增氧燃燒原理在熱能工程中的應用

張小成

（中材海外工程有限公司，北京 100037）

0 引言

近幾年，經濟發展與環境保護之間的矛盾愈發明顯，人們環保意識的加深使能源節約成為了關鍵討論的問題。增氧燃燒作為新興燃燒技術，能夠通過增加氧氣含量的方式促進燃燒過程，能夠實現節能高效的目的，對于玻璃工業、冶金業以及熱能工程都具有重要的意義。為了使增氧燃燒在熱能工程中發揮出更大的優勢，需要相關人員整我掌握增氧燃燒原理，使其技術優勢能夠在熱能工程中充分發揮出來。

1 增氧燃燒原理

1.1 工作區域

增氧燃燒工作區域通常可以劃分為兩種類型：第一種類型為低濃度增氧。這種工作區域通常比較適合只需要添加少許氧氣便可以達到高效燃燒的熱能設備。第二種類型為高濃度增氧工作區。在這種工作區域進行增氧的過程中一般會采取純氧的方式，通常會用于高溫生產作業當中[1]。但是這樣的增氧方式會消耗較多的生產成本，但是具有卓越的燃燒效率。

1.2 燃燒產物

增氧燃燒技術中的燃燒產物組成成分通常會受到不同因素的影響，例如氧化劑成分、氣體溫度、周邊環境等等。針對氣體混合燃燒試驗效果進行分析研究可以發現，當天然氣與氧氣產生一定反應之后，作業區域通常會產生大量的廢氣。對于產物完全燃燒造成不利影響，而在其中逐漸增加氧氣含量之后，廢棄的比例會逐漸降低，二氧化碳與水蒸氣占比增加。設備在此過程中會通過煙霧排放流失能量，隨著廢氣排放比例的降低，煙氣流放出的熱能也會因此降低，這樣一來可以有效提高燃燒效率。

1.3 火焰溫度

在工程環境中采取增氧燃燒技術可以發現增加氧氣含量時，火焰溫度會出現明顯的增高。這主要是因為氧氣助燃效果可以有效降低廢氣比率，使燃燒更加充分。在甲烷絕熱燃燒實驗中可以發現，在空氣燃燒的熱能環境當中火焰溫度通常會維持在2300K左右，而在完全氧氣環境下火焰溫度可以達到3000K。如果在空氣中注入60%左右的氧氣可以有效促進火焰溫度的上升。如果在此之后繼續增加氧氣含量，雖然火焰溫度會逐漸上升，但是升溫速度會逐漸減慢。

1.4 可利用熱

可利用熱通常也可以理解為氣體燃燒總熱能去除排放氣體帶走的熱能。通俗來講就是總熱能與廢氣帶走熱能之間的差額。眾所周知，氮氣不能夠為燃燒活動增加助力，所以氮氣排放過程中釋放出的能量會造成可利用熱程度的降低。為了避免熱能生產受到大氣的影響，需要在工業生產過程中但其進行回收利用[2]。如果沒有對氮氣采取回收利用工作，不僅會影響熱能生產，還會因氮氧結合物造成環保問題。在此過程中適當增加氧氣含量，可以有效降低氮氧結合物的排放。實現科學化熱鬧生產。

2 增氧燃燒方式

2.1 預混富氧

空氣燃料燃燒過程中的富氧也被稱作為低程度富氧或者預混富氧，這種情況通常會被用于低濃度富氧工作區域當中，即Ω＜0.30的工作區域。很多傳統的燃燒可以采取這類增氧助燃技術。為了保證進口空氣足夠的氧氣混合程度，需要使用預混器，這樣的方式可以用較低的生產費用來獲得更多的效益。例如在增氧的方式能夠縮短火焰長度，提升火焰強度。但是在此過程中也需要確保氧氣注添加量的合理，如果注入的氧氣過度同樣會引起各類問題，例如火焰形成過短或者火焰溫度過高造成燃燒器損壞。鑒于這種情況，輸氣管路處需要針對氧氣安全問題進行改進優化。

2.2 射氧

射氧與預混富氧同樣屬于低濃度混氧，主要被用于Ω＜0.30的工作區域。從整體的角度來看，射氧與預混富氧相比擁有更多的優勢，射氧不需要對當前已有的空氣燃料燃燒器作出改進，并且在NOx方面也會大大降低。由于射氧技術存在這樣的優點，使其成為了減少氮氧化物的常用方法[3]。在運用射氧方式的過程中，火焰熱量會比預混富養的效果更加均勻，并且能夠促進燃燒效率的提升。因此，降低了空氣燃料燃燒器與均熱層過熱情況的可能性。但是射氧方式也存在明顯的缺陷，主要體現在燃燒室所開設的射氧洞口會花費已經產生的成本。在應用射氧方式的過程中，需要將氧氣從下方注入到火焰當中，噴槍的位置會設立在燃燒器和被加熱物料之間。預混混氧可以有效促進火焰溫度的均勻提升，而下射技術可以選擇性地使火焰底部溫度得到提高。這樣的方式可以將向下的多余熱量向待燃物進行集中。雖然這樣的方式中的氧氣和空氣均勻度不如預混富養方式，但是可以更加有效地利用余熱。除此之外，下射富氧方式與預混富氧方式相比能夠有效降低爐頂耐火材料對熱量的吸收，進而保障爐頂壽命。

