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1、富氧燃烧技术综述1. 富氧燃烧发展背景及意义燃烧目前仍然是人类利用能源获取能量的主要方式。目前化石燃料的大量使用给环境带来了很多不利的影响（例如排放出大量温室气体、氮氧化合物、硫化物等）。同时，石油煤炭等化石燃料的储量毕竟有限，但现代工业的发展使得能源消耗的速度剧增，因此迫切需要一种节能燃烧技术。富氧燃烧就是这样一种既能提高燃烧效率，又能降低污染物排放的燃烧技术。富氧燃烧在上世纪50年代被提出用于炼钢，高氧浓度助燃气体能提高火焰温度同时更好的将铁中的碳氧化分离。后又被运用于玻璃熔炉，来提高熔化玻璃的能力。而在21世纪初国内高校开始了对电站燃煤锅炉富氧燃烧的实验。2. 富氧燃烧简介使用比普通空气
2、含氧浓度（21%）高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧（oxygen enriched combustion），简称OEC。助燃空气中氧气的浓度可以从22%直到使用纯氧助燃。在实际运用中，一般将氧气与再循环的烟气混合进行燃烧防止火焰的温度过高。图 Error! Main Document Only. 燃烧过程示意图空气氮气氧气燃料锅炉烟气烟气处理再循环燃烧过程示意图如图 1所示 吴黎明,潘卫国,郭瑞堂,张晓波. 富氧燃烧技术的研究进展与分析J. 锅炉技术,2011,01:36-38+68.3. 制氧方法简介富氧燃烧技术的前提是氧气的制取。目前，氧气的制取主要有三种方法。精馏（深冷）法：即利用空气
3、所含组分沸点的区别，将净化的空气压缩、 冷却、液化，再多次蒸发、多次冷凝，精馏分离得到氧气。这种方法需要将空气低温冷冻，工业上称为深度冷冻，因此又称深冷法。这种方法因为设备费用大，边际成本低，适用于大规模生产氧气，得到的氧气纯度高（可达99%）。变压吸附（PSA）法：这种方法利用了吸附剂对不同气体的吸附和脱吸附能力不同的特点，将空气加压吸附于吸附剂上，再在不同压强下将空气中不同组分脱吸附出来。这种方法只用于中小规模，得到的氧气纯度中等（90%95%）。膜分离法：这种方法利用了膜对不同气体的渗透性能不同，采用类似于过滤的方法将氧气从空气中分离。这种方法投资少，得到的氧气浓度低（25%40%）。规
4、模越小，采用膜法制氧就越经济。三种制氧方法的特点对比见表 1牛天况. 富氧燃烧锅炉初探J. 锅炉技术,2008,01:25-31.。表 1 各种氧气制备方法的比较深冷分离法变压吸附 ( PSA ) 法膜分离法原理利用液化后各组分沸点差异来精馏分离利用吸附剂对特定气体的吸附和脱吸附能力利用膜对于特定气体的选择渗透性能技术阶段历史久，技术成熟处于技术革新处于技术开发和市场开发装置规模大规模(设备费用大)中、小规模小规模或超小型气体种类O2, N2, Ar, Kr, Xe 等O2, N2, H2, CO2, CO 等O2, N2, H2, CO2, Co 等产品气浓度纯度高 (99%)中纯度 (90
5、%95%)低浓度 ( 25%40%)耗电量(按照30 %氧气浓度换算) kW h/ Nm30.040.080.050.150.060.12其他特征适用于大规模生产，低温，产品气为干气产品气处于加压状态，塔阀自动切换可无人运行，吸附剂寿命10年以上，产品为干气可间歇或连续操作，操作简单，可无人运行，膜寿命可达数年，无噪声清洁生产，产品为干气或湿润气体富氧燃烧锅炉的应用大型纯氧燃烧捕获 CO2垃圾焚烧炉降低二恶英和CO富氧燃烧用以提高锅炉效率工程实例I H I 在澳大利亚300 MW等级的示范工程三菱重工供货垃圾焚烧炉：2004年奥地利 264吨/天，2005年日本3台250吨/天1998 年在江
6、苏省阜宁化肥厂20 t / h燃煤锅炉应用富氧燃烧;19962000 年在江苏、大港和胜利油田的24t/h的燃气和燃油锅炉应用富氧燃烧4. 富氧燃烧的特点富氧燃烧相比于普通空气燃烧有如下特点。4.1 燃烧过程图 Error! Main Document Only. 烟气黑度与氧气浓度关系在锅炉中火焰温度很高，此时辐射换热是主要的换热方式，而只有三原子或多原子气体才具有辐射能力。因此，普通空气燃烧时，炉内存在大量辐射能力低的氮气，辐射换热强度不高，采用富氧燃烧，火焰温度提高，炉内二氧化碳的浓度也显著提高，火焰黑度大大提高（如图 2所示）张霞,童莉葛,王立,刘传平. 富氧燃烧技术的应用现状分析J.
