富氧燃烧技术在高耗能行业的应用，可带来烟气量减少，排放量降低，节能碳减排效益明显等诸多效益。但不可否认的是，富氧燃烧技术仍然存在一些问题而制约了它在高耗能行业的应用。为进一步推广富氧燃烧在各高耗能行业的应用，提高该技术的经济性与适用性，可以从理论和实践两方面认真研究、慎重试验，逐一解决各项技术关键问题。考虑到高耗能行业种类多，其炉窑的种类也繁多，所涉及的研究方向也有较大区别。因此，提炼出几点共性研究方向以更好地促进富氧燃烧技术的推广。

3.1 进一步降低制氧投资成本问题

在上述所涉及的主要七大高耗能行业中，除了玻璃行业的特殊工艺需要用到 N₂ 使其产生的 O₂ 是副产物以外，所有的高耗能行业都需要考虑制氧成本的问题。以水泥行业为例， 5000 t/d 熟料生产线投资成本大约 1600 万元，其投资成本较大，回收期较长。因此，为增强富氧燃烧技术的市场竞争力，发展低成本的制氧技术以降低投资成本是重中之重。传统工业制 O₂ 通常将空气液化后分离出 O₂,通过该方法制备的 O₂ 体积分数低，且成本较高，这就限制了富氧燃烧在我国的推广应用。随着对制氧技术的深入研究，富氧的成本也在不断降低。目前工业上常用的制氧方式有 3 种，分别为低温精馏法（深冷法） （O₂ 体积分数＞99%） 、变压吸附制氧技术 （VPSA） （O₂ 体积分数 30%～93%） 和高分子膜法 （O₂ 体积分数 35%～40%） 。每种方法都有各自的优缺点，适用于不同的场所，可根据需求适当结合这 3 种技术使经济效益最大化。此外，为更好地降低制氧成本，未来的研究重点仍然需要在控制制氧成本上下功夫，进一步增强富氧燃烧技术的经济性。

3.2 控制 NOx 气体的生成与排放问题

富氧燃烧技术通过增加助燃空气中 O₂ 的体积分数，提高了燃烧火焰温度，增强了燃烧强度， 这使得热力型 NOx 的生成量提高，这也是限制该技术进一步推广至各高耗能行业的另一大因素，也成为之后研究的一大重点与难点。未来研究可以从 2 个方面来着手： 1） 通过回收燃烧产生的 NOx 以满足排放标准，目前常用的方法有还原法、电化学法、氯酸氧化法、微生物法等技术。2） 严格控制 O₂的体积分数，使 O₂ 与燃料完全燃烧而不存在多余的O₂ 进一步与 N₂ 反应生成 NOx。但在实际应用中，该方向受限于工业炉窑不密闭以及过剩空气系数的影响。因此，通过使用烟气再循环、欠氧燃烧、分级燃烧等方式减少工业炉窑燃烧时 NOx 的生成。有研究表明，河北、郑州、中国中材集团以及华润某水泥厂采用分级燃烧技术，在有效控制成本的情况下还能大幅度降低 NOx 的排放量。其中，华润某水泥厂的 NOx 排放量减少更是达到了 50%，该技术在未来的实际应用中，具有广阔的市场。

3.3 富氧燃烧器及氧枪的设计问题

在窑炉中使用富氧燃烧，改变了助燃空气中 O₂的体积分数，降低了烟气量，提升了火焰温度，这带来的是温度场和流动场的改变，而这种变化也势必对窑炉的运作等带来影响。因此，针对不同的高耗能行业，应该有针对性地研究不同功率的富氧燃烧器及氧枪。此外，还可以通过将燃烧器改造成可调节式，即喷嘴处可自由改变口径大小，这样就可以更好的匹配不同体积分数的 O₂ 燃烧需求。同时，关于其研究方向还应该关注如何减少 NOx 的排放。目前，相关研究表明分级燃烧可以进一步控制 NOx 的排放，但是应用于实际时仍然有一些问题，未来还需要进一步深入研究分级燃烧等技术。另外，也有研究指出，富氧燃烧技术应用于陶瓷行业中，通过改变空气喷嘴位置 （改变至燃料喷嘴的外侧），燃料的分散性更好，燃烧反应更加充分，窑内温度更加均匀，这可以有效抑制 NOx 的生成。今后，各高耗能行业应当根据自身窑炉特点以及工艺特点，以寻求最佳喷嘴布置以降低 NOx 的生成。

3.4 对产品质量的影响问题

富氧燃烧技术由于改变了助燃空气中 O₂ 的体积分数，提升了火焰温度，改变了温度场和流动场。此时，如若窑体的尺寸不变化，变短的火焰长度和变大的火焰温度梯度会导致窑体内部温差变大，这使得窑体内产品的加热温度不均匀，从而影响产品的质量。进行富氧燃烧技术改造时，可以通过减小喷枪口径以获取更大的喷出速度，这有利于对流换热过程及窑内热均匀性。值得注意的是，这种增大的燃烧火焰与温度梯度并非对所有高耗能行业中所制备的产品不利。在陶瓷行业中，当烧成的陶瓷产品是较强氧化气氛且产品直径＜400 mm、厚度＜ 150 mm 时，增大的燃烧火焰与温度梯度，利于采用快烧的方式缩短产品生产周期，提高燃料利用率，富氧燃烧技术可以发挥其最大的潜力。但是，当生产大中型产品时，增大的燃烧火焰与温度梯度则会增加产品在烧成过程中开裂的风险。因此在使用富氧燃烧技术时，各高耗能行业还需结合产品烧成质量进行考虑，选择最恰当的富氧燃烧方式，后续的研究方向还应当朝此方向开展。通过上述几点分析可知，尽管富氧燃烧技术在各高耗能行业的应用推广中的还存在一些问题，但是这些问题并非不可解决。今后，各高耗能行业还是应当根据自身的窑炉的情况以及生产线特点，重新权衡其中利弊，做出科学的改进，以更好地促进富氧燃烧技术在高耗能行业的应用与推广。

待续……

本文摘自《能源研究与管理》 2023,15(4)