富氧燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

馬莉娜，鄧志友，龍建鋒

（深圳粵通新能源環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

1 富氧燃燒技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用意義

（1）節(jié)省設(shè)備投入，有利污染物回收。富氧燃燒最大的優(yōu)點就是廢氣排放量大幅減少，而且富氧燃燒技術(shù)本身就有撲捉CO2的能力(使煙氣中CO2濃度達到85%以上，可以方便壓縮回收)，廢氣排放控制設(shè)備和費用主要依賴于廢氣排放流量，所以富氧燃燒技術(shù)可以大幅節(jié)省費用。在一個典型的機組中，排放控制設(shè)備一般包括用于除微粒的靜電沉淀劑、濕法脫硫劑、催化還原系統(tǒng)（有效控制NOX的排放）水銀清除設(shè)備。

（2）加快燃燒速度，促進燃燒完全。燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，天然氣則達到10.7倍左右。故用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時由于溫度提高了，將有利于燃燒反應(yīng)完全。幾種氣體燃料在空氣（氧氣體積百分率為21%）中和純氧中的燃燒速度對比情況如表1所示。

表1 幾種氣體燃料的燃燒速度

（3）提高生產(chǎn)率，降低成本。燃料在富氧狀態(tài)下能降低燃點溫度，在氧氣送入的區(qū)域，由于很高的氧氣濃度和表面溫度使燃燒速度將有大幅度提高，從而提高火焰強度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，而且燃燒產(chǎn)物的輻射能力比普通燃燒高，大大強化爐內(nèi)傳熱，從而提高生產(chǎn)率，降低制造和運行成本。表2為幾種燃料在空氣和氧氣中的燃點。

表2 幾種氣體燃料的燃點溫度（℃）

（4）易于推廣應(yīng)用。富氧燃燒技術(shù)既適合新建鍋爐，又適合舊鍋爐的改造，容易實現(xiàn)，而且試驗顯示運行狀況良好，燃燒穩(wěn)定。

2 富氧燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀

（1）國外富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用成效。早在20世紀80年代初，許多發(fā)達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)省就資助了7家公司和研究所組成“膜法富氧燃燒技術(shù)研究組”。日本曾在以氣、油、煤燃燒的不同場合進行了各種富氧應(yīng)用試驗，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%的富氧助燃可節(jié)能30%～50%等。德國在一座馬蹄型蓄熱爐上用27%的富氧試驗，使熔化率增加了56.2%，能耗下降20%，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%的膜法富氧可節(jié)約30%以上的燃料。此外，蘇聯(lián)、英國、法國、捷克等均有膜法富氧用于助燃的報道。但是，國外絕大部分的富氧燃燒用的都是整體增氧來助燃，投資成本較大，故此技術(shù)未能廣泛推廣應(yīng)用。

（2）國內(nèi)富氧燃燒技術(shù)研發(fā)成果。我國對此研究始于20世紀80年代中期，并且取得了一定的成果。國內(nèi)對富氧燃燒技術(shù)的研究有十多家，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)研究所等單位對膜法制氧及富氧燃燒技術(shù)都進行了積極的探索與研究。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。遼寧省鍋爐技術(shù)研究所對國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域也進行了廣泛的探討的調(diào)研。2004年引進國外先進的制氧技術(shù)，設(shè)計生產(chǎn)出富氧助燃設(shè)備系統(tǒng)，并與丹東某玻璃器皿廠合作，對兩臺玻璃缸窯爐改造取得了成功并通過政府相關(guān)部門驗收。吉林大學(xué)2007年完成國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目《鍋爐增氧助燃燃燒實驗與理論研究》。設(shè)計及研制出鍋爐富氧助燃燃燒實驗臺，在實驗臺進行了一系列富氧助燃的熱工特性級燃燒特性試驗。試驗研究表明富氧助燃技術(shù)能夠加快燃燒速度、促進燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的煙氣量，節(jié)省能源，具有實用性。吉林大學(xué)建立了富氧助燃燃燒的數(shù)學(xué)模型。采用計算機進行理論計算及模擬分析，為富氧助燃技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。此項目的實驗及理論研究對鍋爐富氧助燃裝置的設(shè)計及改進具有重要意義。盡管國內(nèi)在富氧燃燒技術(shù)基礎(chǔ)研究上取得了一定的成果，但在成果轉(zhuǎn)化與實際運用上還鮮有報告，亟待開發(fā)。