7、 冶金能源,2007,06:41-44+60.，能有效提高炉内的辐射换热强度。氧气能够促进燃烧。在较高的氧浓度气氛下，相同燃料的燃烧时间会缩短，因此可以提高锅炉的功率。其次，富氧环境还能使燃料燃烧得更加彻底，提高燃料的利用率。同时，富氧燃烧可以使用更加难燃的燃料，如无烟煤、垃圾等。三菱重工就开发过利用富氧燃烧技术的垃圾焚烧炉。邹峥、罗鸿春的研究表明，增加氧浓度可以提高燃烧强度，加快燃烧速度。氧浓度的增加使得龙岩煤的着火温度和燃尽温度都降低，而且氧浓度的增加可以使着火提前，燃烧时间缩短，促进燃烧完全。邹峥,罗鸿春. 福建无烟煤富氧燃烧的应用性研究J. 能源与环境,2008,06:2-3.此外富氧
8、燃烧采用的烟气再循环技术，会使烟气中未燃尽的燃料颗粒回到炉中继续燃烧，增加了燃料颗粒在炉中停留的时间，使得燃料燃烧更为彻底和完全。李庆钊等人发现O2/CO2气氛相比于O2/N2气氛，火焰的传播速度明显降低。即仅用CO2取代N2不利于煤焦的燃烧及燃尽。改变煤粉粒度和氧气浓度可以改变反应速度，但煤粉粒度不影响反应机理。李庆钊,赵长遂,武卫芳,李英杰,段伦博. 基于TG-FTIR研究O_2/CO_2气氛下烟煤的燃烧特性J. 东南大学学报(自然科学版),2007,06:990-995.O2/CO2气氛下燃烧性能较差可能是由于CO2为三原子气体，热容较大，燃烧时不利于热量向周围扩散。因此火焰传播速度偏低
9、。4.2 燃烧产物富氧燃烧技术可以降低过量空气系数，减少烟气中氮气的含量，同时还使用了烟气再循环，这些最终都会减少烟气量，减少排烟热损失。而锅炉各项热损失中排烟热损失占了最大的比例。富氧燃烧显著减少了排烟量从而使SO2等污染性气体在烟气中的浓度增加（这是由烟气量的减少引起的，富氧燃烧并不会导致污染性气体总量增加。）。因此，在使用石灰石吸附处理烟气时，能提高石灰石与污染性气体接触的机率，提高脱硫效率，同时也使钙利用率提高。Eric Croiset观察到富氧燃烧情况下SO2的排放总量是减少的。他认为主要是由于高浓度氧气促使SO2向SO3转化，降低了含硫气体的露点，使含硫气体附着于灰渣和烟道低温部分
10、的表面。 TAN, Yewen, et al. Combustion characteristics of coal in a mixture of oxygen and recycled flue gas.Fuel, 2006, 85.4: 507-512.富氧燃烧烟气是高二氧化碳气氛，使得燃料燃烧产生的CO量增加，在煤焦表面与发生NO/CO/Char反应周慧,周耀来,李云鹏. 富氧燃烧技术及其对环境的影响研究综述J. 华东电力,2008,09:111-113.，促进了NOX的分解，减少NOX排放。但是，氧浓度的提高也会使热力型NOX生成量提高，此时就需要配合使用分级燃烧，在主燃烧区的还原气
