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富氧燃烧技术研究现状及发展前景

发布时间: 2022-05-26  点击次数: 158次

  摘 要:当前锅炉富氧燃烧技术正在逐步发展,其应用的规模和范围正在不断扩大,本文讨论了氧燃烧技术的背景及意义,富氧燃烧可显著减少助燃空气量、烟气生成量,显著节约能源,且有利于减少和控制SO2 、CO2 的排放,同时阐述了富氧燃烧技术的理论基础以及应用,并详细介绍了国内外膜法制氧技术和富氧燃烧技术的发展历程及现状,最后对富氧燃烧技术的未来进行了展望,指出富氧燃烧技术在节能及环保方面将有广阔的前景。
    关键词: 富氧燃烧; 应用; 节能;研究; 现状; 发展
    1 富氧燃烧技术背景及意义
    富氧燃烧(也称为O2 /CO2 燃烧)利用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混合气代替空气做矿物燃料燃烧时的氧化剂,这种燃烧方式可以使烟气CO2 的浓度高达85%以上,可不必分离而将大部分的烟气直接液化回收处理,有利于CO2 的回收,可以有效减少温室气体的排放,此外富氧燃烧还可以有效减少NOX 和SO2等污染物的排放,是一项高效节能的燃烧方式。为了使燃料充分燃烧, 一般工业燃烧装置中的燃料都应该在富氧燃烧工况下进行。燃烧是目前人类获取能量的一个最主要的手段,通过燃烧矿物燃料所获取的能量占世界总能量消耗的百分之九十以上。因此,燃烧过程组织得合理与否在很大程度上影响到能源的利用程度和能耗的降低。煤在富氧状态下燃烧,燃烧温度大大提高,可强化炉内传热,提高生产率;随着助燃空气中氧气含量的增加,助燃空气量显著减少,空气量的减少导致烟气量的减少,排烟热损失也就大大减少,提高了热效率,节约了能源。对富氧燃烧的工业应用而言,不同的应用就有不同的节能效果。
    2 富氧燃烧技术理论基础
    燃烧是由于燃料中可燃分子与氧分子之间发生高能碰撞而引起的,所以氧的供给情况决定了燃烧过程完成得是否充分。用比通常空气(含氧21% )含氧浓度高的富氧空气进行燃烧,称为富氧燃烧(oxygen enriched combustion) ,简称OEC。它是一项高效节能的燃烧技术,在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用。富氧燃烧与用普通空气燃烧相比有以下优点:
    2. 1 充分燃烧,合理燃烧
    常规的燃烧过程都存在着不足之处,局部缺氧。产生不完全燃烧,火焰温度偏低也会产生不完全燃烧,可燃物质变成烟尘排掉,浪费能源,造成大气污染。富氧燃烧针对缺氧区,局部增氧,使燃烧充分,火焰温度提高,辐射强度大幅提升,从而使热能的利用率大幅提升。 例如:1、锅炉前后拱是缺氧区,前后拱上部是锅炉水管吸热区,富氧喷嘴在缺氧区注入富氧,不仅可以充分燃烧,同时可以拉高火焰,提高火焰的温度,在吸热区再次形成高温,增强热辐射。2、在隧道窑炉中富氧喷射在喷油枪的下方,在中下部缺氧区形成高温层,有利于被加热的产品获得热能,可燃物质被充分燃烧。总之,可以根据不同窑炉的燃烧要求,优选到最佳方案。
    2. 2 氧浓度提高,火焰温度上升,热效率大幅度提高
    富氧可以使火焰温度提高,燃烧反应过程稳定。火焰温度与节能效率密切相关,火焰温度提高,促进整个燃烧体(炉膛)温度上升。受热物质主要靠热辐射获得热能,辐射强度与温度的四次方成正比,炉膛温度上升虽不大,但热辐射强度大幅提升,受热物质更容易获得热量,热效率大幅提高。
    2. 3 降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间
    燃料的燃点温度随燃烧条件变化而变化。燃料的燃点温度不是一个常数,如CO 在空气中为609℃,在纯氧中仅388 ℃,所以用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等。表2为几种燃料在空气和氧气中的燃点。可见,加入氧气将有助于降低燃料的燃点温度。比如:市政垃圾的燃点很高,普通空气助燃下不易燃烧。日本三菱公司将富氧燃烧技术应用于垃圾焚烧炉中,收到了可观的经济和环保效益。
    2. 4 降低过量空气系数,减少燃烧后的烟气量
    用富氧代替空气助燃,可适当降低过量空气系数,减少排烟体积。用锅炉反平衡效率法计算锅炉效率时,我们会发现锅炉的排烟损失占锅炉热损失的很大比例,特别是在普通空气助燃的情况下,占助燃空气近4 /5体积的氮气并没参加燃烧反应,并且在燃烧过程中被同时加热,带走大量的热量。若使用氧浓度为21%的常规空气,按理论空气量燃烧的烟气量作为1计算时,随着含氧量的增加,烟气量有减少的倾向。使用含氧量为27%的富氧空气燃烧与氧浓度为21%的空气燃烧比较,过量空气系数α = 1时,则烟气体积减少20% ,排烟热损失也相应减少而节能。
    3 膜法富氧燃烧技术的研究和应用
    3. 1 国外情况
