富氧燃燒技術(shù)與污染物排放

富氧燃燒是一種新興的燃燒技術(shù)。富氧燃燒能夠顯著提高燃燒效率和火焰溫度，但由于制氧成本較高的問(wèn)題，在上世紀(jì)80年代經(jīng)歷黃金成長(zhǎng)期之后，發(fā)展速度放緩。而后隨著制氧方法的進(jìn)步，尤其是富氧膜技術(shù)的進(jìn)展，富氧燃燒技術(shù)近20年來(lái)逐漸推廣。而且，富氧燃燒也便于在現(xiàn)有鍋爐設(shè)備上改造實(shí)現(xiàn)，具有可預(yù)期的良好發(fā)展前景。

與普通的空氣燃燒相比，富氧燃燒技術(shù)可以顯著節(jié)約能源，其對(duì)環(huán)境的影響方面也具有不同特點(diǎn)。其中既有有利的一面，也有不利的一面。本文主要從較為常見(jiàn)的碳排放、粉塵污染、二氧化硫和氮氧化物的排放四個(gè)方面來(lái)討論富氧燃燒對(duì)環(huán)境的影響。

1 富氧燃燒對(duì)碳排放的影響

在對(duì)CO2排放限制越發(fā)嚴(yán)苛的當(dāng)代社會(huì)，節(jié)能減排是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。常規(guī)的燃燒方式都存在著不足之處，局部缺氧會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒，火焰溫度偏低也會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒，浪費(fèi)燃料，而作為粉塵排放的未燃燒燃料也會(huì)造成大氣污染。

富氧燃燒針對(duì)缺氧區(qū)，局部增氧，可使燃料燃點(diǎn)降低，燃燒速度增快，燃料燃燒更徹底，而火焰溫度則會(huì)提高。根據(jù)維恩位移定律，輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，可使熱能的利用率大幅提升。

同時(shí)，富氧燃燒可以減少鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量和高溫?zé)煔獾呐欧帕浚山档蜔崮軗p失。空氣中氧氣的含量占20.94%，而不助燃的氮?dú)庹?8.097%。在燃燒過(guò)程中，氮?dú)鈳ё吡舜罅繜崃浚捎酶谎跞紵罂蓽p少進(jìn)風(fēng)量，即減少了熱能的流失，并且由于風(fēng)量的下降，可以使用功率更小的風(fēng)機(jī)。

假設(shè)燃料完全燃燒，空氣含氧量φ=21%，理論氧氣量為Vo，過(guò)量空氣系數(shù)a=1.2，實(shí)際空氣量為Va，則

Va=a

根據(jù)以上公式，設(shè)某工況理論氧氣量為1 m3/s，可列表1。

對(duì)某煤種燃燒的分析，當(dāng)助燃空氣含氧率從21%升高至30%時(shí)，理論空氣量減少30.0%，理論煙氣量減少28.8%，損失減少16.3%。據(jù)介紹，日本將23%的富氧用于化鐵爐，節(jié)能高達(dá)26.7%；美國(guó)在鑄造爐上使用23%～24%的富氧，平均節(jié)能44%；國(guó)內(nèi)的武漢鋼廠采用富氧，每年平均節(jié)省焦炭42萬(wàn)噸。由此可見(jiàn)采用富氧燃燒的節(jié)能減排效果是很明顯的。

2 富氧燃燒對(duì)粉塵排放的影響

采用富氧燃燒后的一個(gè)主要變化是助燃?xì)怏w量的減少。對(duì)實(shí)際的燃燒設(shè)備來(lái)說(shuō)，在確定的運(yùn)行工況下，燃料消耗量一定時(shí)，提高助燃空氣中的氧氣體積比值，即使只有百分之幾，根據(jù)表1，燃燒所需的理論空氣量也會(huì)顯著減少。從除塵角度來(lái)說(shuō)，在總塵量不變的情況下，由于空氣量的減少導(dǎo)致煙氣量減少，煙氣中粉塵濃度增大，有利于除塵收集，同時(shí)除塵設(shè)備的體積也可以相應(yīng)減小。

