引言

高耗能行业，例如火电、钢铁、陶瓷、水泥等，作为国民经济发展的重要支撑，关联着众多上下游产业，在我国整体经济结构中同样占据重要地位。高耗能行业的生产过程通常需要消耗大量能源，并且伴随有众多废弃物的产生，对人类的健康及环境造成巨大威胁。“双碳”目标的提出对高耗能行业走绿色可持续发展道路有了新要求，开展节能减排工作对高耗能行业的生存与发展具有重大意义。工业炉窑作为火电、钢铁、建材制材业等高耗能行业中重要的用能设备，消耗全国 1/4 以上的能源。同时，工业炉窑在运作时存在着污染物排放， 导致其成为主要污染物排放源之一。因此，开展工业炉窑节能减排是实现高耗能行业碳中和的关键所在，而工业炉窑开展富氧燃烧技术是其中贡献最大的新兴技术理念。

瞿铮等在通过将富氧燃烧技术应用于热能转换过程中，发现使用富氧燃烧技术可使燃烧更加充分，杂质排放显著减少，热效率升高，从而可以达到节能减排的目的；周慧等分析了富氧燃烧技术的节能特点及其对环境的影响，并表明富氧燃烧技术作为一种节能的燃烧方式不仅可以提高锅炉热效率，还可以有效减少污染物 （NOx 和 SOx） 的排放；还有研究报告对富氧燃烧技术的行业应用基本状况进行了剖析，得出富氧燃烧技术应用在高耗能行业不仅符合低污染的环保理念，同时还能大大降低能源的消耗，符合低碳经济、节能减排、绿色环保发展的路线。但是，目前的研究报道很少将关注点落在目前各高耗能行业的应用进展程度以及结合我国的行业情况来分析未来进展。

此外“双碳”目标的提出，同样要求高耗能行业在碳减排方面有所行动，采取有力措施控制温室气体排放、减缓温室效应已成为当前的热点。目前，在众多技术中，碳捕集、封存与利用 （carbon captureutilization and storage， CCUS） 是能实现 CO₂ 减排的重要途径，是未来几十年内极具潜力、极为有效的温室效应解决方案。何李丽等通过研究分析我国 CO₂ 排放情况以及 CCUS 技术的应用现状，表明我国 CCUS 技术发展还处于初级阶段，运行成本高是目前主要的限制因素。而运行成本主要涉及捕集压缩、运输、封存、利用这 4 个主要环节。其中，影响整个 CCUS 技术的成本关键是 CO₂ 的捕集。富氧燃烧技术通过改变助燃空气中 O₂ 的体积分数而使得烟气中 CO₂ 的体积分数显著提高，这大大降低了 CO₂ 捕集成本。因此，将富氧燃烧技术与 CCUS技术结合在一起可以实现燃料燃烧过程的清洁化和CO₂ 排放的减少，进一步推动可持续能源发展并有利于应对气候变化。但是，目前的相关研究报道中，却鲜少有将富氧燃烧技术与 CCUS 技术两者结合的报道，这不利于进一步推动富氧燃烧技术在高耗能行业应用与推广。

基于此，本文首先对富氧燃烧技术进行了简要的说明，而后分析了富氧燃烧技术在高耗能行业的应用进展，并根据市场需求选定适宜推广的领域。此外，要想将富氧燃烧技术真正落实到各个高耗能行业，还需要做出更多的努力，使富氧燃烧技术在“双碳”中发挥优势。因此，为了推广富氧燃烧技术的应用，本文提出几点未来的重点研究方向， 以期提高该技术的竞争力。最后，本文将全面剖析富氧燃烧技术与 CCUS 技术的内在联系，以期使富氧燃烧技术能更好地为我国碳减排做出一份贡献。

1 富氧燃烧技术简介

工业炉窑采用空气助燃时，只有 O₂ 与燃料之间的反应。而空气中占比约为 79%的 N₂ 和惰性气体不仅不能起到助燃的作用，而且还导致生成 NOx 的生成量增多，带走大部分热量，导致热效率降低等弊端。近年来，富氧燃烧技术因可以有效克服上述弊端而在工业炉窑行业受到了广泛研究。富氧燃烧（oxygen enriched combustion， OEC） 指的是助燃空气中的 O₂ 体积分数超过普通空气中 O₂ 体积分数的燃烧过程，其 O₂ 体积分数可以从 22%一直增加，甚至达到纯氧 （95%～100%） 。富氧燃烧技术根据不同的富氧形式，可以归纳为以下几类：

