增氧燃燒原理在熱能工程中的應(yīng)用

張小成

（中材海外工程有限公司，北京 100037）

0 引言

近幾年，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾愈發(fā)明顯，人們環(huán)保意識(shí)的加深使能源節(jié)約成為了關(guān)鍵討論的問(wèn)題。增氧燃燒作為新興燃燒技術(shù)，能夠通過(guò)增加氧氣含量的方式促進(jìn)燃燒過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能高效的目的，對(duì)于玻璃工業(yè)、冶金業(yè)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(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，需要相關(guān)人員整我掌握增氧燃燒原理，使其技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠在熱能工程中充分發(fā)揮出來(lái)。

1 增氧燃燒原理

1.1 工作區(qū)域

增氧燃燒工作區(qū)域通?？梢詣澐譃閮煞N類(lèi)型：第一種類(lèi)型為低濃度增氧。這種工作區(qū)域通常比較適合只需要添加少許氧氣便可以達(dá)到高效燃燒的熱能設(shè)備。第二種類(lèi)型為高濃度增氧工作區(qū)。在這種工作區(qū)域進(jìn)行增氧的過(guò)程中一般會(huì)采取純氧的方式，通常會(huì)用于高溫生產(chǎn)作業(yè)當(dāng)中[1]。但是這樣的增氧方式會(huì)消耗較多的生產(chǎn)成本，但是具有卓越的燃燒效率。

1.2 燃燒產(chǎn)物

增氧燃燒技術(shù)中的燃燒產(chǎn)物組成成分通常會(huì)受到不同因素的影響，例如氧化劑成分、氣體溫度、周邊環(huán)境等等。針對(duì)氣體混合燃燒試驗(yàn)效果進(jìn)行分析研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然氣與氧氣產(chǎn)生一定反應(yīng)之后，作業(yè)區(qū)域通常會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣。對(duì)于產(chǎn)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(huì)逐漸降低，二氧化碳與水蒸氣占比增加。設(shè)備在此過(guò)程中會(huì)通過(guò)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(huì)因此降低，這樣一來(lái)可以有效提高燃燒效率。

1.3 火焰溫度

在工程環(huán)境中采取增氧燃燒技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)增加氧氣含量時(shí)，火焰溫度會(huì)出現(xiàn)明顯的增高。這主要是因?yàn)檠鯕庵夹Ч梢杂行Ы档蛷U氣比率，使燃燒更加充分。在甲烷絕熱燃燒實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，在空氣燃燒的熱能環(huán)境當(dāng)中火焰溫度通常會(huì)維持在2300K左右，而在完全氧氣環(huán)境下火焰溫度可以達(dá)到3000K。如果在空氣中注入60%左右的氧氣可以有效促進(jìn)火焰溫度的上升。如果在此之后繼續(xù)增加氧氣含量，雖然火焰溫度會(huì)逐漸上升，但是升溫速度會(huì)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(lái)講就是總熱能與廢氣帶走熱能之間的差額。眾所周知，氮?dú)獠荒軌驗(yàn)槿紵顒?dòng)增加助力，所以氮?dú)馀欧胚^(guò)程中釋放出的能量會(huì)造成可利用熱程度的降低。為了避免熱能生產(chǎn)受到大氣的影響，需要在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中但其進(jìn)行回收利用[2]。如果沒(méi)有對(duì)氮?dú)獠扇』厥绽霉ぷ?，不僅會(huì)影響熱能生產(chǎn)，還會(huì)因氮氧結(jié)合物造成環(huán)保問(wèn)題。在此過(guò)程中適當(dāng)增加氧氣含量，可以有效降低氮氧結(jié)合物的排放。實(shí)現(xiàn)科學(xué)化熱鬧生產(chǎn)。

