富氧燃烧的工业应用进展分析

在工业窑炉的燃烧过程中，只有O₂与燃料参与反应，N₂和惰性气体非但不能助燃，还会使得O₂与燃料的接触面减小，造成燃烧不完全，受热不均匀，并且容易产生局部高温，这将使N₂在高温下与O₂反应生成大量的NOx，从而导致O₂与燃料发生碰撞反应的概率大大减小。并且N₂还将携带大量的热量排出窑炉体，造成大量的热量损失，从而严重制约工业窑炉的热效率。因此，采用富氧燃烧方式进行节能降耗成为工业窑炉领域关注的重点。目前碳达峰及碳中和也成为探讨的热点，而富氧燃烧技术有助于CO₂的富集和捕捉。因此，富氧燃烧技术在当前环境状况下成为关注的焦点。

1制氧原理及特点

目前主流制氧技术包括3种：深冷空分法、变压吸附法和膜分离法。深冷空分法是一种传统的制氧方法，最高制氧体积分数达到99%以上。它以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同，通过液态空气装置的精馏，使它们分离来获得O₂。深冷空分制氧设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高。制取的O₂纯度高，适用于对O₂纯度要求较高的场景。

变压吸附法的原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。它是以空气为原料，利用一种高效能、高选择性的固体吸附剂对N₂和O₂选择性吸附的性能把空气中的N₂和O₂分离出来，制取的O₂体积分数可达90%左右。

目前，在一些场景中也采用膜分离法制氧。膜分离法制氧是利用渗透的原理，即氧分子通过膜向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的O₂气体分压差。混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，氧分子优先通过分离膜从而达到提纯富氧气体的目的，称作膜法制氧，所制O₂的体积分数可达30%左右。目前膜分离法制氧包括正压膜分离制氧和负压膜分离制氧等。

2富氧燃烧节能机理

富氧燃烧节能机理如下：

a)使用富氧空气助燃，可提高燃烧温度和增强传热。由于N₂含量降低，烟气中CO2和水蒸气的体积分数均提高，火焰的黑度相应增大。同时窑炉内部的火焰温度也随着O₂体积分数的增加而明显提高。辐射传热占工业炉窑总热量的80%～90%，而辐射热与火焰黑度和温度成正比。因此，采用富氧空气助燃能提高火焰温度及黑度，显著增加辐射热和热传递的效率，从而达到节能的目的。

b)富氧燃烧可降低燃料燃点和燃尽温度。燃料的燃点温度和燃尽温度与燃烧条件、受热速度、空气用量、周围温度等因素密切相关。富氧燃烧有利于降低燃料的燃点、燃尽温度。在相同的停留时间内，降低燃点和燃尽温度有利于增加热释放量和释放率，有利于低负荷稳燃。CH₄在空气中燃点为632℃，在纯氧中为556℃；CO在空气中燃点为609℃，在纯氧中仅388℃。

c)富氧燃烧能提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导效果。燃烧温度的提高有利于完全燃烧。在工业窑炉有限的空间里，增加空气中的O₂体积分数就增加了O₂与燃料的接触面，使其充分接触、混合更均匀，从而提高燃尽率，减少未燃碳氢组分和污染物的排放。

d)富氧燃烧使得燃料与O₂得到充分的接触并且反应完全，从而减少了助燃风的需用量，进而减少排烟量。助燃空气的O₂体积分数每增加1%，烟气量下降3%～5%。高体积分数富氧空气的助燃，可使鼓引风量下降10%～50%，减少了鼓风机、引风机的风量，节约了大量的电能。同时，烟气量的减少使得排烟损失降低，进而提高了热效率，尤其是在一些排烟温度较高的工业窑炉中效果明显。

e)富氧燃烧可进一步降低燃烧的空气过剩系数α。空气过剩系数α是窑炉运行中设定的实际空气量与理论所需空气量的比值。理论空气量就是能刚好满足燃料完全燃烧所需要的空气量（O₂量）。对于工业燃气窑炉，α值通常设定在1.1～1.5之间。α值直接影响炉膛内部火焰温度及排烟量。用富氧空气助燃，可适当降低α值至1.05～1.20，这样既能提高火焰温度，又能降低排烟热损失，从而节约能源。

3富氧燃烧的工业应用进展

3.1富氧燃烧在煤粉炉的工业示范研究

富氧燃烧在电站锅炉系统的应用上，采用O₂代替助燃空气，同时结合大比例（大于65%）的烟气回流循环，可获取CO₂体积分数大于80%的烟气，这就为CO₂的捕集和利用提供了基础。

