基于燃燒計算研究富氧燃燒對節能與環保的影響

劉 明，羅君帆

（景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333403）

基于燃燒計算研究富氧燃燒對節能與環保的影響

劉 明，羅君帆

（景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333403）

利用Visual Basic編程進行燃燒計算，得出各種燃料在不同富氧量燃燒時的單位產品燃耗、產生的煙氣量以及對環境有污染的氣體量(CO2、NOX等)，并將計算結果保存到Excel中，運用Excel的圖表功能對結果進行比較分析，結果表明富氧燃燒對節能與環保都有明顯的作用。

燃燒計算；富氧燃燒；節能；環保

0 引 言

改革開放以來我國經濟快速增長，對能源的需求量在不斷增加，我國的資源和環境問題也變得越發嚴峻。目前，在我國存在著環境破壞和環境污染這兩類環境問題，并且已十分嚴重。據統計，我國是世界上環境污染物排放量最大的國家之一，全國污染物的年排放量達4300余萬噸，其中煙塵約2800萬噸，二氧化硫約1460萬噸[1]。

我國陶瓷工業隨著產能的快速增長，盡管工藝技術水平的提高，陶瓷產品單位能耗不斷降低，但總能耗則呈現不斷上升之勢；陶瓷生產燒成過程對環境的煙氣排放污染也在上升,據相關統計資料，僅2010年我國建筑陶瓷行業燃料燃燒所產生的碳排放對陶瓷磚行業燃料產生CO2排放量為9183.082萬噸，衛生陶瓷行業燃料產生CO2排放量為314.880萬噸。國家在十一五規劃中對陶瓷行業節能減排要求嚴格，因此節能減排已成為陶瓷產業的重要課題，“低碳”也成為國家對陶瓷產業的要求[2]。

通信聯系人：劉明(1965-), 男, 副教授。

通過研究燃燒技術來改進環保與節能一直是科技工作者關注的課題，在我國工業窯爐的應用中，已有蓄熱式高溫燃燒技術、余熱發電技術、高爐煤氣余壓發電技術、富氧燃燒技術等燃燒技術等。本文從燃燒計算的角度來考察富氧燃燒技術對節能與環保的影響。富氧燃燒技術是指用比通常空氣(含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒的技術，它是一項高效節能的燃燒技術，在玻璃工業、冶金工業及熱能工程領域均已有應用。與用普通空氣相比，富氧燃燒具有：提高火焰溫度和黑度，強化窯內傳熱；加快燃燒速度，促進燃燒安全；減少燃燒后的煙氣量，降低煙氣帶走熱損失等優點[3-5]。

1 計算思路與程序設計

1.1 計算思路

本文通過編程計算在不同富氧量情況下燃燒時產的煙氣量及其成分的燃燒計算，以考察它們對節能及環境污染問題。由燃料種類及其成分來計算單位燃料燃燒時的低熱值和產生的煙氣量及其成分的計算公式是大家熟知的，在此就不列出[6]。

Correspondent author:LIU Ming(1965-), male, Associate professor.

E-mail:573613619@qq.com

為了便于比較在不同富氧量情況下的單位產品燃耗及廢氣排放量，本文以建筑瓷磚生產為例。據新頒布的國家標準，建筑瓷磚單位產品綜合能耗限額為：300 kg標煤/t產品，即：0.3×7000×4.18 kj/ kg=8778 kj/kg產品；一般燒成中窯爐燃料熱耗占生產過程總能耗的2/3，則窯爐燃料熱耗限額應為5852 kj/kg瓷磚。以此為計算基準，則時每公斤瓷所需燃料用量可簡略地用下式計算：

式中：Bo為當用普通空氣作助燃空氣時每公斤瓷所需燃料用量，Nm3/kg瓷；Qd為燃料的低熱值，kj/ Nm3。

富氧燃燒相對正常空氣燃燒煙氣帶走熱所減少的百分數(即從燃燒角度看富氧燃燒相對正常空氣助燃的節能率)為：

式中：Vgo為當用普通空氣作助燃空氣時單位燃料燃燒產生的煙氣量，Nm3/Nm3；Bi為采用富氧燃燒技術每公斤瓷所需燃料用量，Nm3/kg瓷；Vn為采用富氧燃燒技術單位燃料燃燒產生的煙氣量，Nm3/Nm3；Cg為煙氣的比熱，kj/(Nm3·℃)； tg為離窯煙氣溫度，℃。