實(shí)際上采用富氧燃燒后，由于燃料燃燒更加完全，減少了以粉塵形式排放的碳粒等除塵器難以收集的可吸入顆粒物，從源頭上大量減少粉塵的產(chǎn)生和排放。

3 富氧燃燒對(duì)二氧化硫排放的影響

我國(guó)的能源資源條件決定了以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，煤炭在能源、化工、冶金等行業(yè)消耗量巨大。但部分地區(qū)煤炭含硫量很高，據(jù)資料介紹，川渝兩地的莢蓉、松藻、達(dá)竹、南桐、華鎣山等礦區(qū)的含硫量在6%左右，重慶作為其煤炭的重要消費(fèi)地，在20世紀(jì)80年代曾出現(xiàn)酸雨頻率達(dá)到80%，造成年損失5億的情況。

傳統(tǒng)燃燒技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量難以經(jīng)濟(jì)回收的低濃度SO2煙氣，直接排到空氣中，會(huì)加劇酸雨污染。采用富氧強(qiáng)化燃燒，由于有效減少了煙氣量，可以提高煙氣中SO2濃度，有利于回收SO2。因此，從減少煙氣量和提高SO2濃度的角度來(lái)說(shuō)，采用富氧燃燒是有益于環(huán)境的。

另一方面，對(duì)于燃用含硫燃料的普通鍋爐來(lái)說(shuō)，采用富氧燃燒的節(jié)能量很大，如本文前面所述，大都在20%以上，因此減少含硫燃料的消耗量。由此可見(jiàn)，從減少燃燒含硫燃料的角度來(lái)講，采用富氧燃燒也是有益于環(huán)境的。

4 富氧燃燒對(duì)氮氧化物排放的影響

煙氣中的氮氧化物一般是指NO和NO2，統(tǒng)稱NOX。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOX可以和空氣中的水蒸氣反應(yīng)形成酸雨，破壞環(huán)境。在居住區(qū)，環(huán)境中的NO2濃度即使很低（10～100ppb），也會(huì)危害人體?！跺仩t大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn) GBPB3-1999》也對(duì)鍋爐的NOX排放進(jìn)行了限制。

對(duì)富氧燃燒而言，首先，由于其節(jié)能效果，在總體能源需求不變的條件下，燃料使用量會(huì)有明顯的減少，可以減少燃料型NOX的排放。其次，由于煙氣量中含氧量上升，含氮量會(huì)有明顯下降。設(shè)空氣中含氮量為78%，含氧21%，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可得，富氧空氣氧含量為25%時(shí)，助燃空氣中的N2濃度下降至74%，降低5.1%；富氧空氣氧含量為29%時(shí)，助燃空氣中的N2濃度降至70%，降低10.2%。同時(shí)空氣總量減少，總N2會(huì)有大幅下降。從這個(gè)角度來(lái)看，含氧量的上升有利于減排NOX。

但另一方面，由于富氧燃燒的煙氣含氮?dú)饬可伲善鋷ё叩臒崃可?，燃燒充分而劇烈，火焰溫度?huì)升高，如甲烷從空氣到純氧助燃，火焰溫度會(huì)從2223K提高到3053K。這會(huì)導(dǎo)致氧氣和氮的化合加劇，火焰中熱力型氮氧化物大量增加。據(jù)介紹，對(duì)于甲烷燃料來(lái)說(shuō)，氧氣濃度30%時(shí)燃燒產(chǎn)生的NOX濃度是普通空氣燃燒的3倍，而氧氣濃度80%時(shí)產(chǎn)生的NOX濃度則為普通空氣燃燒的100倍，即使氧氣濃度達(dá)到99%時(shí)燃燒產(chǎn)物中的NOX濃度也是普通空氣燃燒的7倍，而即使不考慮過(guò)量空氣，煙氣量最多只能降低為普通空氣燃燒的1/4左右。因此從總體來(lái)看，采用富氧燃燒技術(shù)，排放的NOX總量是成倍增加的。

5 結(jié)論

采用富氧燃燒技術(shù)可以提高生產(chǎn)率和減少碳排放，有利于煙氣除塵和減少二氧化硫的排放，但會(huì)明顯增加NOX的排放。因此在推廣富氧燃燒技術(shù)的同時(shí)，需要深入研究富氧燃燒時(shí)氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理，尋找有效抑制措施，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙贏。

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作者簡(jiǎn)介

郭穎智（1984—），男，四川渠縣人，助教，研究方向：電站動(dòng)力設(shè)備及運(yùn)行。