增氧燃烧在热能工程中的应用

增氧燃烧在热能工程中的应用

杨志光

杨志光（哈尔滨市南岗房产经营公司，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：本文通过对增氧燃烧原理的阐述，指出了增氧燃烧在热能工程中的应用。

关键词：增氧燃烧；原理；热能工程；应用

1增氧燃烧的原理

1.1工作区域。为划分OEC工作区域，本文引入Ω的概念，定义氧化剂为增氧和空气的混合物，Ω则是指氧化剂中的当量氧气浓度，与氧化剂中增氧体积份额（记为a，%）和空气的体积份额（记为b，%）有关。如果a=50，则Ω=0.345。Ω与氧化剂中增氧体积份额a的关系如图1所示。

Ω=20.9/（0.209a+b）=20.9/（100-0.791×a）

有两种通常的OEC工作区域。第一种是低浓度富氧（Ω<0.30），它通常在只需对现有燃烧设备作很少修改的改进中应用，因为很多情况下加热设备在使用很少增氧的情况下效率就会显著提高，而绝大多数情况下空气燃料燃烧器不经任何改动就可以实现Ω<0.28的富氧燃烧。另一种类型即高浓度富氧，应用纯氧（Ω＞0.9）燃烧。它被应用于高温的情形，增加的费用可通过增加效率来抵消。高浓度氧气大大加强了燃烧过程，既有的燃烧器被专门为高浓度氧气燃烧设计的燃烧器代替。

1.2燃烧产物。燃烧产物的实际组份由许多因素决定，包括氧化剂组成，气体温度等。在天然气与空气的燃烧中，可以看出70%体积的废气是氮气，而其与氧气的燃烧中废气的体积因氮气的去除而大大减少，同时，二氧化碳和水蒸气的浓度上升了。锅炉中的能量损失的大项是排烟损失，排出气体体积的减小使得烟气带出热量减小，这无疑增加了锅炉热效率。但排出热量包括显热与潜热，水蒸气的浓度上升使得单位体积烟气里的潜热增加，所以潜热回收问题对增氧燃烧尤为重要。

1.3火焰温度。火焰温度在氧气代替空气时大大提高，因为空气为氧化剂时氮气作为稀释剂使烟温降低。甲烷绝热燃烧中焰温随氧气成分的变化时，对于空气及纯氧焰温变化分别从3600°F到5000°F（2300K到3000K）。从空气变化到含60%增氧的氧化剂时，焰温有极大提高，氧气浓度越高焰温升高越慢。

1.4可利用热。可利用热被定义为燃料总热量减去由排出气体从燃烧过程中带出的能量。空气中的氮气不参与燃烧，随废气带出很多热量。甲烷燃烧中可利用热随氧化剂中氧气浓度变化时，随着废气温度增加，可利用热减少，因为更多热量从烟囱中被带走了。在氧气体积浓度以空气中的21%开始增长时，可利用热出现了第一次快速增长。

2影响增氧燃烧技术应用的因素

2.1制氧价格。制氧价格是OEC面临的最大问题，在从前大大制约了OEC的应用与发展，而新一代的制氧技术，减少了分离氧的费用，从而促进了增氧燃烧技术的发展。制氧技术的筛选氧气制备费用高低对富氧助燃的经济效益会产生巨大的影响，评估这些选择方案时应考虑的主要因素包括氧气的使用量、项目的建设时间、相关的项目以及当地的电力容量等。目前可供选择的方案有三个：低温精馏法、变压吸附法和膜分离法。

2.2潜在问题。如果系统没有正确设计，应用OEC还会有许多潜在问题，很多此类问题都和燃烧强度增强有关。如绝热材料的易损坏、不均匀加热现象、火焰扰动、增加污染排放、火焰回闪、增加潜热排放等。另外由于OEC大量去除助燃剂中的氮气，还会引起烟气流速下降，对流换热减弱。这些问题都可以通过正确调节系统及供氧量来解决。