2.3 純氧燃燒

增氧燃燒原理中的第三種方式。為氧氣燃料燃燒，也被稱作高濃度富氧，通常會作用于Ω＞0.9的工作區域。在各種純氧燃燒的應用當中，燃料與氧氣在燃燒器當中會維持分離狀態，當兩者到達燃燒器口處時才會進行混合，所以純氧燃燒通常會使用噴嘴混合燃燒器，使火焰產生擴散效果。但是純氧燃燒方式也會存在一定的安全風險，由于純氧活動性比較高，預混過程中有可能會造成爆炸的危險。因此，需要確保純氧燃燒的安全保障。純氧及高濃度純氧，濃度會大于90%。在純氧燃燒系統當中，純氧濃度通常會與制氧方法有著密切的關系。純氧燃燒能夠有效促進燃燒效率，并且令火焰中熱點縮小而排放出的氮化物得到降低。但是這樣的增氧燃燒方式通常會花費較高的操作費用。

2.4 混氧燃燒

第四種增氧燃燒方式為混氧燃燒，也就是空氣-氧燃料燃燒，在運用這種方式的過程中，將空氣與氧氣分別送入到燃燒器當中，這種方式是純氧燃燒的變種[4]。在一些情況時，可以將一個氧氣燃料燃燒器插入到現有的空氣燃燒器當中，并且對其進優化改進，除此之外，也可以使用專門設計的燃燒器。混氧燃燒方式具有多種優勢，使用比預混合射氧方式更加充分的混氧，可以促進效益的提升，并且這項方式的操作費用也會明顯低于純氧燃燒。在火焰形狀與放熱方式方面，能夠采取控制氧氣用量來進行調整。除此之外，這種方式還具備費用低廉的改進方法，由于很多空氣燃燒器都需要運用兩種燃料設計，而在使用過程中，兩用燃燒器配備的油槍難以取下，此時可以使用射氧槍或者純氧燃燒器來替代。

3 熱能工程的應用

3.1 電站鍋爐

OEC在電站鍋爐方面的應用通常會分段燃燒，這是為了降低NOx的排放。在應用的過程中需要將10%～20%二次風從高出強燃燒區較多的爐膛上方射入到鍋爐內部，為燃料補充燃燒過程中所需的空氣，確保燃料能夠在富氧環境下得到充分燃燒，這樣一來便呈現出燃料的分段燃燒。采取這樣的方法可以有效降低20%～30%左右的NOx排放量。

3.2 燃煤工業鍋爐

0EC在工業鍋爐方面的應用通常會采取局部增氧助燃技術，需要運用膜法富氧助燃系統[5]。這種系統的具體工作流程，需要將通過空氣過濾器的空氣由通風機系統抽入到膜系統當中，隨后利用氧氣和氮氣在高分子膜滲透率速率的差別運用真空泵形成壓差，這樣能夠使氧氣在膜的低壓一側逐漸富集成為濃度較高的富氧空氣，完成以上步驟之后，需要采取富氧噴嘴將富氧空氣輸送到鍋爐內部。一般情況下，OEC能夠適用于各類燃料和多數工業鍋爐，不僅能夠有效提升劣質燃料的應用范圍，還可以促進燃料性能的充分釋放。例如運用26.7%的富氧空氣燃燒褐煤或能夠使燃燒穩定，與空氣燃燒重油的燃燒溫度相當。由此可見，富氧燃煤能夠在某種程度上代替空氣燒油，對于我國燃煤工業具有重要的意義。

3.3 垃圾焚化爐

在當前階段，增氧燃燒在垃圾焚化爐方面的運用屬于新的領域，最初是因為能夠提升便攜垃圾焚化爐的燃燒性能，隨后被逐漸運用到固體垃圾焚化爐以及焚化垃圾燃料的鍋爐當中。在垃圾焚化爐的處理過程中，垃圾燃料發熱值偏低，并且會擁有很多難以燃燒的物質，或者因為燃燒物少時影響燃燒效果，使普通燃燒給予不能維持燃燒的穩定性。使用增氧燃燒能夠擁有良好的燃燒效率，火焰溫度比較高，提升火焰特性，因此在垃圾焚化爐中使用這項技術能夠提升垃圾燃料的吞吐量。空氣中的氮會影響垃圾燃燒分解效果，而使用增氧燃燒可以促進燃料分解的提升，使高水分垃圾燃料分解過程中生成熱值較高的焦炭和氣體。并且運用氧氣調節系統時，對燃料進行分析來確定氧氣補給量，能夠改善垃圾燃料燃燒不均勻性造成的燃燒不穩定難題。

3.4 冷凝式鍋爐

冷凝式鍋爐通常具有較為出眾的燃燒效率，并且排放的污染物也比較少，在燃燒的過程中使用氣體或液體燃料能夠達到良好的節能效果。在此過程中，露點溫度會直接決定燃燒效果。因此，需要確保鍋爐水蒸氣的含量能夠維持在25%左右。由于壓力值會根據露點溫度出現變化，在露點溫度上升時壓力值也會上升。煙氣可以在更強的高溫環境進行冷凝，產生熱量的利用率也會增加[6]。此外，冷凝式鍋爐所釋放的潛在能量會降低廢氣量的排放。

4 結語

增氧燃燒原理在熱能工程中具有廣泛的應用范圍，隨著制氧技術的不斷提升，使增氧助燃原理也得到了進步。在當前情況下，增氧燃燒對于環境和運轉要求方面較為寬松，并且具備節能減排的效果，使用在熱能工程中有著長遠的發展前景。