富氧燃烧技术研究现状及发展

马莉娜，邓志友，龙建锋

（深圳粤通新能源环保技术有限公司，广东 深圳 518000）

1 富氧燃烧技术的开发应用意义

（1）节省设备投入，有利污染物回收。富氧燃烧最大的优点就是废气排放量大幅减少，而且富氧燃烧技术本身就有扑捉CO2的能力(使烟气中CO2浓度达到85%以上，可以方便压缩回收)，废气排放控制设备和费用主要依赖于废气排放流量，所以富氧燃烧技术可以大幅节省费用。在一个典型的机组中，排放控制设备一般包括用于除微粒的静电沉淀剂、湿法脱硫剂、催化还原系统（有效控制NOX的排放）水银清除设备。

（2）加快燃烧速度，促进燃烧完全。燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大，如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍，天然气则达到10.7倍左右。故用富氧空气助燃后，不仅使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，将有利于燃烧反应完全。几种气体燃料在空气（氧气体积百分率为21%）中和纯氧中的燃烧速度对比情况如表1所示。

表1 几种气体燃料的燃烧速度

（3）提高生产率，降低成本。燃料在富氧状态下能降低燃点温度，在氧气送入的区域，由于很高的氧气浓度和表面温度使燃烧速度将有大幅度提高，从而提高火焰强度，获得较好的热传导，而且燃烧产物的辐射能力比普通燃烧高，大大强化炉内传热，从而提高生产率，降低制造和运行成本。表2为几种燃料在空气和氧气中的燃点。

表2 几种气体燃料的燃点温度（℃）

（4）易于推广应用。富氧燃烧技术既适合新建锅炉，又适合旧锅炉的改造，容易实现，而且试验显示运行状况良好，燃烧稳定。

2 富氧燃烧技术研究现状

（1）国外富氧燃烧技术应用成效。早在20世纪80年代初，许多发达国家都投入了大量人力、物力来研究膜法富氧技术。特别是日本，其通产省就资助了7家公司和研究所组成“膜法富氧燃烧技术研究组”。日本曾在以气、油、煤燃烧的不同场合进行了各种富氧应用试验，得出如下结论：用23%的富氧助燃可节能10%～25%，用25%的富氧助燃可节能20%～40%，用27%的富氧助燃可节能30%～50%等。德国在一座马蹄型蓄热炉上用27%的富氧试验，使熔化率增加了56.2%，能耗下降20%，熔化温度提高了100℃。瑞典、英国、德国在滚轧和铝熔炉装置上采用膜法富氧浓度25%～27%，节约燃料12%～28%，而原设备生产率提高17%～39%。美国WOLVER INE铜冶炼厂，采用29%的膜法富氧可节约30%以上的燃料。此外，苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧用于助燃的报道。但是，国外绝大部分的富氧燃烧用的都是整体增氧来助燃，投资成本较大，故此技术未能广泛推广应用。

（2）国内富氧燃烧技术研发成果。我国对此研究始于20世纪80年代中期，并且取得了一定的成果。国内对富氧燃烧技术的研究有十多家，如清华大学、东北大学、中科院大化所、中科院广州能源所、辽宁省锅炉技术研究所等单位对膜法制氧及富氧燃烧技术都进行了积极的探索与研究。中科院大连化物所自1986年起一直从事国家“七五”和“八五”科技攻关项目：卷式富氧膜、组件、装置及其应用和开发的研究，并且研制成功LTV-PS富氧膜。辽宁省锅炉技术研究所对国内外相关领域也进行了广泛的探讨的调研。2004年引进国外先进的制氧技术，设计生产出富氧助燃设备系统，并与丹东某玻璃器皿厂合作，对两台玻璃缸窑炉改造取得了成功并通过政府相关部门验收。吉林大学2007年完成国家科技型中小企业技术创新基金资助项目《锅炉增氧助燃燃烧实验与理论研究》。设计及研制出锅炉富氧助燃燃烧实验台，在实验台进行了一系列富氧助燃的热工特性级燃烧特性试验。试验研究表明富氧助燃技术能够加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的烟气量，节省能源，具有实用性。吉林大学建立了富氧助燃燃烧的数学模型。采用计算机进行理论计算及模拟分析，为富氧助燃技术研究奠定了基础。此项目的实验及理论研究对锅炉富氧助燃装置的设计及改进具有重要意义。尽管国内在富氧燃烧技术基础研究上取得了一定的成果，但在成果转化与实际运用上还鲜有报告，亟待开发。

3 粤通研发富氧燃烧锅炉的成果

图1 粤通公司设计锅炉燃烧系统原理图

粤通公司通过对富氧燃烧技术进行深入研究，设计研发了一套高效燃烧系统，在传统锅炉燃烧系统中加入了一套二次高温富氧燃烧系统，该系统的核心原理如图1所示。

相对于传统锅炉燃烧系统而言，本项目研发的二次高温富氧燃烧系统的核心是一个高温富氧燃烧室以及配套的烟气循环系统。该系统充分利用了初始燃烧未燃尽的产物和剩余热量，使燃料达到完全利用，同时也去除了不完全燃烧过程产生的有害气体，富氧燃烧烟气中的污染物质显著少于传统燃烧，尾气处理不需要复杂的环保设施，只需经过简单的净化排烟装置，即可以洁净烟气的方式进入大气环境，不会造成沉重的环境负担。因此，本项目的研发对于局部环境的改善具有重要的意义。

（1）富氧燃烧装置的设计。本项目的富氧燃烧装置采用锅炉上部安装有锅筒、下部安装有炉排，锅炉本体的腹中前部为炉膛，后部为排烟室的合理的整体设计，改善传统锅炉因燃料燃烧不充分而导致黑烟排放，污染环境、燃料利用率不足、热效率低的问题。

（2）二次高温富氧燃烧室隧道复燃室的设计。本项目隧道复燃室采用圆筒状设计，由耐火材料砌筑而成，隧道复燃室的侧壁上开设有多个送风辐射孔；隧道复燃室具有一定长度，其长度控制在锅炉炉膛总长度的1/3～1/2之间，保证了烟气或在炉膛内未燃尽的燃料能够在隧道复燃室内具有足够的迂回时间以充分燃烧。

（3）二次高温富氧燃烧送风系统的设计。本项目富氧燃烧送风系统包括送风管和用于提供动力的送风机，送风管采用两条支路设计，其中一路送风至炉膛，另一路送风至隧道复燃室与锅炉炉膛构成的封闭室内。二次风强烈旋转，喷出喷口后形成中心回流区，卷吸炉内的高温烟气至燃烧器出口附近，加热并点燃初始燃烧产物中残余的可燃气体。二次风不断和初始燃烧产物混合，使燃烧过程不断发展，直至燃尽。除了中心回流区的高温烟气卷吸外，在燃烧器喷出的气流的外圈也有高温烟气被卷吸。旋转射流有扩散角大，射程短，早期混合强烈，后期混合减弱的特点。旋转射流的湍流换热强度很高，使得燃料在炉膛内进行一次燃烧后，未充分燃烧的燃料再与隧道复燃室内的热空气混合二次燃烧，提高了燃料的利用率，且二次高温富氧燃烧能在超高温条件下分解一次燃烧过程中对环境产生污染的气体，实现了洁净燃烧。