氧气做助燃剂(富氧、纯氧燃烧技术大解析)

Posted 2023-05-30

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氧气做助燃剂(富氧、纯氧燃烧技术大解析)

纯氧助熔燃烧器火焰

富氧燃烧技术是国家推广的一项节能技术。天燃气在纯氧中的燃烧速度是在天然气中的10.7倍。有资料介绍，提高助燃空气中氧含量1个百分点，火焰温度可以提高70℃，提高传热效率12%。点火能量迅速减少。火焰长度只有在空气中燃烧的1/4。

一、国内外富氧纯氧燃烧器的研究概况

根据目前的工业利用情况，可以将富氧燃烧分为 3类：

助燃剂中氧浓度在21%~30%范围内称为低浓度富氧；
氧浓度在30%～95%为高浓度富氧；
而氧浓度在95%~100%则可近似地认为是纯氧燃烧。

富氧燃烧器与纯氧燃烧器最大的不同是富氧燃烧过程需要着重考虑NOx的生成而纯氧燃烧器一般不需要，因此本文将富氧燃烧器和纯氧燃烧器分开进行介绍分析。

1.1富氧燃烧器

岱鼎燃烧富氧燃烧器

由上面分析可知，燃料在富氧条件下燃烧，在燃烧火焰温度增加的同时也促进了NOx的生成，这也成为了富氧燃烧器设计需要重点考虑的问题。早期的富氧燃烧器多应用于玻璃炉窑，以实现较高的火焰温度来满足金属的冶炼、玻璃的熔化等，其主要是通过在烧嘴下面增加氧枪进行纯氧的喷吹，从而在火焰下方实现了高温的火焰面来满足对熔融玻璃的加热。该设置只需在普通燃烧器下面加一个喷氧枪，其结构简单易于实现，但是氮氧化物的生成和助燃剂量的难于控制是这种射氧的富氧燃烧方式所面临的最大问题。

1.2纯氧燃烧器

岱鼎燃烧纯氧燃烧器

目前的纯氧燃烧器的设计中主要通过冷却来降低喷嘴温度或采用烟气回流来降低燃烧火焰温度的方法，来避免炉内的局部高温现象。在绝大多数的富氧纯氧燃烧器设计中都是以削弱富氧燃烧的优点为代价来弥补其带来的高温集中、炉内气体流动变缓等问题。因此，为最大化地实现富氧燃烧：

1）外部烟气回流的富氧纯氧燃烧器依然是今后的研究重点。由于目前的燃烧系统绝大多数是使用常规空气助燃，使用外部烟气回流的富氧纯氧燃烧器设计可以避免对燃烧系统进行大范围的改造。

2）利用富氧助燃降低燃料点火温度和点火能量的特点，开发富氧纯氧）无焰燃烧器，不仅能实现炉内温度的均匀分布，还可以降低NO等污染物的生成。

3）带自冷却的富氧纯氧燃烧器由于其结构简单，执效率高等特点。

二、燃烧的特征

纯氧燃烧与在空气中燃烧相比，具有很多的优点。

火焰温度高。从图1中甲烷、丙烷和重油在不同的氧浓度下火焰温度的变化可见，纯氧燃烧时，最高理论火焰温度均可达到2700℃以上。

常规燃烧的绝热温度一般可达1950℃，而纯氧燃烧温度可以达到2500℃，从图中可以分析得出，纯氧的燃烧特点是高温度，因而炉膛温度越高其节能效果越明显。纯氧燃烧可以提高能源利用率，可以提高火焰温度，增强辐射系数，从而增强燃烧强度，加大传热效率，提高热能的利用率。烟气中的CO2和H2O增强了辐射的传热系数，这样烟气的辐射能力得到提高，同时也提高了烟气的换热效率。图3还说明了助燃气体中氧气含量越高其燃烧温度越高，这与理论燃烧温度的计算相符。

纯氧燃烧为捕捉CO2提供了可能性，在纯氧燃烧的烟气中含有大量的CO2，由于纯氧燃烧产生的烟气中没有氮气，主要是H2O和CO2，这使从烟气中收集CO2变的容易且经济。中不考虑H2O的影响，其露点比CO2高很多，在低温情况下认为其为液态，纯氧时候，有利于CO2的吸收利用。