1） 氧气喷枪喷吹燃烧。氧气喷枪喷吹燃烧技术，即通过氧气喷枪将 O₂ 直接注入燃烧室内进行燃烧。该方法目前主要应用于冶炼强度高的钢铁行业。

2） 微富氧燃烧。微富氧燃烧技术是先在窑炉外将 O₂ 与空气按照一定比例混合呈现为富氧状态后，再进行燃烧。该技术适用于工作压力低于 20 kPa 的窑炉。

3） 空-氧燃烧。空-氧燃烧技术是将空气和 O₂一同注入燃烧器，而后通过燃烧器混合后再进行燃烧。由于空气和 O₂ 混合的不均匀，这会使得窑体内部流动场分布不均匀，因此对燃烧器的要求极高。

4） 纯氧燃烧。纯氧燃烧技术是用 O₂ 直接替代空气进行燃烧，目前主要应用在封闭式的窑体中，广泛应用于玻璃行业。

富氧燃烧技术改变助燃空气中 O₂ 的体积分数，增强燃烧效率，减少排烟量，显著提高了燃烧温度，加大火焰对物料的辐射传热能力，还提高了烟气中CO₂ 的体积分数，对 CO₂ 的捕集和封存是有益的。因此，作为一项高效节能的燃烧技术，富氧燃烧技术在各高耗能行业受到了广泛关注。

2 富氧燃烧技术在高耗能行业应用现状

2.1 富氧燃烧技术在火电行业的应用

火电行业需要通过大量的燃煤或燃气来产生蒸汽以驱动发电机，是目前高耗能行业中能源消耗大户。在大型燃煤电站锅炉中采用富氧燃烧技术可以增强燃烧效率，降低一次风煤粉着火温度。这种优势可减少燃油投用次数，节省锅炉燃油消耗量。将富氧燃烧技术应用于国电重庆恒泰发电有限公司2×300 MW 燃煤发电机组锅炉中，结果表明发电机组通过富氧燃烧技术改造后，油耗同比降低显著（＞80%），机组深度调峰负荷大大降低 （＜30%），显示出优异的节能减排成效。但国内富氧燃烧技术受限于设备投资、制氧成本等因素，富氧燃烧技术在火电行业的燃烧器改造上仅有少量应用， 主要集中在富氧微油点火稳燃技术节约燃油消耗和提高燃煤火电机组的灵活性 2 个方面。

2.2 富氧燃烧技术在化工行业的应用

化工行业由于特殊的生产工艺，对富氧燃烧技术进行普适性应用推广有较大困难。目前，少部分应用也主要是针对加热炉或是燃烧器的性能进行系统优化 （氧含量、排烟温度等优化） 来挖掘节能潜力。以沥青生产企业为例，在沥青装置加热炉中应用富氧局部助燃技术对现有加热炉进行节能技改以降低天然气消耗，烟气氧指数、CO、NOx 均明显降低，节能减排降本增效效果明显。

2.3 富氧燃烧技术在钢铁行业的应用

钢铁行业是一个大能量消耗、高污染物排放量的行业。富氧燃烧技术在钢铁行业的应用较为成熟，目前该技术主要适用于烧结线、热风炉、钢包烘烤器等工艺。对太钢 4350 m³ 高炉配置外燃式热风炉进行富氧燃烧技术改造，焦炉煤气用量显著降低（11500 m³/h 降低至 4500 m³ /h），高炉煤气用量增大 （115000 m³ /h 增大至 145000 m³ /h），节约能源成本 860 万元 /a，为太钢节能创效做出了贡献 。但是，目前的氧气体积分数主要集中于 27%～40%。值得注意的是，随着碳中和时间的临近，钢铁行业必然也需要做出相应的碳中和应对方案，如烟气末端增装碳捕集设备来实现烟气近零排放。富氧燃烧技术使烟气中 CO₂ 的体积分数大幅提升，也因此降低了 CO₂ 捕集的难度和捕集成本，有助于企业实现碳中和。

