富氧燃燒系統(tǒng)
富氧燃燒工藝概述
杭控富氧燃燒設(shè)備利用廠礦企業(yè)現(xiàn)有的天然氣燃料，采用輔助富氧措施，增加一次風(fēng)中氧含量，使一次風(fēng)中氧含量為30~45%，從而使豎爐內(nèi)部高溫區(qū)域集中，加快電解銅的熔化，該燃燒工藝快速燃燒，保持火焰形狀，使溫度比不采取富氧措施可提高100°C以上。富氧燃燒工藝減少助燃風(fēng)使燃燒更充分，節(jié)約能耗及減少氮氧化物排放對(duì)環(huán)境的污染。
氧氣使用方法
I. AIR-FUEL OPERATION 空氣燃料操作
金屬傳熱，q |
II. DIFFUSER ENRICHMENT 分配器富氧
qII >> qI |
III. 0XYGEN INJECTION (0XY-FUEL) 風(fēng)口富氧
qIII > qII >> qI |
產(chǎn)品概述
燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過(guò)程。
富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度（根據(jù)實(shí)際情況可采用局部富氧和整體富氧），直至純氧燃燒。
富氧燃燒對(duì)所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業(yè)鍋爐均適用，既能提高劣質(zhì)燃料的應(yīng)用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)良燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應(yīng)的均可用富氧代替。
富氧燃燒技術(shù)是在現(xiàn)有空氣燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以高于空氣氧氣含量的含氧氣體進(jìn)行燃燒的技術(shù)，是一種高效的節(jié)能燃燒技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)又稱為空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)或氧燃料燃燒技術(shù)。采用煙氣再循環(huán)的方式，使燃燒爐內(nèi)CO2濃度提高。O2與煙氣中CO2以一定比例混合，作為燃燒的氧化劑，使燃料燃燒可保持燃燒溫度，并得到與空氣燃燒方式一樣的熱能。
燃燒對(duì)比
富氧燃燒與空氣燃燒對(duì)比
※ 氧氣比例
富氧助燃技術(shù)因氮?dú)饬繙p少，空氣量及煙氣量均減少，火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而提高，進(jìn)而提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱。
※ 燃燒安全
用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時(shí)由于溫度提高了，將有利于燃燒反應(yīng)完全。
※ 降低成本
富氧燃燒減少燃燒后的煙氣量，減小窯爐體積。煙氣量減少，采用純氧燃燒時(shí)煙氣量減少近80%，可以采用體積較小的窯爐和輔助設(shè)備，減少能耗及工程造價(jià)。
產(chǎn)品組成
富氧燃燒技術(shù)主要由3 個(gè)基本步驟組成：空氣分離、O2/ CO2 燃燒和煙氣壓縮與脫水。
CO2 concentration: 95%
SO2 removal by limestone: 40%-90%
Thermal efficiency increase: 3%
NOx reduction: 30%-70%
CO2利用方式
1、EOR Enhanced Oil Recovery 應(yīng)用較廣。
2、BCBM Enhanced Coal Bed Methane 獲取不可開采的煤層中的天然氣。CBM應(yīng)用廣，而BCBM很少。
3、Ocean Storage 海洋是一個(gè)自然的碳匯，存儲(chǔ)量巨大。但CO2深海儲(chǔ)藏的技術(shù)還未完全掌握。
4、Deep Saline Aquifer 很有前景，儲(chǔ)量豐富，靠近CO2產(chǎn)生地。但目前還未見大規(guī)模工程示范。
研究熱點(diǎn)
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熱傳遞評(píng)價(jià) |
在相同絕熱火焰溫度情況下，輻射換熱增強(qiáng)，對(duì)流換熱減弱，需要對(duì)鍋爐部分改造或操作條件優(yōu)化，保證滿意的能量平衡。 |
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焦炭燃盡率 |
高CO2氣氛下，char-CO2反應(yīng)。低溫下（如400℃-900℃，）可忽略，因其反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于char-O2反應(yīng)；高溫下，碳粒邊界層存在明顯的CO產(chǎn)物。 |
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著火特性與火焰穩(wěn)定性 |
微重力設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，保證煤粉均相布置，防止自然對(duì)流。CO2高熱容，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，著火延遲，影響火焰穩(wěn)定性。 |
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氣體排放控制 |
CO2，NOx，SO2，亞微米級(jí)飛灰顆粒，痕量元素。 |
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氣體排放控制 |
CO2：試驗(yàn)室試驗(yàn)，煙氣中CO2濃度可達(dá)95%；中試試驗(yàn)，濃度為80%-92%。 |
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NOx：NOx排放較空氣氣氛下減少2/3以上：熱力型NOx減少，循環(huán)煙氣中NOx的還原。 |
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SO2：試驗(yàn)表明，排放量減少，濃度增大，S轉(zhuǎn)化率91%→64%。 |
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亞微米級(jí)顆粒：難熔氧化物氣化，導(dǎo)致數(shù)量明顯增加；高濃度CO2改變氧化物中CO/CO2比例，影響氣化。 |
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痕量元素：氣相中，汞、硒、砷含量較空氣下高。 |
研究進(jìn)展
富氧燃燒的概念在1981年由Home和Steinburg提出，并得到實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證。研究表明常規(guī)鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旒纯刹捎么思夹g(shù)。