华中科技大学在35MW的中温中压锅炉上进行了工业级的富氧燃烧研究和运行。该锅炉在前墙上配置了3台旋流燃烧器。氧气系统采用三塔空分流程，试验中保持入炉的平均O₂体积分数在26%～28%。为保证着火稳定性和输运的安全性，一次风的含氧量在21%。根据试验数据，锅炉运行的排烟损失降低，但锅炉的气体和固体未完全燃烧的热损失均有所提高，锅炉平均热效率有微小提升。系统运行成本增加36.7%，每小时可捕集CO₂ 11.3t，吨CO₂捕集成本488元。未来结合更大锅炉功率示范、更低的制氧成本，结合酸性气体压缩工艺，将富氧燃烧系统与燃煤电厂全厂系统进行耦合优化，同时采用新的热力循环有望提升富氧燃烧系统的经济性。

3.2富氧燃烧在燃煤发电机组低负荷稳燃阶段的应用

目前电网新能源接入越来越多，提高火电机组的投切灵活性和电源调峰能力，可有效解决风光发电的消纳问题。富氧燃烧利用纯氧强化燃油燃烧，降低煤粉的着火问题。

在中电投重庆九龙电厂，针对一台200MW的燃煤锅炉，采用富氧不停炉超低负荷调峰技术，实现了低负荷阶段不停炉运行。在应用了富氧超低负荷调峰技术后，该电厂以15～60kg/h的耗油量、100～200m³/h的耗氧量，实现了30MW以下的低负荷稳燃，备用容量可达170MW以上。在国电重庆恒泰发电有限公司2×300MW燃煤发电机组锅炉进行富氧燃烧技术改造，发现改造后机组的NOx产物减少，启停机油耗同比降低80%以上，同时机组深度调峰负荷可降低至30%额定负荷以下，具有良好的节能减排效果。

3.3轧钢加热炉的无焰富氧燃烧

轧钢加热炉主要用于加热轧制时的钢坯，是重要的耗能设备。由于受到生产波动、停产检修等因素影响，钢铁企业存在O₂放散情况。富氧燃烧本身能节省加热炉所用燃料，结合钢企有氧气平衡的需求，富氧燃烧技术在轧钢加热炉的应用成为可能。马钢公司在加热炉一加段布置高速氧枪（见图1），纯O₂流围绕烧嘴进行火焰搅动，实现35%～60%的富氧燃烧。采用富氧燃烧前轧钢量2083t，消耗煤气328455m³，折合耗热量1.35GJ/t，折合轧钢线产量253t/h。采用富氧燃烧后，轧钢量1085t，消耗煤气131130m³，折合耗热量1.11GJ/t，折合轧钢线产量354t/h，消耗O₂量为13.8m³/t。结果表明，采用富氧燃烧后燃料消耗下降15%以上，产能提升15%以上，烧损降低18%以上，加热的均匀性得到提高，NOx排放无明显差异。常规富氧燃烧技术与无焰富氧燃烧技术的对比如图2所示。

图1  高速氧气布置图

图2  常规富氧燃烧技术与无焰富氧燃烧技术对比示意图

3.4富氧燃烧在热风炉的应用

太原钢铁（集团）有限公司4350m³高炉配置外燃式热风炉，设计风温1310℃；燃料以高炉煤气为主，掺烧一部分焦炉煤气，焦炉煤气消耗量为7000～12000m³/h。太钢以生产不锈钢为主，焦炉煤气资源紧张，特别是采暖期还需外购高价天然气。为此，采用富氧燃烧技术以尽可能减少热风炉的焦炉煤气用量。项目实施后，在保证热风炉风温的前提下，富氧率从4%一直提高到7%，焦炉煤气用量从富氧前的平均11500m³/h降低至平均4500m³/h，高炉煤气用量由原来的平均115000m³/h增大至平均145000m³/h，O₂平均用量为7000m³/h。此项目的成功应用，达到了节约焦炉煤气的目的，同时年可节约能源成本8.6×106元。

3.5富氧燃烧在垃圾焚烧中的应用

采用焚烧法处理城市垃圾成为主流，可通过富氧燃烧提高垃圾的燃烧效率，进一步降低运行成本。尤其是在高海拔低氧地区，可采用在一次风中增加O₂的方法弥补当地空气O₂含量的不足。在奥地利，1个生活垃圾焚烧炉采用富氧燃烧的O₂含量可提高26%，通过烟气再循环降低燃烧室温度。富氧燃烧可提高垃圾燃烧强度和降低排烟损失，是一种高效节能的燃烧方式，未来可进一步在该领域推广应用。

