí),隨著含氧量的增加,煙氣量有減少的傾向。使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較,過量空氣系數(shù)α = 1時(shí),則煙氣體積減少20% ,排煙熱損失也相應(yīng)減少而節(jié)能。
    3　膜法富氧燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用
    3. 1　國外情況
    早在上世紀(jì)80年代初,許多發(fā)達(dá)國家都投入了大量人力物力來研究膜法富氧技術(shù),特別是日本,其通產(chǎn)省就資助組織了7家公司和研究所組成“膜法富氧燃燒技術(shù)研究組"。由于能源緊張,日本先后有近20家公司推出膜法富氧裝置。該國曾在以氣、油、煤燃燒的不同場合進(jìn)行了各種富氧應(yīng)用試驗(yàn),得出如下結(jié)論: 用23%的富氧助燃可節(jié)能10% ～25%;用25%的富氧助燃可節(jié)能20% ～40% , 用27%的富氧助燃則節(jié)能高達(dá)30% ～50%等。聯(lián)邦德國在一座馬蹄型蓄熱爐上用27%的富氧試驗(yàn),使熔化率增加了56. 2%,能耗下降20% ,而熔化溫度提高了100 ℃。瑞典、英國、德國在滾軋和鋁熔爐裝置上采用膜法富氧濃度25%～27%,節(jié)約燃料12%～28% ,而原設(shè)備生產(chǎn)率提高17% ～39%。美國WOLVER INE銅冶煉廠,采用29%的膜法富氧節(jié)約燃料可大于30%。此外,前蘇聯(lián)、英國、法國、捷克等均有膜法富氧用于助燃的報(bào)道。值得一提的是國外絕大部分用的是整體增氧來助燃,所以投資非常大,故國外還沒有廣泛推廣應(yīng)用。
    3. 2　國內(nèi)情況
    我國在上世紀(jì)80年代中期開始研究此項(xiàng)技術(shù),并取得了可喜的成果。國內(nèi)在這方面的研究也有十多家,如清華大學(xué)、東北大學(xué)、中科院大化所、中科院廣州能源所、遼寧省鍋爐技術(shù)研究所等單位對(duì)膜法制氧及富氧燃燒技術(shù)都進(jìn)行了積極的探索與應(yīng)用。中科院大連化物所自1986年起一直從事國家“七五"和“八五"科技攻關(guān)項(xiàng)目:卷式富氧膜、組件、裝置及其應(yīng)用和開發(fā)的研究,并且研制成功LTV -PS富氧膜。1990年“用于玻璃窯爐的高分子膜富氧裝置及燃燒技術(shù)"的成果又通過了中國科學(xué)院和北京市人民政府組織的聯(lián)合鑒定,被確定為國家“八五"新技術(shù)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。遼寧省鍋爐技術(shù)研究所對(duì)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域也進(jìn)行了廣泛的探討和調(diào)研。,設(shè)計(jì)生產(chǎn)出富氧助燃設(shè)備系統(tǒng),并與丹東某玻璃器皿廠合作,對(duì)兩臺(tái)玻璃缸窯爐改造取得了成功并通過政府有關(guān)部門驗(yàn)收。大慶開發(fā)區(qū)三春節(jié)能技術(shù)有限公司開發(fā)推廣鍋爐富氧助燃裝置走在國內(nèi)前列, 2005年獲得國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助。2004年至2006年為黑龍江華潤酒精公司6臺(tái)45 t/h拋煤機(jī)蒸汽鍋爐配置了富氧助燃裝置,取得良好效果。在局部富氧濃度29%情況下,節(jié)能6. 37% ,煙氣黑度由原來的林格曼5級(jí)降到林格曼2級(jí),滿足該地區(qū)的環(huán)保要求。2007年以來,該公司先后在大慶石油管理局物業(yè)集團(tuán)八百晌供熱管理處的29MW熱水鍋爐,安徽氯堿化工集團(tuán)4臺(tái)35 t/h拋煤機(jī)蒸汽鍋爐上應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù),均獲得滿意效果。吉林大學(xué)2007年完成國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目《鍋爐增氧助燃燃燒實(shí)驗(yàn)與理論研究》。設(shè)計(jì)及研制出鍋爐富氧助燃燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái),在實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一系列富氧助燃的熱工特性及燃燒特性實(shí)驗(yàn)。