2 增氧燃燒方式

2.1 預(yù)混富氧

空氣燃料燃燒過(guò)程中的富氧也被稱(chēng)作為低程度富氧或者預(yù)混富氧，這種情況通常會(huì)被用于低濃度富氧工作區(qū)域當(dāng)中，即Ω＜0.30的工作區(qū)域。很多傳統(tǒng)的燃燒可以采取這類(lèi)增氧助燃技術(shù)。為了保證進(jìn)口空氣足夠的氧氣混合程度，需要使用預(yù)混器，這樣的方式可以用較低的生產(chǎn)費(fèi)用來(lái)獲得更多的效益。例如在增氧的方式能夠縮短火焰長(zhǎng)度，提升火焰強(qiáng)度。但是在此過(guò)程中也需要確保氧氣注添加量的合理，如果注入的氧氣過(guò)度同樣會(huì)引起各類(lèi)問(wèn)題，例如火焰形成過(guò)短或者火焰溫度過(guò)高造成燃燒器損壞。鑒于這種情況，輸氣管路處需要針對(duì)氧氣安全問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

2.2 射氧

射氧與預(yù)混富氧同樣屬于低濃度混氧，主要被用于Ω＜0.30的工作區(qū)域。從整體的角度來(lái)看，射氧與預(yù)混富氧相比擁有更多的優(yōu)勢(shì)，射氧不需要對(duì)當(dāng)前已有的空氣燃料燃燒器作出改進(jìn)，并且在NOx方面也會(huì)大大降低。由于射氧技術(shù)存在這樣的優(yōu)點(diǎn)，使其成為了減少氮氧化物的常用方法[3]。在運(yùn)用射氧方式的過(guò)程中，火焰熱量會(huì)比預(yù)混富養(yǎng)的效果更加均勻，并且能夠促進(jìn)燃燒效率的提升。因此，降低了空氣燃料燃燒器與均熱層過(guò)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(xiàn)在燃燒室所開(kāi)設(shè)的射氧洞口會(huì)花費(fèi)已經(jīng)產(chǎn)生的成本。在應(yīng)用射氧方式的過(guò)程中，需要將氧氣從下方注入到火焰當(dāng)中，噴槍的位置會(huì)設(shè)立在燃燒器和被加熱物料之間。預(yù)混混氧可以有效促進(jìn)火焰溫度的均勻提升，而下射技術(shù)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(jìn)行集中。雖然這樣的方式中的氧氣和空氣均勻度不如預(yù)混富養(yǎng)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(yù)混富氧方式相比能夠有效降低爐頂耐火材料對(duì)熱量的吸收，進(jìn)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(chēng)作高濃度富氧，通常會(huì)作用于Ω＞0.9的工作區(qū)域。在各種純氧燃燒的應(yīng)用當(dāng)中，燃料與氧氣在燃燒器當(dāng)中會(huì)維持分離狀態(tài)，當(dāng)兩者到達(dá)燃燒器口處時(shí)才會(huì)進(jìn)行混合，所以純氧燃燒通常會(huì)使用噴嘴混合燃燒器，使火焰產(chǎn)生擴(kuò)散效果。但是純氧燃燒方式也會(huì)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，由于純氧活動(dòng)性比較高，預(yù)混過(guò)程中有可能會(huì)造成爆炸的危險(xiǎn)。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(huì)大于90%。在純氧燃燒系統(tǒng)當(dāng)中，純氧濃度通常會(huì)與制氧方法有著密切的關(guān)系。純氧燃燒能夠有效促進(jìn)燃燒效率，并且令火焰中熱點(diǎn)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(huì)花費(fèi)較高的操作費(fèi)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(yùn)用這種方式的過(guò)程中，將空氣與氧氣分別送入到燃燒器當(dāng)中，這種方式是純氧燃燒的變種[4]。在一些情況時(shí)，可以將一個(gè)氧氣燃料燃燒器插入到現(xiàn)有的空氣燃燒器當(dāng)中，并且對(duì)其進(jìn)優(yōu)化改進(jìn)，除此之外，也可以使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的燃燒器?；煅跞紵绞骄哂卸喾N優(yōu)勢(shì)，使用比預(yù)混合射氧方式更加充分的混氧，可以促進(jìn)效益的提升，并且這項(xiàng)方式的操作費(fèi)用也會(huì)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(lái)進(jìn)行調(diào)整。除此之外，這種方式還具備費(fèi)用低廉的改進(jìn)方法，由于很多空氣燃燒器都需要運(yùn)用兩種燃料設(shè)計(jì)，而在使用過(guò)程中，兩用燃燒器配備的油槍難以取下，此時(shí)可以使用射氧槍或者純氧燃燒器來(lái)替代。