3 粵通研發(fā)富氧燃燒鍋爐的成果

圖1 粵通公司設(shè)計鍋爐燃燒系統(tǒng)原理圖

粵通公司通過對富氧燃燒技術(shù)進行深入研究，設(shè)計研發(fā)了一套高效燃燒系統(tǒng)，在傳統(tǒng)鍋爐燃燒系統(tǒng)中加入了一套二次高溫富氧燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)的核心原理如圖1所示。

相對于傳統(tǒng)鍋爐燃燒系統(tǒng)而言，本項目研發(fā)的二次高溫富氧燃燒系統(tǒng)的核心是一個高溫富氧燃燒室以及配套的煙氣循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了初始燃燒未燃盡的產(chǎn)物和剩余熱量，使燃料達到完全利用，同時也去除了不完全燃燒過程產(chǎn)生的有害氣體，富氧燃燒煙氣中的污染物質(zhì)顯著少于傳統(tǒng)燃燒，尾氣處理不需要復(fù)雜的環(huán)保設(shè)施，只需經(jīng)過簡單的凈化排煙裝置，即可以潔凈煙氣的方式進入大氣環(huán)境，不會造成沉重的環(huán)境負擔。因此，本項目的研發(fā)對于局部環(huán)境的改善具有重要的意義。

（1）富氧燃燒裝置的設(shè)計。本項目的富氧燃燒裝置采用鍋爐上部安裝有鍋筒、下部安裝有爐排，鍋爐本體的腹中前部為爐膛，后部為排煙室的合理的整體設(shè)計，改善傳統(tǒng)鍋爐因燃料燃燒不充分而導(dǎo)致黑煙排放，污染環(huán)境、燃料利用率不足、熱效率低的問題。

（2）二次高溫富氧燃燒室隧道復(fù)燃室的設(shè)計。本項目隧道復(fù)燃室采用圓筒狀設(shè)計，由耐火材料砌筑而成，隧道復(fù)燃室的側(cè)壁上開設(shè)有多個送風(fēng)輻射孔；隧道復(fù)燃室具有一定長度，其長度控制在鍋爐爐膛總長度的1/3～1/2之間，保證了煙氣或在爐膛內(nèi)未燃盡的燃料能夠在隧道復(fù)燃室內(nèi)具有足夠的迂回時間以充分燃燒。

（3）二次高溫富氧燃燒送風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。本項目富氧燃燒送風(fēng)系統(tǒng)包括送風(fēng)管和用于提供動力的送風(fēng)機，送風(fēng)管采用兩條支路設(shè)計，其中一路送風(fēng)至爐膛，另一路送風(fēng)至隧道復(fù)燃室與鍋爐爐膛構(gòu)成的封閉室內(nèi)。二次風(fēng)強烈旋轉(zhuǎn)，噴出噴口后形成中心回流區(qū)，卷吸爐內(nèi)的高溫?zé)煔庵寥紵鞒隹诟浇?，加熱并點燃初始燃燒產(chǎn)物中殘余的可燃氣體。二次風(fēng)不斷和初始燃燒產(chǎn)物混合，使燃燒過程不斷發(fā)展，直至燃盡。除了中心回流區(qū)的高溫?zé)煔饩砦?，在燃燒器噴出的氣流的外圈也有高溫?zé)煔獗痪砦ＰD(zhuǎn)射流有擴散角大，射程短，早期混合強烈，后期混合減弱的特點。旋轉(zhuǎn)射流的湍流換熱強度很高，使得燃料在爐膛內(nèi)進行一次燃燒后，未充分燃燒的燃料再與隧道復(fù)燃室內(nèi)的熱空氣混合二次燃燒，提高了燃料的利用率，且二次高溫富氧燃燒能在超高溫條件下分解一次燃燒過程中對環(huán)境產(chǎn)生污染的氣體，實現(xiàn)了潔凈燃燒。