锅炉富氧燃烧技术及高温燃烧技术的节能分析

高玉丽

（天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134）

社会的发展加大了人们对资源、能源的需求。燃烧是人们从能源中获取能量的重要手段，但是在大量燃烧和利用各类资源、能源的过程中不可避免地产生了大量的温室气体和酸性气体，严重危害了环境和人们的身体健康，不利于社会的稳定发展。为此，在工业化发展进程加快的今天，怎样在提升资源、能源利用率的同时又减少资源、能源燃烧所带来的环境污染问题成为相关人员需要思考和解决的问题。

富氧燃烧技术是当前常见的燃烧节能技术形式，将其应用到工业锅炉中不仅能够降低燃料的燃点，提升燃料的燃烧速度，而且还能够有效地提升锅炉的热效率，减少燃烧后的烟气排放量。高温燃烧技术在保证燃烧效率不降低的同时，还能有效提高总体燃烧热强度，使采用这种燃烧方式的燃烧设备的尺寸比常规燃烧设备的尺寸小。从而提高了经济效益。为此，文章结合实际情况就富氧燃烧技术和高温燃烧技术在锅炉中的应用问题进行探究。

1 锅炉富氧燃烧技术的节能减排特性

1.1 原理

富氧燃烧技术的原理主要是指在空气中氧气含量较高的情况下，借助空气中的高浓度氧气来助燃。在富氧助燃的过程中，空气中的氧气分子往往会显示出异常活跃的状态，从而能够确保燃料分子与氧气分子的接触释放出更多的热量。

富氧燃烧技术在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用。随着氧气制备技术日趋成熟，富氧燃烧技术也随之发展很快，被人们广泛地应用到锅炉中。锅炉富氧燃烧技术主要是指通过富氧燃烧器将纯氧引入到燃煤发电锅炉的煤粉燃烧过程。

1.2 节能减排特性

（1）从理论上提升锅炉的燃烧温度。燃烧在本质上是燃料和空气中的氧气进行的一种发光发热的氧化过程。氧气浓度的增加和燃烧速率会表现出一种正相关的关系。因而在燃烧条件不发生变化的情况下，燃烧温度和之前相比也会出现明显的升高。

（2）强化锅炉内部的辐射换热。热传递的基本形式包含热辐射、热对流、热传导，工业锅炉燃烧的热传递方式主要是热辐射，在辐射理论的支持下，气体的辐射力和气体的黑度、温度四次方成正比。在富氧燃烧的过程中烟气中的某些气体会不断增加，伴随而来的是较大的烟气浓度和较高的火焰温度。在这种情况下烟气与热媒之间的换热强度增加，从而缩短了加热时间或减少了炉内换热面积。

（3）降低过量空气系数，减少烟气排放量。应用富氧替代空气助燃能够在一定程度上降低过量空气系数，减少排烟体积。按照理论计算，空气中伴随着氧气含量的增加，燃烧后产生的理论烟气量就会减少，从而降低了排烟热损失，使锅炉燃烧的环保节能效果得到提升。

（4）降低机组煤炭资源的消耗。富氧燃烧技术借助高浓度的氧气和燃料进行混合燃烧，在燃烧的过程中会产生高温火焰。在高温火焰的作用下提前引燃富氧燃烧器内部的一次风煤粉，使得煤粉的喷射口始终处于着火燃烧的状态，在燃料燃烧的过程中提前释放热量，降低炉膛内部的温度，并有效控制烟气的排放，提升锅炉的运行效果。

2 锅炉富氧燃烧技术的节能减排设计

2.1 富氧空气的制造

锅炉富氧空气的制造常用方法有膜法富氧、分子筛变压吸附、磁法富氧等。第一，膜法富氧。膜法富氧是当前富氧空气的主要制造方式，它的主要核心部件是富氧膜。膜法富氧设备主要是由空气过滤装置、鼓风机、富氧膜、真空泵、水气过滤装置、平衡装置、预热循环装置等构成。第二，分子筛变压吸附。分子筛变压吸附是利用氧气和氮气通过分子筛速率不同，在低压和常压状态下通过变压技术提取空气中的氧气，从而得到富氧空气。第三，磁法富氧技术。磁法富氧技术是利用氧气分子和氮气分子的不同的顺磁性和逆磁性，使得两种气体分子经过高磁磁场发生不同方向的偏转从而得到富氧空气和富氮空气，排出富氮空气，剩余的就是所需要的富氧空气。