    早在上世纪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,其通产省就资助组织了7家公司和研究所组成“膜法富氧燃烧技术研究组"。由于能源紧张,日本先后有近20家公司推出膜法富氧装置。该国曾在以气、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%的富氧助燃则节能高达30% ~50%等。联邦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% ,而熔化温度提高了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%的膜法富氧节约燃料可大于30%。此外,前苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧用于助燃的报道。值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧来助燃,所以投资非常大,故国外还没有广泛推广应用。
    3. 2 国内情况
    我国在上世纪80年代中期开始研究此项技术,并取得了可喜的成果。国内在这方面的研究也有十多家,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应用。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。1990年“用于玻璃窑炉的高分子膜富氧装置及燃烧技术"的成果又通过了中国科学院和北京市人民政府组织的联合鉴定,被确定为国家“八五"新技术重点推广项目。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和调研。,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有关部门验收。大庆开发区三春节能技术有限公司开发推广锅炉富氧助燃装置走在国内前列, 2005年获得国家科技型中小企业技术创新基金资助。2004年至2006年为黑龙江华润酒精公司6台45 t/h抛煤机蒸汽锅炉配置了富氧助燃装置,取得良好效果。在局部富氧浓度29%情况下,节能6. 37% ,烟气黑度由原来的林格曼5级降到林格曼2级,满足该地区的环保要求。2007年以来,该公司先后在大庆石油管理局物业集团八百晌供热管理处的29MW热水锅炉,安徽氯碱化工集团4台35 t/h抛煤机蒸汽锅炉上应用此项技术,均获得满意效果。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及燃烧特性实验。其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实际锅炉富氧助燃装置的设计及改进具有重要意义。
    4 富氧燃烧技术的应用
    1、产品前景好的企业。在节能的同时又可以提高产品质量,提高产品的优质品率,增强市场的竞争力。
    2、在城市、市镇人口稠密的地区企业,使用富氧燃烧既可以节能。
    3、燃油、燃煤的能耗大户,如热电厂、工业锅炉油田锅炉、煤气发生炉、陶瓷墙地砖燃烧炉、钢锭加热炉、水泥窑炉等使用富氧燃烧技术既节能又增产,效益明显。废气排放达到国家标准,既去掉企业法人心中负担,又造福人类;城市垃圾焚烧,富氧燃烧使垃圾着火点下降,火焰温度升高,减少耗煤量。
    4、有需要生产和使用氮气的企业。国内很多企业生产中需要氮气。采用我公司制取氮气的方法,在得到氮气的同时,分离出富氧用于燃烧。氮气在浓度可以达到95-99.9%,经过净化后可以达到99.9995%,露点达到-40℃— -70℃。采用我公司的工艺,不仅得到的氮气不要成本(富氧燃烧每年产生的节能效益是装置投资的2-3倍),而且可以实现富氧燃烧,节省能源,保护环境。该装置使用寿命十年以上,一套设备两种用途,投资少,效益高。
    5、使用压缩空气的企业。把压缩空气中的氧气分离出来用于燃烧,而压缩空气分离掉氧气后,压力不降低,纯度更加好,提高了使用质量。因有了气源,富氧燃烧装置投资大幅下降,装置运转成本接近零消耗。
    6、高原地区更需要富氧空气,海拔高空气中的氧含量降低,工业窑炉在低氧情况下,无法正常工作,燃烧不充分,浪费燃料,产生环境污染严重,富氧技术可以解决上述问题。
    7、需要在室内提高氧浓度用于呼吸的场所,如氧吧、医院和高原地区的机场、宾馆、列车上及人口较密集的建筑物内。生化发酵,养殖业等都需要富氧。
   
    5.结语
    采用富氧燃烧可提高生产率和节能,还有利于减少和控制SO2 ,CO2 的排放,但会明显增加NOX 的排放。因此,为了推广煤的富氧洁净燃烧技术,需要深入研究。煤富氧燃烧时SO2 ,NOX 的产生机理,特别是低硫煤富氧燃烧炉内脱硫脱硝的基础研究,寻找有效控制富氧燃烧SO2 , NOX 排放措施,以获得节能与环保的双重效益。富氧燃烧技术同时还存在一些问题,主要是氧气的制备和烟气中CO2 的回收所需费用比较高,如何降低氧气制备和CO2 回收处理技术的成本和能耗是其面临的主要技术挑战。

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