11、氛下将NOX还原分解。富氧燃烧和NOX生成的机理将在后文阐述。富氧燃烧使得烟气中的CO2浓度很高，有条件将锅炉排出的烟气直接压缩回收，实现“零排放”。4.3 热负荷分配富氧燃烧使得烟气量大量减少，会导致烟气流速下降，对流换热减弱等问题。相同功率的锅炉结构更加紧凑，炉膛内部和对流烟道中的换热比例减小，外置式换热器传递的热量所占比例会相应增加。5. 燃烧技术 郑蕾,康子晋,张蕾,赵钦新. 增氧燃烧的原理及其在热能工程中的应用J. 工业锅炉,2004,03:10-14.5.1 预混富氧预混富氧指预先将空气与氧气混合成富氧空气，再与燃料混合进入炉膛燃烧的富氧燃烧技术。这种方法用于需要的氧浓度较低的场合
12、。由于这种方式只需要改变投入一次风的部件，改造简单，因此许多传统燃烧器都可以调整为这种富氧燃烧方式。但是由于一次风中含氧量过高，会出现火焰较短、燃烧器喷嘴温度过高等问题。5.2 混氧燃烧混氧燃烧技术将燃料与氧气预先混合，再混入空气进行燃烧。这种方法使燃料与氧气混合得更均匀。若是燃烧器有两个燃料进口，只需将其中一个改为输入纯氧即可，改造成本低。这种方法也存在火焰变短、燃烧器喷嘴温度过高等问题。5.3 射氧燃烧射氧燃烧技术使用原有的普通燃烧器，另在炉壁上开一个小孔，将氧气射入炉内助燃。相比于预混富氧，这种燃烧方式改造更简单，并且无须担心燃烧器喷嘴过热。5.4 纯氧燃烧纯氧燃烧指仅将氧气与燃料混合而
13、不混入空气的燃烧方式。一般工业应用中，燃料与氧气在管道中保持分离，直到燃烧器喷嘴处才进行混合。这种方法一般不用于电站锅炉。6. 富氧燃烧与NOX生成6.1 NOX生成机理6.1.1 热力型NOX热力型NOX生成服从Zeldovich反应式。即：O2+N2O+NO+N2NO+NN+O2NO+O总反应式为：N2+O22NONO+12O2NO2为了降低NOX生成量，需要控制好氧气浓度。N2浓度过高或燃烧温度过高都会促进热力型NOX的产生。6.1.2 速度型NOX碳氢化合物燃料燃烧时，若燃料过浓，则会产生快速型NOx。它由Fenimore在 1971年通过实验发现。碳氢化合物高温会分解生成CH自由基。
14、CH自由基与空气中N2反应生成HCN和N，再进一步与氧气快速反应生成NOX。炉膛压力越大，快速型NOx产生速度越快。以上两种NOx在燃烧产生的NOx中都不是主要成分。而燃料型NOx占了燃烧NOx产物中的大部分。富氧燃烧采用CO2代替N2燃烧，减少了热力型NOX和快速型NOX的产生。6.1.3 燃料型NOx燃料型NOx生成过程为：首先，含氮有机化合物热裂解产生N，CN，HCN等基团，再被氧化成NOx 。6.2 富氧燃烧对NOX生成的影响富氧燃烧总体来说减少了NOX的排放量。一方面，富氧条件使得热力型NOX生成增多，但影响不大。另一方面烟气再循环使NOX在炉内的停留时间增加。在主燃烧区的富燃料区会被还原为N2。因此，若使用分级燃烧，可以有效降低NOX生成量。锅炉中NOX的产生机理十分复杂，并且影响因素很多，目前还没有一个统一的理论或公式能表现各项参数对NOX生成量的影响。因此还需要进一步实验和研究。
