富氧燃烧的若干问题概述

中图分类号： TF636 文献标识码： A

引言

随着全球能源形势的日趋紧张和环境问题的日益重视，一方面应尽可能开发和寻找新能源；另一方面，应在现有能源的基础上，改进燃烧方式，提高能源使用效率。众所周知，新能源比如核能、太阳能能够有效地消除气体排放对温室效应的影响。新的能源利用方式将占据越来越重要的地位，然而，在可预见的将来，新的能源利用方式所提供的能源总量仍旧是有限的，并且会产生新的环境问题[1]。因此，煤炭仍将在能源领域占有重要的地位。

燃料的燃烧一般可以在以下3种工况下进行：贫氧燃烧工况，富氧燃烧工况，理论燃烧工况。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[5]。富氧燃烧的助燃空气可以分为两种：(1) 含氧量为21%的普通空气；(2) 含氧量大于21%的空气。采用富氧空气助燃或者燃烧，由于燃烧烟气中含氮量减少，烟气体积显著降低，从而可以减少排烟损失。同时富氧燃烧可以提高理论燃烧温度，因此可以燃用低热值燃料。然而，富氧燃烧的优点远不止这些，无论从燃烧、经济性、环境影响方面，都有着很大的优势。这在本文的论述过程中将有详细体现。

氧气的提取方法

目前工业制氧主要有三种方法：变压吸附法(PSA) 、深冷法和膜法富氧。分别介绍如下：

变压吸附法[6]

现在多使用常压吸附―真空解吸法（VPSA法），它主要由鼓风机、多个吸附塔、缓冲罐、贮氧罐和真空泵组成，在各设备的连通管道上装上许多专用阀门，并配上由计算控制的自动控制系统，就构成了一套变压吸附制氧装置。空气经除尘后，由鼓风机鼓入盛有多种专用吸附剂（分子筛等）的吸附塔底部，绝大部分N2、CO2、SO2、H2O及少量O2在塔内被吸附剂吸附，而大部分O2则透过床层从塔顶排出，得到富氧产品，并进入贮氧罐备用。当吸附剂达到动态饱和后，停止对该塔鼓入空气，开启真空泵抽真空，N2等杂质从吸附剂上解吸出来，这样吸附剂得到再生，供下一循环使用。在这一塔停止进入空气的同时，开启另一塔吸附。这样2个或2个以上吸附塔交替进行吸附和解吸，就可以连续产出富氧产品。吸附塔的切换由计算机控制阀门开启或关闭，无需人工操作。

和深冷法相比，变压吸附法具有基建投资小、一次性投资少、流程简单、操作方便、自动化程度高、耗能少等优点。变压吸附制氧装置基本上在常温常压下运行，生产的产品不是纯氧，但提取氧浓度可以高达95%。其安全性能好得多，迄今还未见到重大伤亡事故的报道，这也是变压吸附法的一大优点。

变压吸附法的缺点是不能制得纯氧和氩，目前还没有设计和建设成功特大型制氧装置的实例。

深冷法[6]

深冷制氧设备主要由空气压缩机组（包括过滤器、压缩机、供油系统等）、空气冷却系统（空气冷却塔、水冷却塔、氟里昂冷冻机组、水泵、水过滤器等）、分子筛净化系统（净化器、加热器等）、透平膨胀机、分馏塔（上塔、下塔、过冷器等）、换热器等组成。如需回收稀有气体，还需增加稀有气体分馏设备。空气经过制氧机组分离后，可获得纯氧、纯氮及各种纯净的稀有气体。从工艺过程来看深冷法比变压吸附法工艺过程长，且工艺较复杂，但装置能力可做得很大，需用设备的种类和台数较多，且需耐受高压或超低温。

深冷法的主要缺点是设备多、流程复杂、占地面积大、电耗相对较高等。深冷制氧机在较高压力和超低温下运行，产出的产品系纯氧，因此在制氧、贮运、灌装等环节容易发生爆炸事故。在供氧连续性方面，深冷制氧机只有1个空分塔，大部分生产环节都只有1台设备，某一环节出故障都将影响供氧，加上重新启动后至少要36h；才能得到产品氧，故障率较高等因素，故供氧的连续性显然不如变压吸附法。