盡管Bi比B0略小，但富氧燃燒的煙氣溫度會比正常燃燒的煙氣溫度略高，所以可近似認為BiC'gt'g≈B0Cgtg，所以富氧燃燒相對正常燃燒煙氣帶走熱的減少量百分數約為：

又據熱平衡計算經驗，對連續窯煙氣帶走熱占總熱耗的15-40%，本文取20%來考慮，故從燃燒計算角度來看富氧燃燒與正常空氣助燃燃料消耗的節能率有：

從上式即可推出在燃燒計算中計算富氧燃燒時的單位產品燃耗：

1.2 程序設計

本文用VB編程進行燃燒計算，為方便對燃料種類、成分以及對助燃空氣含氧量進行更改，在窗體中設置了兩大框架，一個用于輸入各項參數，一個用于輸出計算結果；并與Excel做了鏈接，使之既可以從Excel表中讀入參數，又可將計算結果寫入其中。窗體上運用了VB的標簽、文本框、命令按鈕等控件，用戶可以直觀地看到各參數（用戶還可根據需要進行必要修改）及計算后的結果，保證了程序的通用性。圖1即為所設計的氣體燃料燃燒計算窗體的窗口界面圖，圖2是固液燃料開始進行燃燒計算的用戶界面。

以天然氣計算為例，程序運行之后的界面為如圖3，單擊“從Excel讀入燃料成分”，輸入空氣富氧量，單擊“計算”，再單擊“將計算結果寫入Excel”后，依次改變空氣富氧量，由21、21.5、22、22.5······25，反復操作，最后單擊“結束”，程序運行結束后就可得到該種燃氣燃燒計算所要結果的Excel電子表格。

圖2-1 氣體燃料燃燒計算窗體的窗口界面Fig.1 The interface for the combustion calculation of gas fuel

圖2 固液燃料燃燒計算的運行界面Fig.2 Solid liquid fuel combustion calculation operation interface

圖3 天然氣燃燒計算的運行界面Fig.3 Natural gas combustion calculation operation interface

2 燃燒計算結果與分析

本文用上述程序對陶瓷工業窯常用的固、液、氣三種燃料進行了燃燒計算(重點為當前常用的氣體燃料)，并將所得存放在電子表的結果整理，以下對這些結果分類作一分析。

2.1 富氧燃燒對節能的影響

當今占陶瓷窯爐的主流燃料為氣體燃料，表1為各種氣體燃料在不同富氧量情況下用本程序運行計算所得到的結果。從表中可以看出，對同一氣體燃料而言，隨著助燃空氣中富氧量的增加單位產品燃耗由于煙氣帶走熱減少而明顯降低，因此富氧燃燒技術對陶瓷工業窯的節能有著美好的前景。

2.2 富氧燃燒對排煙量的影響

表2為各種氣體燃料在不同富氧量時每生產1公斤建筑瓷磚時窯爐排出的煙氣量，從中可以看出：對同一氣體燃料而言，隨著助燃空氣中富氧量的增加，向外排出的煙氣量都會明顯減少。而在同一含氧量情況下，天然氣、液化石油氣、焦爐煤氣相對其它氣體燃料產生的煙氣量較小，由于天然氣和液化石油氣在獲取過程中不像生產發生爐煤氣等氣體燃料那樣會產生二次污染，加上天然氣和液化石油氣的熱值較大，發熱量高，并且含雜質極少，燃燒時火焰潔凈度很高，能夠提高產品質量，因此是陶瓷工業窯首選的環保氣體燃料。

表1 各種氣體燃料在不同富氧量的單位產品燃耗 (Nm3/kg瓷)Tab.1 The consumption of various fuel gases with different oxygen content for per unit product (Nm3/kg porcelain)

表2 各種氣體燃料在不同富氧量的煙氣量 (Nm3/kg瓷)Tab.2 The amounts of flue gas produced from the combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

