富氧燃烧技术及其经济性分析

富氧燃烧技术及其经济性分析

郭广栋马辉

中国联合工程公司

【摘要】分析了富氧燃烧技术的特点，简要介绍了富氧燃烧的几种方法，计算了3种制氧方式中的变压吸附制氧技术用于富氧燃烧的经济性

【关键词】富氧燃烧；变压吸附；投资回收期

在人类还没有能力大规模利用新能源之前，化石燃料的燃烧仍然是目前人们获取能量的最主要手段，大约占到全世界总能量消耗的80%以上。而我国又是一个人均资源匮乏的国家，因此通过合理组织燃烧过程实现节能对于我们来说具有重大意义。

富氧燃烧使用比通常空气含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，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。富氧燃烧技术能够降低燃料的燃点，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、提高热量利用率和降低过量空气系数，被发达国家称之为“资源创造性技术”。

1富氧燃烧的特点

与使用普通空气助燃的传统燃烧相比，富氧燃烧以下几方面的特点[1]：

1.1提高火焰温度

由于富氧燃烧减少的氮气等不参与燃烧的气体含量，因此他们吸收的热量比普通燃烧时要少，从而使火焰温度较普通燃烧时要高。从表1[2]可以看出，燃料在氧气中的火焰温度均比空气中的火焰温度明显提高。

1.2提高了火焰的辐射能力

同样由于富氧空气中氮气浓度的降低，因此燃烧产物中CO2和H2O等3原子气体的浓度增加。而只有3原子和多原子气体具有辐射能力，因此随着助燃空气中氧气浓度的增加，火焰辐射能力也逐渐增强，有利于强化对工件的传热，缩短加热时间。

1.3加快燃料燃烧速度，促进燃烧完全

燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差很大，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，也有利于燃烧反应完全。

1.4降低过量空气系数，减少烟气量

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。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。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a=1时，则烟气体积减少20%，排烟热损失也相应减少而节能。

当然，富氧燃烧技术也有一定的缺点，由于火焰温度的提高，对烧嘴的耐温性要求更高，可能会减少烧嘴的使用寿命，因此实际生产时，富氧浓度不宜过高。另外较高的火焰温度也会大大增加NOx的生成，造成烟气中NOx浓度过高，不符合环保要求。不过，烟气中的NOx浓度增加，对于烟气的脱硝处理却是有利的。

2富氧燃烧的方法

富氧燃烧有空气增氧燃烧、吹氧燃烧、全氧燃烧以及空气-氧气双助燃剂等多种强化燃烧方法[]。

1.空气增氧燃烧方法就是向助燃空气中掺入氧气，这是一种低浓度富氧的方法，一般常规空气助燃燃烧器都能适用[3]。为确保充分混合，氧气经散流器注入到助燃空气中，可以缩短火焰长度并强化燃烧。但如果增氧过多，火焰长度会变得过短，温度升高后的火焰可能会损坏燃烧器或烧嘴砖。

3.全氧燃烧使用高纯氧气替代助燃空气，强化加热的能力最高，但运行成本也最高。空气-氧气双助燃剂燃烧分别由两个不同的管道通过燃烧器射入空气和氧气，实际上它是空气增氧法的一种变化形式，相当于在常规燃烧器上增加一个全氧燃烧器。这两种方法由于运行或改造成本较高，应用并不广泛。

3制氧方法

富氧燃烧技术需要使用富氧空气，因此，如何便捷有效低成本的制取氧气或富氧空气是富氧燃烧技术的关键。目前，适合工业应用的氧气制备主要有深冷法、变压吸附法及膜法等3种方法。

3.1深冷法

深冷法是利用氧氮的沸点温度不同（在大气压下氧的沸点为-182.98℃，氮的沸点为-195.8℃），先将空气压缩，再膨胀降温冷却后液化，然后在一定的设备——精馏塔内，通过温度较高的蒸气和温度较低的液体的相互接触，蒸气中有较多的氧被冷凝，液体中有较多的氮被蒸发，通过多次接触，以实现把空气中的氧、氮分离，从而制取氧气。

这种方法一般投资较大，运行成本高，需要连续生产，适合大规模制氧。而富氧燃烧所需的氧气量并不多，因此这种制氧方法不适合用于富氧燃烧。当然，对于一些大型的钢铁厂等，一般会有专门的大型深冷制氧设备，此时用这些设备制取的部分氧气进行富氧燃烧又另当别论。

3.2变压吸附法

变压吸附制氧是利用吸附剂对空气中的氧气和氮气的吸附容量不同来实现分离氧、氮的目的。吸附剂具有选择吸附性，在高压下将空气通过吸附剂，其中一种组分被吸附，另一种组分排出，再降低压力解吸，释放出被吸附的组分，从而实现分离氧、氮以制取氧气。使用多塔切换可实现连续生产，并且全部生产过程可实现自动控制。

变压吸附制氧法流程简单，运行可靠，生产灵活，且投资较小，运行成本低，比较适合用于富氧燃烧。

3.3膜法制氧

膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各种成分气体在压力的推动下透过膜的传递速度不同（通常称传递速度快的为“快气”，传递速度慢的为“慢气”）而达到分离气体的目的。目前膜法可制取30%左右氧气浓度的富氧空气，可直接用于富氧燃烧，且生产成本较低，目前也有不少应用实例。

4经济性分析

下面以某锻造加热炉为例，粗略计算该炉增加一套变压吸附制氧设备，改造成富氧燃烧的投资回收期。

该炉年产量20000吨，使用天然气为燃料，平均每吨钢耗天然气60m3，根据经验，假设使用富氧燃烧后，富氧空气的氧含量为28%，综合节能率为25%。

改造前该炉每年消耗天然气：20000×60=1200000m3

改造后每年消耗天然气：1200000×（1-25%）=900000m3

助燃所需的富氧空气量为：900000×2/28%≈6428570m3

可计算出需要额外增加的纯氧量为：569620m3

按制氧设备每年工作300天，每天24小时计算，需增加的变压吸附制氧设备的生产能力为：569620/300/24≈80m3/h

该规模的变压吸附制氧设备需要的总投资大约为90万元。

变压吸附制氧的平均成本约为0.5元/m3，工业用天然气的价格按2元/m3计算，每年的设备维护费用按总投资的2.5%计算，则改造为富氧燃烧后每年节省的费用为：1200000×25%×2-569620×0.5-900000×2.5%=29.27万元

因此，该设备的静态投资回收期为：90/29.27=3.07年。

5结语

综上分析，富氧燃烧技术可提高火焰的温度和辐射能力，加快燃料的燃烧速度，并且可以有效的减少烟气量，从而提高炉窑的传热效率和能源利用率。变压吸附制氧技术作为一种投资较小，运行成本较低，生产灵活且简单可靠的制氧技术，很适用与作为富氧燃烧的氧气来源。采用变压吸附制氧的富氧燃烧技术对传统燃烧方式的炉窑进行改造，投资回收期较短，具有明显的经济效益。

参考文献：

[1]苏俊林，潘亮，朱长明．富氧燃烧技术研究现状及发展[J]．工业锅炉，2008，3：1-4．

[2]胡周海，冯良，杨琳，张冬霞．富氧燃烧及其热力学特性[J]．工业炉，2009，31（3）：9-14．

[3]JOSHISV，BECKERJS，LYTLEGC.Effectsofoxygenenrichmentontheperformanceofair-fuelburners[M]//LUKASIEWICZMA.IndustrialCombustionTechnologies.MaterialsPark，OH：1986-165.