2.4 富氧燃烧技术在有色行业的应用

有色行业由于其生产工艺，已经普遍应用了富氧燃烧技术。例如， “白银法”铜冶炼炉-白银炉粉煤采用富氧燃烧技术后，明显改善因白银炉处理成分不稳定、吃熔点高低不同“百家矿”外供热不稳定的因素，提高技术经济。某有色金属冶炼公司进行了回转窑超音速富氧旋流喷吹试验, 由于大部分氮气被消除使得燃烧更为有效，因此烟气量减少，排放量降低，节能碳减排效益明显。目前，有色冶金行业铜、铅锌冶炼炉等工艺逐渐采用燃气 + 富氧代替燃煤进行富氧燃烧。但是，目前使用纯氧燃烧较少，这主要还是制氧成本较高等因素。

2.5 富氧燃烧技术在玻璃行业的应用

目前，玻璃行业由于特殊的生产工艺，大多数浮法平板玻璃领域已广泛使用富氧燃烧技术。以成功投产的 600 t/d 全氧浮法玻璃熔窑为例，与 600 t/d普通浮法玻璃熔窑相比，每座全氧燃烧浮法玻璃熔窑每年可节约天然气 532.5 万 m³，每年减少 NOx 与SO₂ 排放量分别为 2659.5 t 与 257.4 t。基于富氧燃烧的诸多优势和玻璃行业采用的高品质燃料，可预测富氧燃烧技术将广泛应用于玻璃窑中。今后，富氧燃烧技术实用性也会更加敏锐，此外，电助熔同样作为一种发展势头也引起学者广泛兴趣。

2.6 富氧燃烧技术在水泥行业的应用

目前国内水泥行业应用富氧燃烧技术的主要有凌源水泥厂、佳木斯水厂、北京新北水水泥厂等。河南天瑞汝州水泥 5000 t/d 生产线使用富氧燃烧技术的成功，标志着水泥行业富氧燃烧的时代已经到来。以此为估算基础，改造投资(2000～3000)万元，普及千余条水泥窑生产线建设富氧燃烧项目的市场空间在(200～300)亿元。不仅如此，富氧燃烧技术在水泥行业运用也是水泥熟料生产企业降低熟料煤耗最有效的措施之一。富氧燃烧技术在水泥行业的众多应用均展示出了优异的成效，是一种新兴节能环保技术，同时也正逐渐成为国内外水泥行业中节能减排的重要研究方向。

2.7 富氧燃烧技术在陶瓷行业的应用

富氧燃烧技术应用于国内陶瓷工业领域较少，目前仍处于理论研究阶段。理论研究主要集中于梭式窑、辊道窑上的富氧燃烧实验和数值模拟， 研究不同 O₂ 体积分数对窑炉热工特性、结构和节能效果的影响等，并未在陶瓷炉窑上进行实际的生产应用。以 1.0 m³ 梭式窑为实验窑炉，随着 O₂ 体积分数增加，燃料消耗量逐渐减少。陶瓷窑能耗大，且数量多，若将富氧燃烧技术在陶瓷行业广泛推广，不仅节能降耗，且节能收益相当可观，市场空间广阔。此外，关于陶瓷行业的富氧燃烧技术的应用，尤其是连续性窑炉的试验应当进一步加强研究。

综上所述，由于玻璃、化工、钢铁和有色等领域的特殊生产工艺，富氧燃烧技术已在这些领域有了一定的实际应用，未来的发展市场比较狭窄。而反观水泥、陶瓷等耗能大户，富氧燃烧技术在该技术领域的发展仍处于起步阶段，其实际应用鲜少。目前有各种陶瓷窑炉 15000 多座，以 1 条采用富氧燃烧的日产 10000 m² 抛光砖辊道窑为例，其节能效益可达 486 万元 /a （节能率取 18%），可见若将富氧燃烧技术在全国推广应用，不仅节能降耗，且节能收益相当可观，市场空间广阔。富氧燃烧技术在玻璃、化工、钢铁行业的实际应用具有借鉴意义。但需要注意的是，富氧燃烧作为一种新的技术， 需要在水泥、陶瓷等行业内科学对待，不能照搬钢铁、玻璃等行业的成功经验，必须结合实际工业自身实际情况权衡其中利弊，做出科学的改进，以使得富氧燃烧技术能更好地适配不同的高耗能行业。

待续……

本文摘自《能源研究与管理》 2023,15(4)