膜法制氧[7]

气体膜分离技术是利用渗透的原理，即分子通过膜向化学势降低的方向运动。首先运动至膜的外表面层上，并溶解于膜中，然后在膜的内部扩散至膜的内表面层解吸。其推动力为膜两侧的该气体分压差。由于混合气体中不同组分的气体通过薄膜时的速度不同，从而达到气体分离，回收提纯气体的目的。图1为膜法富氧助燃装置应用于某燃煤锅炉工艺流程简图。

图1 某膜法富氧助燃装置工艺流程简图

空气经空气净化器除去大于10μm的灰尘后由通风机送至富氧发生器，形成含氧体积分数为28%～30%的富氧空气，由水环式真空泵抽取后经汽水分离器、脱湿罐和稳压罐，脱除气体中的水分，由增压风机将富氧空气增压至3000～4500Pa，进入富氧预热器，该预热器安装于锅炉空预器和省煤器之间的烟道内。富氧空气加热至大于80℃后分为两路：一路通入炉排下面的二、三风室，由导风器、富氧均化喷头在横向均匀地高速喷入炉内煤层进入炉膛,使该燃烧区内的火焰温度升高，并增强火焰刚性；另一路富氧空气由后拱前端，通过具有扩散角的“富氧高温喷嘴”喷入火焰上部，使火焰中的未完全燃烧物达到完全燃烧，可获得消烟除尘、提高火焰温度的效果。上述两路富氧空气均由阀门加以适当控制。

膜法富氧可使富氧空气中的氧浓度达到28%～45%，在小容量或者富氧浓度要求较低的情况下，膜法富氧相对于前两种制氧方式有着绝对的优势。

目前国内膜法富氧的研究和应用开发已经有20 多年的历史，有关膜法富氧技术已经十分成熟。从技术上讲，上万甚至数万m3/h 规模的膜法富氧装置完全可以生产；同时富氧浓度在30%左右，还比其它方法经济、方便和安全。随着制膜新材料的不断出现、制膜工艺的不断完善和制膜成本的不断下降等，膜法富氧的应用会越来越广[8]。

富氧燃烧的特点

和传统的燃烧相比，富氧燃烧由于氧浓度的提高，燃烧特性有了很大改变，主要体现在以下几个方面[9]：

1.由于富氧空气助燃，其中氮气等惰性气体成分就低，这不仅增加了燃烧反应的反应物浓度，而且增加了活化分子的有效碰撞次数，因此导致燃烧速度加快，温度水平升高。且富氧燃烧可降低空气过剩系数，既能获得较高的理论燃烧温度，又能实现完全燃烧。较高的理论燃烧温度有利于增加传热温差，改善热利用效率。

2.通常以气、液、固体为燃料的高温炉窑，其最大的单项热损失是烟气带走的显热。例如在典型的以天然气为燃料，用冷空气助燃的加热炉中(烟气不作余热利用)，烟气热损失竟达燃料热值的70%。而采用富氧燃烧，由于所需助燃空气量减少，烟气的排放量也相应减少(还可带来节约鼓风机、引风机电耗的效益)，在其他条件不变的前提下，可大幅度降低烟气热损失。

3.富氧燃烧减少了烟气排放量，相应减少了有害气体对空气的污染。其次，一般燃料在燃烧过程中会产生一种气体析出型烟尘，这是在氧气供应相对不足的条件下热分解生成的细小球型粒子，粒径大约在0.02~0.05微米范围内，亦称炭黑。由子单个粒子的粒径很小，表面积很大、往往由多小粒子缓集形成疏松的链团，外沙呈质地很轻的黑色絮状物。由于粒径小，除尘捕集难度大，只能力求通过改善燃烧来控制。而富氧燃烧则为有效途径之一。

4.由于富氧燃烧提高了燃烧的温度场水平，加强了燃烧的换热过程，因此可以燃用低热值的燃料。

对于电站锅炉煤粉燃烧，采用富氧燃烧还具有以下优点：

1.提高能源利用率：采用富氧气体作为氧化剂，可以减小过量空气系数，即氧化剂的体积，从而减小排烟损失；另外一方面可以促进燃料的完全燃烧，减小飞灰含炭量，提高燃料的燃烧效率；