2.3 富氧燃燒對碳排放的影響

表3為各種氣體燃料在不同富氧量時單位產品的CO2排放量，從表中可看出不論何種氣體燃料，CO2的排放量都是隨著助燃空氣中富氧量的增加而減少。

2.4 富氧燃燒對NOx排放的影響

表4為各種氣體燃料在不同富氧量時單位產品的NOx排放量，從表中可看出不論何種氣體燃料，NOx的排放量也都是隨著助燃空氣中富氧量的增加而減少。

2.5 固、液、氣燃料在不同富氣量下燃燒排放物對環境影響的比較

圖4-圖6是應用本文程序對固、液、氣三種陶瓷窯爐常用燃料在不同富氣量下進行燃燒計算，并將Excel電子表格中的結果數據用Excel繪圖功能所制成的圖，分別是燃料燃燒后產生的煙氣量、CO2生成量、NOX生成量與助燃空氣中含氧量的關系圖。從這些圖可以看出：對同種燃料而言，隨助燃空氣中氧氣濃度的增加，煙氣量、CO2生成量和NOX生成量都會逐次減少，說明富氧燃燒有利于減少對環境污染物的排放。

圖4 各種燃料煙氣生成量與助燃空氣含氧量的關系Fig.4 The Relation of flue gas generation from different fuel gases with oxygen content of combustion air

表3 各種氣體燃料在不同富氧量的CO2排放量 (Nm3/kg瓷)Tab.3 CO2emissions from combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

表4 各種氣體燃料在不同富氧量的NOx排放量（Nm3/kg瓷）Tab.4 NOxemissions from combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

圖5 各種燃料CO2排放量與助燃空氣含氧量的關系Fig.5 The Relation of CO2generation from different fuel gases with oxygen content of combustion air

圖6 各種燃料NOX生成量與助燃空氣含氧量的關系Fig. 6 The Relation of NOXgeneration from different fuel gases with oxygen content of combustion air

3 結 論

(1)對同種燃料而言，隨助燃空氣中氧氣濃度的增加，燃料的煙氣生成量、煙氣中CO2生成量與NOX生成量均會逐次減少，說明富氧燃燒有利于環境保護。

(2)對同種燃料而言，隨著助燃空氣中富氧量的增加，單位產品燃耗由于煙氣帶走熱減少會明顯降低，說明富氧燃燒有利于陶瓷工業窯的節能。

(3)天然氣、液化石油氣相對其它氣體燃料無論在節能方面還是在對環境保護方面均具有特出的優點，是陶瓷工業窯首選的節能環保氣體燃料。

[1] 李一帆, 劉鑫. 淺談我國環境現狀及治理問題[J]. 現代企業文化, 2009, (32)∶ 127, 132.

LI Y F, LIU X. Modern Enterprise Culture, 2009 (32)∶ 127, 132.

[2] 景紅梅. 環境問題與經濟發展關系研究[J]. 華章, 2013, (5)∶363.

JING H M. Huazhang, 2013 (5)∶ 363.

[3] 戴樹業, 韓建國, 李宏. 富氧燃燒技術的應用[J]. 玻璃與搪瓷, 2000, 28(2)∶ 26-29.

DAI S Y, HAN J G, LI H. Glass & Enamel, 2000, 28(2)∶ 26-29.

[4] 鄭曉峰, 馮耀勛, 賈明生. 富氧燃燒的節能特性及其對環境的影響[J]. 節能, 2006, 25(7)∶ 26-28, 34.

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[5] 劉慶才, 陳淑榮. 富氧燃燒的主要環境影響因素概述[J]. 節能與環保, 2004, 5∶ 26-28.

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[6]韓昭滄. 燃料及燃燒[M]. 北京∶ 冶金工業出版社, 2007.

Observation of the Effect of Oxygen-enriched Combustion on Energy Conservation and Environmental Protection from the Combustion Calculation

LIU Ming, LUO Junfan
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Visual Basic was used for programming combustion calculations for various fuels with different oxygen volumes. The fuel consumption of unit product, the produced quantities of flue gas and pollutants like CO2, NOX, etc. were obtained. The results were saved in Excel and then analyzed by its chart function. The analysis revealed that oxygen-enriched combustion has obvious effect on energy saving and environmental protection.

combustion calculation; energy saving; oxygen-enriched combustion; environmental protection

date: 2016-03-19. Revised date: 2016-05-13.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.016

TQ174.6

A

1000-2278(2016)05-0536-05

2016-03-19。

2016-05-13。