富氧燃燒技術研究現狀及發展

馬莉娜，鄧志友，龍建鋒

（深圳粵通新能源環保技術有限公司，廣東 深圳 518000）

1 富氧燃燒技術的開發應用意義

（1）節省設備投入，有利污染物回收。富氧燃燒最大的優點就是廢氣排放量大幅減少，而且富氧燃燒技術本身就有撲捉CO2的能力(使煙氣中CO2濃度達到85%以上，可以方便壓縮回收)，廢氣排放控制設備和費用主要依賴于廢氣排放流量，所以富氧燃燒技術可以大幅節省費用。在一個典型的機組中，排放控制設備一般包括用于除微粒的靜電沉淀劑、濕法脫硫劑、催化還原系統（有效控制NOX的排放）水銀清除設備。

（2）加快燃燒速度，促進燃燒完全。燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，天然氣則達到10.7倍左右。故用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導，同時由于溫度提高了，將有利于燃燒反應完全。幾種氣體燃料在空氣（氧氣體積百分率為21%）中和純氧中的燃燒速度對比情況如表1所示。

表1 幾種氣體燃料的燃燒速度

（3）提高生產率，降低成本。燃料在富氧狀態下能降低燃點溫度，在氧氣送入的區域，由于很高的氧氣濃度和表面溫度使燃燒速度將有大幅度提高，從而提高火焰強度，獲得較好的熱傳導，而且燃燒產物的輻射能力比普通燃燒高，大大強化爐內傳熱，從而提高生產率，降低制造和運行成本。表2為幾種燃料在空氣和氧氣中的燃點。

表2 幾種氣體燃料的燃點溫度（℃）

（4）易于推廣應用。富氧燃燒技術既適合新建鍋爐，又適合舊鍋爐的改造，容易實現，而且試驗顯示運行狀況良好，燃燒穩定。

2 富氧燃燒技術研究現狀

（1）國外富氧燃燒技術應用成效。早在20世紀80年代初，許多發達國家都投入了大量人力、物力來研究膜法富氧技術。特別是日本，其通產省就資助了7家公司和研究所組成“膜法富氧燃燒技術研究組”。日本曾在以氣、油、煤燃燒的不同場合進行了各種富氧應用試驗，得出如下結論：用23%的富氧助燃可節能10%～25%，用25%的富氧助燃可節能20%～40%，用27%的富氧助燃可節能30%～50%等。德國在一座馬蹄型蓄熱爐上用27%的富氧試驗，使熔化率增加了56.2%，能耗下降20%，熔化溫度提高了100℃。瑞典、英國、德國在滾軋和鋁熔爐裝置上采用膜法富氧濃度25%～27%，節約燃料12%～28%，而原設備生產率提高17%～39%。美國WOLVER INE銅冶煉廠，采用29%的膜法富氧可節約30%以上的燃料。此外，蘇聯、英國、法國、捷克等均有膜法富氧用于助燃的報道。但是，國外絕大部分的富氧燃燒用的都是整體增氧來助燃，投資成本較大，故此技術未能廣泛推廣應用。