2.降低烟气排放量：由于氧化剂量的减少，使得烟气排放量减小；另一方面使得烟气中的二氧化碳体积分数提高，从而给二氧化碳的分离创造了一定条件，提取出来的二氧化碳还可以作为一种副产品使用，提高了经济性。如果采用纯氧燃烧，就可以实现二氧化碳的零排放。

3.强化炉内传热：随着氧浓度的提高，直接的影响就是造成炉内温度场的提高，使燃烧变的稳定，因此可以强化和稳定炉内换热。

4.减小锅炉整体尺寸：随着炉内传热的强化，可以减小炉内的受热面积，从而可以减小锅炉尺寸，节约材料等等。

总之，富氧燃烧是一种既能节能又能环保的理想燃烧方式。

煤粉在富氧条件下的燃烧特性

对于化学反应aA+bBcC+dD，根据质量作用定律，其化学反应速率为。在温度一定时k值一定，化学反应速率仅与反应物A、B的浓度相关，增加某种反应物的浓度必定增加化学反应速率。

煤粉的燃烧过程包括以下几个阶段[10]：

1.预热干燥阶段。主要是将煤中水分蒸发出来，属于吸热过程。

2.挥发份析出并着火阶段。主要是煤中所有的高分子碳氢化合物吸热，进行热分解，分解出一种混合可燃气体，即挥发份。挥发份一经析出，便马上着火。

3.燃烧阶段。包括挥发份和焦炭的燃烧。首先是挥发分燃烧，放出大量热量供焦炭进行燃烧。随之焦炭燃烧，这个过程需要大量的氧气，以保证燃烧的需要，温度急剧上升，以保证燃料燃烧反应所需要的温度条件。

4.燃尽阶段。主要是残余的焦炭最后燃尽，形成灰渣。

实际上，以上四个阶段是交错进行的，加以区分只是为了更加方便地分析问题。以上阶段最重要的是着火和燃尽两个阶段。只有实现稳定的着火，煤粉的燃烧和燃尽阶段才能进行，燃烧效率才有可能提高。另外可以看到，在着火和燃尽阶段中，必须提供足够的氧气进行燃烧，一般意义上的燃烧即为在空气条件下的燃烧。对于煤粉来讲，如果能够提高氧气浓度，即富氧条件，必然使着火更加稳定，燃烧更加剧烈，燃尽度提高。

图2 文献[10]研究煤粉燃烧特性的装置示意图

图3 某种煤在不同氧浓度下的火焰照片

文献[11]采用如图2所示的装置对某种煤进行了富氧燃烧特性研究。从图3看出，在不同氧浓度下，煤粉的着火火焰有很大不同。当氧浓度为6%时，火炬很长，且火焰明亮度弱；随着氧浓度的提高，着火距离变短，同时整个火炬变短，火焰变白变亮。另一方面，由于着火距离变短，整个挥发份析出和燃烧过程提前。因此，氧气对于挥发份的析出燃烧和焦炭的燃烧具有重要作用。

文献[12]，[13]，[14]对煤粉在富氧条件下的燃烧特性进行了研究。采用热天平分析的方法，得到了煤粉的着火温度、燃烧速率以及燃尽温度、燃尽率随氧浓度变化的规律。文献[12]，[13]对神木煤进行了研究。随着氧的体积分数的增大，煤样的着火温度及燃尽温度均呈下降趋势，着火时间提前，燃烧时间缩短，煤粉的综合燃烧特性指数提高；当氧的体积分数小于40%左右时，煤粉燃烧特性的改变较大，当氧的体积分数大于40%时,改善趋势变缓。因此，采用膜法富氧燃烧或助燃时，宜采用的氧的体积分数范围为30%～40%。

图4 神木煤在不同氧浓度下的DTG曲线

图5 氧的体积分数对着火温度和燃尽温度的影响

图6 氧的体积分数对煤粉未燃尽率的影响

文献[14]对神混8号，富动12，富动23和优混煤等进行了富氧气氛的热分析试验。除了得到文献[12]，[13]的结论外，还得到了不同煤种的富氧燃烧特性的差别。如图7所示，