3 熱能工程的應(yīng)用

3.1 電站鍋爐

OEC在電站鍋爐方面的應(yīng)用通常會(huì)分段燃燒，這是為了降低NOx的排放。在應(yīng)用的過(guò)程中需要將10%～20%二次風(fēng)從高出強(qiáng)燃燒區(qū)較多的爐膛上方射入到鍋爐內(nèi)部，為燃料補(bǔ)充燃燒過(guò)程中所需的空氣，確保燃料能夠在富氧環(huán)境下得到充分燃燒，這樣一來(lái)便呈現(xiàn)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(yè)鍋爐

0EC在工業(yè)鍋爐方面的應(yīng)用通常會(huì)采取局部增氧助燃技術(shù)，需要運(yùn)用膜法富氧助燃系統(tǒng)[5]。這種系統(tǒng)的具體工作流程，需要將通過(guò)空氣過(guò)濾器的空氣由通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)抽入到膜系統(tǒng)當(dāng)中，隨后利用氧氣和氮?dú)庠诟叻肿幽B透率速率的差別運(yùn)用真空泵形成壓差，這樣能夠使氧氣在膜的低壓一側(cè)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(nèi)部。一般情況下，OEC能夠適用于各類(lèi)燃料和多數(shù)工業(yè)鍋爐，不僅能夠有效提升劣質(zhì)燃料的應(yīng)用范圍，還可以促進(jìn)燃料性能的充分釋放。例如運(yùn)用26.7%的富氧空氣燃燒褐煤或能夠使燃燒穩(wěn)定，與空氣燃燒重油的燃燒溫度相當(dāng)。由此可見(jiàn)，富氧燃煤能夠在某種程度上代替空氣燒油，對(duì)于我國(guó)燃煤工業(yè)具有重要的意義。

3.3 垃圾焚化爐

在當(dāng)前階段，增氧燃燒在垃圾焚化爐方面的運(yùn)用屬于新的領(lǐng)域，最初是因?yàn)槟軌蛱嵘銛y垃圾焚化爐的燃燒性能，隨后被逐漸運(yùn)用到固體垃圾焚化爐以及焚化垃圾燃料的鍋爐當(dāng)中。在垃圾焚化爐的處理過(guò)程中，垃圾燃料發(fā)熱值偏低，并且會(huì)擁有很多難以燃燒的物質(zhì)，或者因?yàn)槿紵锷贂r(shí)影響燃燒效果，使普通燃燒給予不能維持燃燒的穩(wěn)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(xiàng)技術(shù)能夠提升垃圾燃料的吞吐量。空氣中的氮會(huì)影響垃圾燃燒分解效果，而使用增氧燃燒可以促進(jìn)燃料分解的提升，使高水分垃圾燃料分解過(guò)程中生成熱值較高的焦炭和氣體。并且運(yùn)用氧氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)燃料進(jìn)行分析來(lái)確定氧氣補(bǔ)給量，能夠改善垃圾燃料燃燒不均勻性造成的燃燒不穩(wěn)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(guò)程中使用氣體或液體燃料能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果。在此過(guò)程中，露點(diǎn)溫度會(huì)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(huì)根據(jù)露點(diǎn)溫度出現(xiàn)變化，在露點(diǎn)溫度上升時(shí)壓力值也會(huì)上升。煙氣可以在更強(qiáng)的高溫環(huán)境進(jìn)行冷凝，產(chǎn)生熱量的利用率也會(huì)增加[6]。此外，冷凝式鍋爐所釋放的潛在能量會(huì)降低廢氣量的排放。

4 結(jié)語(yǔ)

增氧燃燒原理在熱能工程中具有廣泛的應(yīng)用范圍，隨著制氧技術(shù)的不斷提升，使增氧助燃原理也得到了進(jìn)步。在當(dāng)前情況下，增氧燃燒對(duì)于環(huán)境和運(yùn)轉(zhuǎn)要求方面較為寬松，并且具備節(jié)能減排的效果，使用在熱能工程中有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。