3增氧燃烧在热能工程应用

增氧燃烧系统在各种工业中日益普及，并带来许多益处。近年来，国外发达国家玻璃行业中的富氧及全氧燃烧技术研究及应用已逐渐推广，他们的研究结果表明，采用富氧燃烧或全氧燃烧技术，不仅节省燃料、减少废气及有害气体的产生量，而且可以使产量提高，窑炉炉龄延长，且玻璃成本下降。因而，增氧燃烧在热能工程领域中有广阔的应用前景。

3.1在电站锅炉的应用。OEC应用于电站锅炉的技术主要是分段（级）燃烧，目的是减少其NOX排放。把一部分（10%～20%）二次风，在高出强燃烧区较多的炉膛上方射入炉内，补给燃料燃烧必需配用的空气，使燃料在富氧条件下燃尽，就构成了燃料分段级燃烧。这种方法可使NOX排放降低20%～30%。

3.2燃煤工业锅炉。OEC在工业锅炉的具体应用一般是局部增氧助燃技术，使用膜法富氧助燃系统，该系统一般采用负压，其典型的工艺流程为：空气经过空气过滤器由通风机抽进膜系统，利用空气中的氧气和氮气通过高分子膜时的渗透速率不同，利用真空泵产生压差，使氧气在膜的低压侧富集成为富氧空气，最后通过富氧喷嘴将富氧空气送到锅炉内。OEC对所有燃料（包括气体液体和固体）和绝大多数工业锅炉均适用，它既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能，如用26.7%的富氧空气燃烧褐煤或用21.8%的富氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度与用普通空气燃烧重油得到的相当，说明用富氧烧煤可代替用空气烧油，这在我国煤多油少的情况下特别具有重要意义。

3.3垃圾焚化炉。这是一个比较新的领域，最初，OEC被用来提高便携垃圾焚化炉的性能，后来逐渐应用在固体垃圾焚化炉及焚化垃圾燃料的锅炉中。焚化炉处理的垃圾燃料发热值低，且常常包含许多难燃物质，或是比较潮湿，使用普通燃烧技术通常燃烧不稳定，处理效率低。使用增氧燃烧，火焰温度高、燃烧效率高，且能提高火焰特性，故而可以提高焚化炉对垃圾燃料的吞吐量。空气中的氮不利于对垃圾的高温分解，使用增氧燃烧，加强了热分解，使得高灰分、高水分的垃圾燃料分解产生高热值焦碳和气体，提高了燃烧效率。而且，使用氧气调节系统，通过对燃料分析确定氧气的补给量，也可以解决由于垃圾燃料本身的不均匀性带来的燃烧不稳定问题。

3.4冷凝式锅炉。冷凝式锅炉热效率高，污染物排放少，在燃用气、液燃料及低温供暖时节能效果明显。露点温度是影响其效率的重要因素。应用增氧燃烧时，烟气中的水蒸气质量浓度近似于25%，比空气燃烧烟气高，烟气中水蒸气分压力升高，提高了露点温度在水蒸气分压力不变时，当未饱和烟气温度降低到露点温度以下，则被冷却至饱和烟气，所以烟气露点温度的高低可决定烟气冷凝热利用的多少，即露点温度越高，烟气的冷凝就可在更高的温度下进行，可利用更多的冷凝热。但同时增氧燃烧冷凝式锅炉排出的潜热增加，而锅炉中相当多的能量损失是因为排入大气的废气带走能量。排出的热量由潜热和显热组成，烟气中的潜热是很重要的资源，一般以冷凝换热管组回收烟气中的潜热。

4结论

制氧技术方面的新进展，会让用户减少制氧花费，从而扩展了增氧燃烧的应用范围。氧气费用的降低、OEC在环境与操作方面的益处，让它成为一种吸引人的技术，其高效低排放的特点，使它在热能工程领域中有更广阔应用前景。