图7不同煤种最大燃烧速度随氧气浓度变化情况

神混8号和富动23的最大燃烧速率随氧浓度变化较大，而优混和富动12则变化不大。这说明煤粉的燃烧受氧浓度的影响还和煤种本身性质有关。

由于热天平分析方法是在静态程序升温条件下进行，且升温速率不高，这和实际的燃烧过程有很大差异。因此，对于煤粉实际富氧燃烧或者助燃的特性，还需做近一步研究。

富氧燃烧方式

整体富氧燃烧

整体富氧燃烧方式指的是燃料和富氧气体在进入炉膛内已经充分混合，氧气可以通过管道进入一次风管道加以混合，也可以是在二次风管道中混合。图8为某种整体富氧燃烧系统的示意图。对于氧气注入一次风管道中的情形，由于氧

图8 某种整体富氧燃烧系统

气的流量使得一次风的流量减小，因此可以减小燃料所需要的着火热，有利于燃料的着火。一旦着火，由于燃料气流进入炉膛已经充分混合，因此氧浓度在出口附近基本相同，可以使整个气流较好的着火。另外一方面，由于气流扩散、氧气未能及时供给燃料燃烧等原因，采用整体富氧在一定程度上存在着氧浪费的现象。

局部富氧燃烧

局部富氧燃烧方式指的是另设氧气注入管道或者氧枪，在燃料着火前与燃料部分混合或者在燃料着火后以氧枪的形式注入。局部富氧和整体富氧燃烧方式有着较大区别，氧气通过氧气喷口与燃料气流混合，由于在局部富氧条件下氧气的流量相对较小，因此存在一个临界面，即氧浓度为21%的界面，在此界面之内即为富氧区域。局部富氧燃烧方式因为其经济性好和燃烧效果明显，在玻璃、钢铁行业有着广泛的用途。

图9 某种局部富氧燃烧器(管道部分未包括)

另一方面，对于燃烧的情形，由于从氧气喷口出来的是纯氧，因此存在着在局部富氧区域燃烧特别剧烈的现象，而在两侧由于氧浓度较低，燃烧相对较差。针对上述现象，可以采用整体富氧和局部富氧结合使用的方法，并可以视实际情况相互切换，以达到优化燃烧的目的。

纯氧燃烧

富氧燃烧的极限即为纯氧燃烧，国外把这种燃烧叫做氧气/燃料燃烧，即oxy/fuel燃烧。由于纯氧燃烧的火焰温度非常高，已经超出来目前材料的承受范围，因此对于纯氧燃烧，必须采用带烟气循环装置组织燃烧，从而达到用烟气来稀释氧浓度从而降低燃烧的目的。图10为煤粉锅炉纯氧燃烧带烟气循环简图。

图10 煤粉锅炉纯氧燃烧O2/CO2烟气循环简图

由于存在烟气循环，一方面加大了烟气中二氧化硫，二氧化碳等气体的浓度，有利于对其的吸收和利用；另一方面，也可以更加有效的利用氧气。由于没有氮气，因此NOx排放几乎为零；此外，用于送风量减小，泵与风机功率可以相应减小，节约电能；燃料在炉膛内燃烧火焰温度很高，加强了各种受热面的热交换，从而可以减小受热面积，减小炉膛尺寸，减小电站占地面积等等。

由于带有烟气循环，使得飞灰含炭物可以进入炉膛参与二次燃烧，大大提高了锅炉热效率，从而节约了能源。

综上，上述燃烧系统是一种既节能又环保的燃烧方式，随着能源形式的日益紧张和全球环保意识的增强，这种燃烧方式也将从假想变为现实。

富氧燃烧的环境影响

前已述富氧燃烧具有显著提高燃烧效率和高温火焰的特点，在对环境影响方面，也有不同于在空气中燃烧的特点。主要体现在颗粒物排放、二氧化硫排放、氮氧化物排放、二氧化碳排放以及微量元素排放等方面，本文将逐一讨论。

粉尘[15]

采用富氧燃烧后排放烟气的一个主要变化是烟气中的氮气量大量减少，这是因为助燃空气中氧气含量增加，由此导致显著减少助燃气体量。设燃烧所需的理论空气量为V 0 ，理论氧气量为，当空气中的氧气浓度为时，应有以下等式：

