全氧燃燒技術(shù)及其在高溫工業(yè)中的應(yīng)用

敖雯青

摘 要：本分分析了NOx燃燒生成的三種類型，論述了全氧燃燒技術(shù)在降低NOx燃燒方面的優(yōu)勢。同時構(gòu)建了在高溫工業(yè)中應(yīng)用的典型全氧燃燒設(shè)備，以及目前現(xiàn)有的各型全氧燃燒器的應(yīng)用領(lǐng)域。在全氧燃燒與傳統(tǒng)空氣燃燒及蓄熱式燃燒的技術(shù)優(yōu)勢對比上，給出了節(jié)能率及投資效益的評估，得到在高溫工業(yè)設(shè)備上，全氧燃燒系統(tǒng)投資回收年限為1-2年，隨著設(shè)備規(guī)模的增大，由于存在規(guī)模效應(yīng)，投資回收年限逐漸縮短。

關(guān)鍵詞：全氧燃燒；低氮；蓄熱式；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.049

1 全氧燃燒技術(shù)的發(fā)展背景

近年來，隨著霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，大氣污染越來越成為人們關(guān)注的焦點。NOx已經(jīng)成為嚴重霧霾天氣的根源之一。

一般認為，燃料在燃燒過程中產(chǎn)生 NOx可分為三種類型： 熱力型、快速型和燃料型。目前，高溫工業(yè)（包括耐火材料原料煅燒和制品燒成）所用窯爐的燃燒溫度越來越高[1]，在環(huán)保壓力日漸加大的情況下，極有必要對氮氧化物的排放進行嚴格控制。其中全氧燃燒是大幅度降低NOx排放的有效手段之一。

所謂全氧燃燒是指在燃燒過程中，利用氧氣純度>90%的氧氣代替空氣與燃料進行燃燒的技術(shù)[2]。由于全氧燃燒技術(shù)能夠有效地減少 NOX的排放，同時具有顯著的節(jié)能效果，近年來在高溫工業(yè)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用[3]。

2 全氧燃燒的優(yōu)點

2.1 大幅度減低NOx排放量

全氧燃燒由于無N2參與燃燒過程，理論上不會產(chǎn)生NOx，但由于燃燒過程中密封不佳會從大氣中吸入少量N2，由于N2濃度較低，NOx的生成量也比空氣燃燒要少得多。如玻璃熔窯采用全氧燃燒技術(shù)時，煙氣中的NOx含量減少到只有空氣燃燒的30%左右。

2.2 減少廢氣產(chǎn)生量

傳統(tǒng)空氣助燃技術(shù)中氧氣含量只有 21%，約 78% 的氮氣被無謂地加熱、排放（這部分熱量損失能占到能耗的 30% 以上），采用全氧燃燒技術(shù)廢氣排放量大大減少，與空氣燃燒相比可減少70%～80%。

2.3 更高的燃燒溫度

全氧燃燒過程與空氣燃燒相比，空氣中約79%的氮氣不再參與燃燒，可以顯著提高火焰的溫度。

2.4 更高的傳熱效率

由于全氧燃燒的主要產(chǎn)物是三原子物質(zhì)（CO2和H2O），三原子物質(zhì)的傳熱效果高于雙原子物質(zhì)（N2），因此加熱效率得到大幅度提高。

3 全氧燃燒設(shè)備

在高溫工業(yè)應(yīng)用中的典型全氧燃燒典型設(shè)備配置如圖1所示，包括全氧燃燒器、燃料管路及閥門、氧氣管路及閥門、全自動點火系統(tǒng)、燃燒爐膛及排煙系統(tǒng)。

隨著全氧燃燒技術(shù)在高溫工業(yè)中的不斷推廣應(yīng)用，全氧燃燒器的結(jié)構(gòu)形式也逐步改進完善。Ⅰ型全氧燃燒器采用冷卻套管的形式。套管由插入保護性水冷護套中的同心管組成，燃料和氧的混合在燃燒器尖端附近進行。噴頭通過冷卻來確保燒嘴壽命，不考慮控制火焰溫度，然而由于燒嘴頭部內(nèi)外溫差大，熱應(yīng)力過大，常出現(xiàn)燒嘴噴頭開裂的情況。Ⅱ型全氧燃燒器采用分段稀釋燃燒技術(shù)，分兩次或多次從不同區(qū)域供入O2與燃料進行混合，控制燃燒速率，同時采用非金屬燒嘴磚形式，替代水冷或壓縮空氣專門冷卻的噴頭，壽命得到極大提高。

針對含氮燃料的NOx排放問題設(shè)計的Ⅲ型FGR全氧燃燒器，采用了廢氣再循環(huán)燃燒技術(shù)（FlueGas Recirculation），通過控制燃燒區(qū)域內(nèi)氧的濃度，解決火焰超高溫度和NOx生成問題。

同時，全氧燃燒器的閥門系統(tǒng)均采用壓力不銹鋼閥門，以防止氧氣在高速輸送過程中產(chǎn)生爆炸。

4 全氧技術(shù)優(yōu)勢

在應(yīng)用技術(shù)層面，與傳統(tǒng)空氣燃燒、蓄熱式燃燒相比，全氧燃燒在氧燃比的控制、爐溫均勻性、燃燒溫度、節(jié)能率、加熱時間、設(shè)備維護量、NOx排放、熱效率等方面均有一定程度的優(yōu)勢，詳細對比見下表。

5 投資效益評估

低NOx排放是全氧燃燒的最重要的特點，但同時由于廢氣量減少，帶來的節(jié)能效果也非常明顯。全氧燃燒能夠在同樣供熱的情況下大幅度降低燃料消耗。綜合考慮各方面因素，包括燃料及氧氣的來源及價格、窯爐總熱負荷大小、系統(tǒng)配置高低、年工作時間等。在高溫工業(yè)設(shè)備上，全氧燃燒系統(tǒng)投資回收年限為1～2年，隨著設(shè)備規(guī)模的增大，由于存在規(guī)模效應(yīng)，投資回收年限逐漸縮短。

參考文獻：

[1]趙恩錄，楊健，劉志付等.玻璃熔窯全氧燃燒技術(shù)概況和技術(shù)發(fā)展趨勢[J].玻璃，2005（06）：3-6.

[2]Russell Hewertso n.When Does Oxy-fuel Make Sense[J].Air Products and Chemicals，Inc，2005：1-3.

[3]經(jīng)驗，田英良，孫詩兵等.淺談全氧燃燒技術(shù)在玻璃工業(yè)中的應(yīng)用[J].工業(yè)加熱，2005，34（06）：32-35.