2.2 炉膛燃烧的节能设计

按照要求将正在燃烧的燃料带入到炉膛内部，在经过一系列的热量计算之后从焙温表中查出理论意义上的燃烧温度数值。按照以上的操作方式能够计算出富氧燃烧时炉膛内的温度，对比之后发现富氧燃烧炉时炉膛内的温度要比常规情况下燃烧炉膛内的温度高，因此富氧燃烧情况下燃料燃烧的速度更快，炉膛内辐射换热量更高。在换热量不变的情况下，可使燃烧设备的体积降低，减少了建设和运行成本，体现了富氧燃烧技术的经济性。

2.3 炉膛后对流烟道的节能设计

富氧燃烧的火焰温度高，排烟体积少，由此和常规燃烧相比，富氧燃烧过程中所产生的辐射换热量所占比例要比对流换热量所占比例高。针对这个问题，为了能够减少燃烧过程中热量的损失，实现节能化设计，需要将一部分的对流受热面转移到炉膛内部。

3 锅炉高温燃烧技术的节能减排分析

高温燃烧技术又称高温低氧燃烧技术，是通过蓄热式换热方式将空气温度预热到800℃以上，使燃料在氧气浓度远远低于5%的非常规环境下燃烧。锅炉高温燃烧技术在应用时着重强调的是将燃料放置在温度比较高、氧气浓度比较低的环境中进行燃烧，而发生这种燃烧的两种技术如下所示：①燃烧操作采取温度效率较高的装置，在这个装置的作用下能够显著提升热回收率。②通过应用燃烧殆尽的产物来进行更深入的燃烧反应，获取浓度为15%～3%的低氧气氛。高温燃烧技术在使用时有如下优点：①在燃烧过程中火焰的体积大小会发生明显的变化，表现为和之前相比体积大小呈现出不同程度的提升。同时，在燃烧的过程中各种燃料能够实现充分地燃烧。在氧气浓度降低的情况下整个燃烧速率将会在一定程度上降低。②较低的氮氧化合物污染。从实际操作情况来看，高温燃烧技术在具体应用时不仅具备较高的蓄热燃烧能力和较低的二氧化碳排放量，而且在低氧燃烧状态下氮氧化合物的生成量也大大降低。氮氧化合物的总体生成速度和火焰的温度、氧气浓度、氮气浓度等存在密切的关联，尤其深受火焰温度的影响，火焰温度越高氮氧化合物的生成速度就越低。另外，从反应活化能的角度来看，在高温空气燃烧火焰体积增大的情况下，单位体积的火焰释放能力也会降低，这在一定程度上抑制了氧原子和氮原子发生化学反应。③通过高温燃烧技术来降低排烟温度，在一定程度上节省了燃料，并在整个燃烧过程中减少了温室气体的排放。

4 锅炉高温燃烧技术应用所获得的节能效益

在上个世纪九十年代，高温燃烧技术开始在日本冶金行业得到了广泛的应用。在时代发展的支持下，北京神雾热能技术有限公司在近几年一直致力于研究国内冶金行业高温燃烧技术的应用。在这几年的发展中，该公司打造了20多台应用蓄热式烧嘴加热炉。对于其他燃烧效率较低的加热炉，在应用高温燃烧技术进行加工改造之后，使得整个锅炉的设计达到了理想的节能效果，在节省资源的同时也减少了对周围环境的污染。在应用高温燃烧技术之后，不仅获得了良好的经济效益，而且也取得了良好的环保效益，使得燃料总量减少了25%左右。具体数据如下：邯郸钢铁公司中板厂（推钢炉，混合煤气），改造前的耗能2.00GJ/吨钢，改造后的耗能1.25GJ/吨钢，节能37.5%；石家庄钢铁公司中型厂（推钢炉，高炉煤气），改造前的耗能3.53GJ/吨钢，改造后的耗能1.59GJ/吨钢，节能55%；南京钢铁公司中板厂（推钢炉，混合煤气），改造前的耗能1.9GJ/吨钢，改造后的耗能1.2GJ/吨钢，节能36.8%；武汉钢铁公司大型厂（推钢炉，混合煤气），改造前的耗能1.87GJ/吨钢，改造后的耗能1.38GJ/吨钢，节能26.2%。

5 结 语

综上所述，日益短缺的化石燃料资源，以及燃烧化石燃料造成的大气污染，已成为人们关注和忧虑的焦点。通过以上分析，富氧燃烧技术及高温燃烧技术能够取得可观的节能效果。为此，在锅炉使用的过程中需要相关人员结合富氧燃烧技术及高温燃烧技术的应用特点和应用优势，综合思考怎样借助这两种技术形式来达到锅炉的节能化使用，从而更好地促进我国工业化发展。