图11 理论空气比与氧气含量的关系

图11示出了理论空气比（富氧空气的理论空气量与普通空气的理论空气量之比）随助燃空气中氧气含量的变化情况。在一般的锅炉计算中值取21%。根据公式，对实际的燃烧设备来说，在确定的运行工况下，对于一定的燃料消耗量，提高助燃空气中的氧气体积比值，即使只有百分之几，燃烧所需的理论空气量也会显著减少。例如将氧气体积比提高到30%，则所需要的理论空气量降低为原来的70%，也就是说空气量减少了30%，这样就可以选用较小的风机。从除尘角度来说，在总尘量不变的情况下，由于空气量的减少导致烟气量减少，烟气中粉尘浓度增大，有利于除尘收集，同时除尘设备的体积也可以相应减小。

实际上采用富氧燃烧后，由于燃料燃烧更加完全，减少了以粉尘形式排放的C 粒等除尘器难以收集的可吸入颗粒物，再加上炉内换热的增强，排烟损失的减少等节能因素，燃烧消耗量也会显著降低。据介绍，日本将23% 的富氧用于化铁炉，节能高达26.7%；美国在铸造炉上使用23%～24% 的富氧，平均节能44%；国内的武汉钢厂采用富氧，每年平均节省焦炭42万吨。由此可见采用富氧燃烧的节能效果是很明显的。在节能的同时，也有利于从源头上大量减少粉尘的产生和排放。

二氧化硫排放

研究表明，富氧条件下的燃烧可以降低二氧化硫的排放[16][17]。Croiset and Thambimuthu发现在空气条件下燃烧，煤粉中有91%的硫转变成二氧化硫，而在富氧条件下转化率只有64%。由于在富氧条件下燃烧减少了烟气量，因此导致二氧化硫的浓度提高。由此抑止了硫转变成二氧化硫反应的进行。在带有烟气循环的富氧燃烧中，这一效果将更加明显[18]。另外一方面，由于二氧化硫浓度的提高，对二氧化硫的回收利用也更加方便。

氮氧化物排放

烟气中的氮氧化物一般是指NO和NO2，统称NOx，其中NO是无色无臭的，而NO2是有刺激性气味的红棕色气体。燃烧过程中产生的NOx主要是NO，在大气中它和O3(10～100ppm)反应,很快被氧化为NO2。NO2 可以和空气中的水蒸气反应形成酸雨，破坏环境。在城市地区,环境中的NO2浓度即使很低(10～100ppm),也会危害人体。因为对NOx的危害认识不足,直到近些年才逐渐开始限制其排放。日本、欧美等国在上个世纪70年代开始对NOx排放进行限制，之后又陆续颁布了更为严格的排放标准。中国于1999年颁布的《锅炉大气污染物排放标准GBPB3-1999》也首次对锅炉的NOx 排放进行了限制。可以预计NOx的产生和排放问题将受到工矿企业和研究机构越来越大的重视。

NOx的生成根据其机理可以分为以下三种形式：

1.燃料型：由燃料中的N元素燃烧所生成。燃料中的N可以分为挥发份N和焦炭N。当温度较低时，挥发份中分子量较小的含N有机物先析出；当温度继续升高时，较大分子量的含N有机物开始析出。因此挥发份N燃烧是通过均相燃烧的方式实现的。对于煤粉，最后阶段则是焦炭N通过异相反应被氧化。

2.热力型：由空气中的N在高温下和氧气反应生成，当温度小于1800K或者过量空气系数小于0.95时可以忽略不计。当温度大于2200K时，温度每升高90K，热力型NOx生成量会成倍增长。

3.快速型：由CHi冲击靠近火焰反应区的N分子生成。对温度依赖不大，且一般在富燃料碳氢火焰中占更多优势。

对于富氧燃烧，由于提高了燃料的燃烧速率和提高的火焰温度，因此热力型NOx的形成所有提高。另一方面，前已述富氧条件下空气量减少，导致氮气量大量减小，反而减小了热力型的NOx的形成。因此，对于某一种燃料来讲，NOx的生成于氧浓度之间存在着一定的关系(图12 )。富氧燃烧的其极限情况，即纯氧燃烧，便可以实现NOx的零排放。但就目前来讲，由于纯氧燃烧的火焰温度非常高，还没有一种材料可以承受类似的温度。因此，通过纯氧燃烧实现NOx的零排放只是一个设想。