3.6富氧燃烧在水泥回转窑的应用

在一4000t/d水泥回转窑生产线进行富氧燃烧试验，富氧由液氧气化减压后获得。富氧按一定比例加入一次风机消声器前过滤器内，然后进入一次风系统，试验系统如图3所示。试验表明，在不增加燃料的前提下能使窑炉火焰温度提高100～300℃，节能效果显著。回转窑炉富氧燃烧可实现节能降耗，当O₂体积分数增加到4%～5%，火焰温度可升高200～300℃。通过富氧燃烧可降低熟料中游离态CaO的含量，水泥质量得到提升。由于采用富氧燃烧，烟气量显著减少，粉尘排放总量降低，减少环境污染。美国California Portland's Mojave水泥厂进行富氧燃烧，平均提产率达到8.85%，取得了显著的生产效果；Hercules水泥厂富氧运行表明，可提产8%～10%，燃料消耗减小3%～5%。国内应用富氧燃烧技术的也有多家水泥厂。富氧燃烧技术在回转窑的众多案例中均取得了良好的应用效果，属于近年来发展起来的节能环保技术，也在逐渐成为国内外水泥生产节能降耗重大技术的进步方向。

图3 富氧燃烧在水泥回转窑的应用系统图

3.7富氧/全氧燃烧在玻璃窑炉的应用

玻璃窑炉的节能降耗一直是玻璃行业内关注的要点。富氧/全氧燃烧技术在玻璃行业的应用分为三类：使用纯氧燃烧的全氧燃烧技术、纯氧助燃技术和局部增氧富氧燃烧技术。全氧燃烧技术无蓄热换向，燃料量减少30%以上，但需要采用变压吸附的方法制纯氧，项目的盈亏平衡点依赖于燃料价格和制氧成本。目前全氧燃烧技术较为成熟，比如合肥彩虹玻璃就采用全氧燃烧技术，产品质量稳定。纯氧助燃技术可节约燃料5%～8%，该技术需要在玻璃窑炉上增设1对全氧喷枪以增产增效、节能降耗。局部富氧燃烧技术，可节约4%的燃料成本，同时有助于提高玻璃质量等，该技术在一般浮法生产线均可应用。国内应用的企业如海螺、南玻、中科等企业。

3.8富氧燃烧在陶瓷窑炉的应用

富氧燃烧在陶瓷工业领域的应用较少，除了高温造成的热力型NOx及窑炉改造问题外，制氧成本也限制了技术的进一步推广。以1.0m³梭式窑为实验窑炉，采用膜法制氧，进行不同体积分数O₂的使用。试验表明，随着O₂体积分数增加，燃料消耗量逐渐减少。当O₂体积分数增加至27%～30%时，进一步提高O₂体积分数对节能的效果并不明显，主要原因是高O₂体积分数并不能保证燃料完全燃烧。随着O₂体积分数增加，燃烧过程发生部分机械和化学不完全燃烧，导致燃料损失。陶瓷工业的富氧燃烧应用，尤其是连续性窑炉的试验需要更进一步开展。

4结语

通过概览富氧燃烧在燃煤电站、钢铁工业、垃圾焚烧、水泥煅烧、玻璃熔窑和陶瓷工业的应用，基本可以明确富氧燃烧可降低燃料消耗量，同时在一些场景中可提质提产。目前中国政府将采取更有力的政策和措施，力争2030年前CO₂排放达到峰值，力争在2060年前实现碳中和。富氧燃烧作为一种洁净燃烧技术，在碳减排方面具有巨大潜力。为进一步推广富氧燃烧在各个工业领域的应用，在如下方面可持续开展研发工作，以提高该技术的经济性：

a)富氧燃烧器及氧枪。针对各个工业领域，应针对专门的应用场景研发各种功率的富氧燃烧器及氧枪，探索分级燃烧、低NOx燃烧技术。

b)制氧技术突破。实现低能耗、低成本的制氧是共性需求。膜分离制氧技术需要进一步实现规模化和工业化深度应用。

c)与热力系统整体优化。富氧燃烧技术可通过与原有热力系统进行耦合优化，降低系统能耗，进一步利用排烟及制氧的余热。

d)完善碳交易制度。通过进一步完善碳交易制度，将富氧燃烧的节能降耗、碳减排和碳捕捉等降碳份额转化为市场可交易的产品，进一步推动富氧燃烧技术的工业化应用。