（2）國內富氧燃燒技術研發成果。我國對此研究始于20世紀80年代中期，并且取得了一定的成果。國內對富氧燃燒技術的研究有十多家，如清華大學、東北大學、中科院大化所、中科院廣州能源所、遼寧省鍋爐技術研究所等單位對膜法制氧及富氧燃燒技術都進行了積極的探索與研究。中科院大連化物所自1986年起一直從事國家“七五”和“八五”科技攻關項目：卷式富氧膜、組件、裝置及其應用和開發的研究，并且研制成功LTV-PS富氧膜。遼寧省鍋爐技術研究所對國內外相關領域也進行了廣泛的探討的調研。2004年引進國外先進的制氧技術，設計生產出富氧助燃設備系統，并與丹東某玻璃器皿廠合作，對兩臺玻璃缸窯爐改造取得了成功并通過政府相關部門驗收。吉林大學2007年完成國家科技型中小企業技術創新基金資助項目《鍋爐增氧助燃燃燒實驗與理論研究》。設計及研制出鍋爐富氧助燃燃燒實驗臺，在實驗臺進行了一系列富氧助燃的熱工特性級燃燒特性試驗。試驗研究表明富氧助燃技術能夠加快燃燒速度、促進燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的煙氣量，節省能源，具有實用性。吉林大學建立了富氧助燃燃燒的數學模型。采用計算機進行理論計算及模擬分析，為富氧助燃技術研究奠定了基礎。此項目的實驗及理論研究對鍋爐富氧助燃裝置的設計及改進具有重要意義。盡管國內在富氧燃燒技術基礎研究上取得了一定的成果，但在成果轉化與實際運用上還鮮有報告，亟待開發。

3 粵通研發富氧燃燒鍋爐的成果

圖1 粵通公司設計鍋爐燃燒系統原理圖

粵通公司通過對富氧燃燒技術進行深入研究，設計研發了一套高效燃燒系統，在傳統鍋爐燃燒系統中加入了一套二次高溫富氧燃燒系統，該系統的核心原理如圖1所示。

相對于傳統鍋爐燃燒系統而言，本項目研發的二次高溫富氧燃燒系統的核心是一個高溫富氧燃燒室以及配套的煙氣循環系統。該系統充分利用了初始燃燒未燃盡的產物和剩余熱量，使燃料達到完全利用，同時也去除了不完全燃燒過程產生的有害氣體，富氧燃燒煙氣中的污染物質顯著少于傳統燃燒，尾氣處理不需要復雜的環保設施，只需經過簡單的凈化排煙裝置，即可以潔凈煙氣的方式進入大氣環境，不會造成沉重的環境負擔。因此，本項目的研發對于局部環境的改善具有重要的意義。

（1）富氧燃燒裝置的設計。本項目的富氧燃燒裝置采用鍋爐上部安裝有鍋筒、下部安裝有爐排，鍋爐本體的腹中前部為爐膛，后部為排煙室的合理的整體設計，改善傳統鍋爐因燃料燃燒不充分而導致黑煙排放，污染環境、燃料利用率不足、熱效率低的問題。

（2）二次高溫富氧燃燒室隧道復燃室的設計。本項目隧道復燃室采用圓筒狀設計，由耐火材料砌筑而成，隧道復燃室的側壁上開設有多個送風輻射孔；隧道復燃室具有一定長度，其長度控制在鍋爐爐膛總長度的1/3～1/2之間，保證了煙氣或在爐膛內未燃盡的燃料能夠在隧道復燃室內具有足夠的迂回時間以充分燃燒。

（3）二次高溫富氧燃燒送風系統的設計。本項目富氧燃燒送風系統包括送風管和用于提供動力的送風機，送風管采用兩條支路設計，其中一路送風至爐膛，另一路送風至隧道復燃室與鍋爐爐膛構成的封閉室內。二次風強烈旋轉，噴出噴口后形成中心回流區，卷吸爐內的高溫煙氣至燃燒器出口附近，加熱并點燃初始燃燒產物中殘余的可燃氣體。二次風不斷和初始燃燒產物混合，使燃燒過程不斷發展，直至燃盡。除了中心回流區的高溫煙氣卷吸外，在燃燒器噴出的氣流的外圈也有高溫煙氣被卷吸。旋轉射流有擴散角大，射程短，早期混合強烈，后期混合減弱的特點。旋轉射流的湍流換熱強度很高，使得燃料在爐膛內進行一次燃燒后，未充分燃燒的燃料再與隧道復燃室內的熱空氣混合二次燃燒，提高了燃料的利用率，且二次高溫富氧燃燒能在超高溫條件下分解一次燃燒過程中對環境產生污染的氣體，實現了潔凈燃燒。