隨著人們對(duì)全球氣候變化與溫室效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到了重視和發(fā)展。
應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)
（1）燃燒效率高：鍋爐效率也提高了。
（2）燃燒產(chǎn)物中CO2的含量將達(dá)到95%左右，回收的費(fèi)用更低。
（3）在液化處理以CO2為主的煙氣時(shí)，SO2同時(shí)也被液化回收，可省去煙氣脫硫設(shè)備。
（4）在O2/CO2的氣氛下，SOx、NOx的生成將會(huì)減少，如果再結(jié)合低NOx燃燒技術(shù)，則有可能不用或少用脫氮設(shè)備。
（5）采用O2/CO2燃燒技術(shù)減少了煙氣量，簡(jiǎn)化了煙氣處理系統(tǒng)。燃燒溫度可以由再循環(huán)的煙氣量來(lái)控制。
節(jié)能機(jī)理
1、提高火焰溫度
常規(guī)燃燒中的空氣中僅有21%的氧氣參與燃燒過(guò)程，而近79%的氮?dú)獠粌H不參與燃燒而且還嚴(yán)重阻礙燃燒的進(jìn)行。一是會(huì)嚴(yán)重阻礙燃料和氧氣分子之間的接觸碰撞的機(jī)會(huì)，使燃燒速率降低；二是氮?dú)膺€會(huì)在高溫的條件下與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)吸收大量的熱量并從燃燒反應(yīng)中吸收熱量，降低理論燃燒溫度，作為煙氣排出，造成能源浪費(fèi)。
城市煤氣理論火焰溫度與氧濃度關(guān)系圖
不同燃料及富氧率燃燒溫度估算對(duì)比
富氧率
% |
理論空氣需要量
Nm³/kg |
理論空氣生成量
Nm³/kg |
理論量熱計(jì)溫度
℃ |
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標(biāo)準(zhǔn)空氣 |
5.573/4.472 |
6.046/5.166 |
2067/1935 |
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23%富氧率 |
5.088/4.083 |
5.520/4.717 |
2264/2120 |
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25%富氧率 |
4.681/3.757 |
5.079/4.340 |
2461/2304 |
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27%富氧率 |
4.334/3.478 |
4.703/4.018 |
2658/2488 |
2、加快燃燒速度，促進(jìn)煤粉燃燒完全
同一種燃料在空氣和純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在空氣中的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾?80 cm/s，在純氧中則為1175cm/s，是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達(dá)10.7倍；釋放出同樣的熱量，燃燒速度快的燃料（如乙塊）其火焰小而密實(shí)，而燃燒速度慢的燃料（如天然氣）其火焰是大火焰層。燃燒燃燒速度加快的原因，基本上都是由于加入氧氣后火焰溫度得到了提高。
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燃料種類 |
空氣（cm/s） |
氧氣（cm/s） |
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氫氣 |
250-360 |
890-1190 |
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天然氣 |
33-44 |
325-480 |
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丙烷 |
40-47 |
360-400 |
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丁烷 |
37-46 |
335-390 |
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乙烷 |
110-180 |
950-1280 |
3、降低過(guò)量空氣系數(shù)，減少燃燒后煙氣量
使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較，過(guò)量空氣系數(shù)α=1時(shí)，則煙氣體積減少20%，排煙熱損失也相應(yīng)減少而節(jié)能。
煙氣量的減少會(huì)提高CO2、SO2、NOX等氣體的體積濃度，這就有利于它們的回收利用，減少它們對(duì)環(huán)境的污染。
富氧條件下排煙損失的變化
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項(xiàng)目 |
正常大氣 |
富氧23% |
富氧25% |
富氧27% |
富氧29% |
富氧30% |
排煙損失
q2 △q2 |
7.1491
±0 |
6.5994
-0.5497 |
6.1377
-1.0114 |
5.7444
-1.4047 |
5.4054
-1.7437 |
5.2528
-1.8963 |
4、降低燃料燃點(diǎn)溫度，燃盡時(shí)間降低
燃料的燃點(diǎn)溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)。
幾種氣體燃料的燃點(diǎn)溫度 ℃
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燃料 |
空氣（21% O2） |
氧氣（100% O2） |
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氫氣 |
572 |
560 |
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天然氣 |
632 |
556 |
|
丙烷 |
493 |
468 |
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丁烷 |
408 |
283 |
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一氧化碳 |
609 |
388 |
如市政垃圾的燃點(diǎn)很高，普通空氣助燃下不易燃燒。將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中，能收到可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。
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