图12某种煤NOx生成与氧浓度之间的关系[19]

二氧化碳排放

众所周知，引起温室效应的主要原因是二氧化碳的排放引起的。而二氧化碳的排放又主要来源于煤炭等碳氢燃料的燃烧。对于电站锅炉煤粉燃烧，烟气中约含有15%的二氧化碳，5%的水蒸汽，其余大部分为氮气。氮气的存在不仅带走了大量的热量，而且给二氧化碳的吸收也带来了很大的困难。在一般的燃烧过程中，烟气中的CO2浓度都比较低，在这种情况下吸收CO2的主要方法是胺吸收，然而费用却比较昂贵。如果CO2的浓度能够达到一个比较高的水平，其吸收利用将变的比较容易。通过富氧燃烧可以实现这种途径，一方面可以减小烟气量，另一方面也可以提高CO2的浓度。在纯氧条件下，还可以通过O2/CO2循环进一步提高烟气中CO2浓度和提高O2的使用率[1]。国内外对煤粉锅炉的富氧燃烧技术做了不少研究，包括实验室研究、小型试验台和中型试验台研究，但还没有涉及到锅炉整体的研究。

结论与展望

富氧燃烧作为一种新型的燃烧方式，可以提高燃料的利用率，节约能源，又可以减小污染物的排放，是一种理想型的燃烧方式，在玻璃、钢铁等行业已经取得了较大的发展。国内外对煤粉锅炉富氧燃烧已经进行了一些研究，但其范围仅限于实验室、小型试验台研究，还没有推广到大型锅炉试验现场，因此存在着一定的局限性。随着全球能源形式的日益紧张和环保意识的进一步增强，富氧燃烧的工业应用也将变的越来越广泛。

参考文献

[1]B.J.P. Buhre, L.K. Elliott, C.D. Sheng, R.P. Gupta, T.F. WallOxy-fuel combustion technolo-

gy for coal-fired power generation.

[2]李忠民，煤炭在世界能源消费结构中的地位[J]，中国煤炭，32(8)，2006.8

[3]Annual Energy Outlook 2004, DOE/EIA

[4]唐炼，世界能源供需现状与发展趋势[J]，国际石油经济，13(1)，2005

[5]黄飞，林向东 富氧燃烧火用分析[J]，电力情报 1999

[6]刘汉钊，王华金，杨书春 变压吸附制氧法与深冷法的比较[J] 冶金动力，2003

[7]方寿奇 膜法富氧技术在燃煤锅炉上的应用[J] 膜科学与技术，21(3)，2001

[8]沈光林 膜法富氧在国内应用新进展[J] 深冷技术，2006

[9]黄飞，林向东 膜法富氧试验及富氧燃烧[J] 锅炉技术， 2000

[10]袁镇福 电站锅炉原理[M] 中国电力出版社

[11]Jeffrey J. Murphy,Christopher,Shaddix Combustion kinetics of coal chars in oxygen-enriched environments. Combustion and Flame 144 (2006) 710729

[12]樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋 富氧气氛中煤粉燃烧特性改善的实验研究[J] 西安交通大学学报，2005

[13]樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋 煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究[J] 中国电机工程学报，2006

[14]刘靖昀 富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究，浙江大学硕士论文P31-54，2006

[15]刘庆才，陈淑荣 富氧燃烧的主要环境影响因素概述[J] 节能环保技术，2004

[16]Croiset E, Thambimuthu KV. NOx and SO2 emission from O2/CO2 recycled coal com-

bustion. Fuel 2001;80:211721.

[17]Hu Y, Naito S, Kobayashi N, Hasatani M. CO2, NOx, and SO2 emissions from the combustion of coal with high oxygen concentration gases. Fuel 2000;79:192532.

[18]Croiset E, Thambimuthu KV, Palmer A. Coal combustion in O2/CO2 mixtures compared with air. Can J Chem Eng 2000;78: 4027.

[19]Bogdan Horbaniuc,Ovidiu Marin, Gheorghe Dumitrascu. Olivier Charon Oxygen-enriched combustion in supercritical steam boilers. Energy 29 (2004) 427448