其試驗(yàn)研究表明富氧助燃技術(shù)能夠加快燃燒速度、促進(jìn)燃燒*、提高火焰溫度、減少燃燒后的煙氣量,節(jié)省能源,具有實(shí)用性。吉林大學(xué)建立了富氧助燃燃燒的數(shù)學(xué)模型,采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論計(jì)算及模擬分析,為富氧助燃技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。此項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)及理論研究對(duì)實(shí)際鍋爐富氧助燃裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)具有重要意義。
    4　富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用
    1、產(chǎn)品前景好的企業(yè)。在節(jié)能的同時(shí)又可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)品率，增強(qiáng)市場的競爭力。
    2、在城市、市鎮(zhèn)人口稠密的地區(qū)企業(yè)，使用富氧燃燒既可以節(jié)能。
    3、燃油、燃煤的能耗大戶，如熱電廠、工業(yè)鍋爐油田鍋爐、煤氣發(fā)生爐、陶瓷墻地磚燃燒爐、鋼錠加熱爐、水泥窯爐等使用富氧燃燒技術(shù)既節(jié)能又增產(chǎn)，效益明顯。廢氣排放達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，既去掉企業(yè)法人心中負(fù)擔(dān)，又造福人類；城市垃圾焚燒，富氧燃燒使垃圾著火點(diǎn)下降，火焰溫度升高，減少耗煤量。
    4、有需要生產(chǎn)和使用氮?dú)獾钠髽I(yè)。國內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)中需要氮?dú)?。采用我公司制取氮?dú)獾姆椒?，在得到氮?dú)獾耐瑫r(shí)，分離出富氧用于燃燒。氮?dú)庠跐舛瓤梢赃_(dá)到95-99.9%，經(jīng)過凈化后可以達(dá)到99.9995%，露點(diǎn)達(dá)到-40℃— -70℃。采用我公司的工藝，不僅得到的氮?dú)獠灰杀荆ǜ谎跞紵磕戤a(chǎn)生的節(jié)能效益是裝置投資的2-3倍），而且可以實(shí)現(xiàn)富氧燃燒，節(jié)省能源，保護(hù)環(huán)境。該裝置使用壽命十年以上，一套設(shè)備兩種用途，投資少，效益高。
    5、使用壓縮空氣的企業(yè)。把壓縮空氣中的氧氣分離出來用于燃燒，而壓縮空氣分離掉氧氣后，壓力不降低，純度更加好，提高了使用質(zhì)量。因有了氣源，富氧燃燒裝置投資大幅下降，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)成本接近零消耗。
    6、高原地區(qū)更需要富氧空氣，海拔高空氣中的氧含量降低，工業(yè)窯爐在低氧情況下，無法正常工作，燃燒不充分，浪費(fèi)燃料，產(chǎn)生環(huán)境污染嚴(yán)重，富氧技術(shù)可以解決上述問題。
    7、需要在室內(nèi)提高氧濃度用于呼吸的場所，如氧吧、醫(yī)院和高原地區(qū)的機(jī)場、賓館、列車上及人口較密集的建筑物內(nèi)。生化發(fā)酵，養(yǎng)殖業(yè)等都需要富氧。
   
    5.結(jié)語
    采用富氧燃燒可提高生產(chǎn)率和節(jié)能，還有利于減少和控制SO2 ，CO2 的排放，但會(huì)明顯增加NOX 的排放。因此，為了推廣煤的富氧潔凈燃燒技術(shù)，需要深入研究。煤富氧燃燒時(shí)SO2 ，NOX 的產(chǎn)生機(jī)理，特別是低硫煤富氧燃燒爐內(nèi)脫硫脫硝的基礎(chǔ)研究，尋找有效控制富氧燃燒SO2 , NOX 排放措施，以獲得節(jié)能與環(huán)保的雙重效益。富氧燃燒技術(shù)同時(shí)還存在一些問題,主要是氧氣的制備和煙氣中CO2 的回收所需費(fèi)用比較高,如何降低氧氣制備和CO2 回收處理技術(shù)的成本和能耗是其面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。