纯氧燃烧可以降低NOx的排放量，NOx的排放量与燃烧的富氧率关系见图3由于燃烧周围的氧气浓度相差不大，同时火焰的燃烧时间大于NOx的反应时间，因此，NOx 的产量主要与燃料的燃烧温度、N2及NOx的热平衡方程有关，与燃料的燃烧温度有关。燃烧气体中氮气的减少可以提高燃烧温度，但也容易导致高的NOx排放量。当炉内O2的浓度超过60%时，NOx的形成量便会减少，按照纯氧燃烧理论，NOx的排放量应为零。

氧浓度变化对理论火焰温度的影响

2. 理论空气需要量大大降低，亦即燃烧排气量大大减少。如甲烷、丙烷和重油在不同的氧浓度下所需理论空气量见图2

理论空气量与氧浓度的关系

3.设备尺寸缩小，设备投资成本和维护费用降低（当然这是在不需要另外建制氧系统和供氧系统的情况下）。

4.NO,平衡浓度比空气中任何一种含氧量情况下的值都低，如图3所示。

5）燃料节约率大幅度提高。

6）气体辐射效果增大。这是因为没有N2，燃烧生成物中H2O和CO的分压提高，使气体辐射能力增加。

由此可见，氧燃烧可以大大强化炉内传热，提高生产率，降低成本，减少污染，具有很好的应用开发前景。

三、天然气-纯氧燃燃的特性

对纯氧燃烧来说，最合适不过的是天然气燃料。天然气的主要成分是甲烷，其次是乙烷等饱和碳氢化合物，除此以外含有少量的CO2,N2,H2S,CO等，热值很高，它与其它气体燃料及重油相比，更容易实现低NO,和SO等排放。此日本立专项对此进行了研究。

氧气喷流速度和氧气喷口间距对炉子效率的影响

这种燃烧器对Fuel-NOx(燃料型NOx)的生成不敏感，当燃料中N,浓度在10%～15%的范围内，燃料中的N 不是NOx生成的主要因素。

对于多段燃烧器来说，氧气喷口的数量，喷口之间的距离及喷口速度等对NOx的生成有不同的影响。具有4个和具有2个氧气喷射口的燃烧器相比较,后者的火焰峰值温度降低,NOx生成减少。这些主要取决于排气的温度。当排气温度比Thermal- NOx(热力型NOx)生成边界温度低时，NOx生成量与氧气过剩率、氧气喷口数及喷口距离无关，仅随喷流速度增加而减少；反之，NOx生成量增加。这种规律同于上述的环状喷流火焰中的情况。

在预混合燃烧器的试验中，氧过剩率对NOx的影响很大。NOx随排气中的氧浓度增加而增加，当氧气喷射口内的天然气枪从燃烧器前部后退5～7cm，就可以使NO降低近60%。之所以出现这种效果，是因为这种燃烧器的水冷却系统带来了非常大的热损失。

四、纯氧燃烧存在的问题

在纯氧燃烧过程中还存在一些不足的问题：

1）消耗的氧气成本较高，还需增加一套制氧系统。

2）高温火焰对耐火材料冲刷较重，必须采用一定的保护措施。

3）纯氧燃烧需要特殊的烧嘴，常规烧嘴难以满足其燃烧温度的要求。

4）在高温燃烧环境下，漏入的空气容易形成NOx。

5）由于烟气量的减少，减少了烟气对炉膛内部的扰动，但也会减少其对流换热能力，会改变炉内的温度场。

五、纯氧燃烧技术的改进

纯氧燃烧的难点在于炉内温度场，纯氧燃烧的高强度以及低对流极易造成炉内温度场的不均匀，改善此缺点的方法之一就是烟气强制回流燃烧系统。该技术的核心就是将回流的烟气与氧气进行混合，以此作为助燃气体，这样助燃气体中增加了大量的多原子分子（CO2和H2O），既增强了辐射传热，又增强了对流，从而使炉内温度场更加均匀。从该燃烧系统的原理图（下图）还可以发现，该系统可以轻易在纯氧燃烧和常规燃烧之间切换，使用起来更加方便。而烟气也有利于CO2回收工艺的开展。

纯氧燃烧技术，可以大幅度减少NOx排放，降低产品的单位能耗，其在国外已经有了实际的应用经验。而国内高热值燃料使用量较少，氧气成本较高，影响该技术的推广，随着能源价格进一步走高，制氧成本进一步降低，该技术会逐步得到企业认可。而烟气回流纯氧燃烧系统可以更容易实现加热工艺和节能环保的双向要求，可以更好地促进纯氧燃烧技术的推广。

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