1、富氧燃烧富氧燃烧郭凯凯郭凯凯21027004热能工程热能工程富氧燃烧概况富氧燃烧概况v 富氧燃烧即采用比空气中含氧量高的空气来进行助燃的技即采用比空气中含氧量高的空气来进行助燃的技术术v 富氧燃烧富氧燃烧 概念和分类概念和分类 1微富氧燃烧（空气增氧燃烧）微富氧燃烧（空气增氧燃烧）氧气喷枪（吹氧燃烧）氧气喷枪（吹氧燃烧）纯氧燃烧（全氧燃烧）纯氧燃烧（全氧燃烧）空空- -氧燃烧（空气氧燃烧（空气- -氧气双助燃剂燃烧）氧气双助燃剂燃烧）富氧燃烧概况富氧燃烧概况v 微富氧燃烧微富氧燃烧 微富氧燃烧是直接将氧气和空气先微富氧燃烧是直接将氧气和空气先混合，使之呈现微富氧状态，之后混合，使之呈现微富氧状
2、态，之后再送入炉膛燃烧。再送入炉膛燃烧。 这是一种低浓度富氧的方法，一般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常规空气助燃燃烧器都能适用, ,具具有有花费较少成本花费较少成本即拥有富氧燃烧特即拥有富氧燃烧特性的优点。性的优点。 为确保充分混合，为确保充分混合，O2O2经散流器注入经散流器注入到助燃空气中，这样可以缩短火焰到助燃空气中，这样可以缩短火焰长度并强化燃烧。但如果增氧过多，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。的火焰可能会损坏燃烧器或烧嘴砖。 概念和分类概念和分类 1富氧燃烧概况富氧
3、燃烧概况v 氧气喷枪氧气喷枪 利用氧气喷枪在燃烧室内局部注利用氧气喷枪在燃烧室内局部注入氧气。入氧气。 这也是一种低浓度的富氧燃烧方这也是一种低浓度的富氧燃烧方法。特点是法。特点是不必改造不必改造现有空气助现有空气助燃系统，属于燃系统，属于分段燃烧分段燃烧的一种形的一种形式，能降低氮氧化物排放。式，能降低氮氧化物排放。 向火焰和物料之间吹氧能使火焰向火焰和物料之间吹氧能使火焰向物料方向靠近，有提高传热率，向物料方向靠近，有提高传热率，减少燃烧器、烧嘴砖以及燃烧室减少燃烧器、烧嘴砖以及燃烧室耐火材料过热的可能性。应用时耐火材料过热的可能性。应用时通常采用从火焰下方吹入氧气。通常采用从火焰下方吹入
4、氧气。 概念和分类概念和分类 1富氧燃烧概况富氧燃烧概况v 纯氧燃烧纯氧燃烧 高纯氧气替代助燃空气。全氧燃高纯氧气替代助燃空气。全氧燃烧器内部氧气和燃料不进行混合，烧器内部氧气和燃料不进行混合，而是采用喷嘴混合燃烧器形式产而是采用喷嘴混合燃烧器形式产生生扩散火焰扩散火焰。因为纯氧具有极高。因为纯氧具有极高的反应性，氧气燃气预混会有的反应性，氧气燃气预混会有爆炸的可能性，不预混是出于爆炸的可能性，不预混是出于安安全全的考虑。全氧燃烧强化加热的的考虑。全氧燃烧强化加热的能力最高，但运行成本也最高。能力最高，但运行成本也最高。 概念和分类概念和分类 1富氧燃烧概况富氧燃烧概况v 空空-氧燃烧氧燃烧
5、空气一氧气双助燃剂燃烧是分别空气一氧气双助燃剂燃烧是分别由两个不同的管道通过燃烧器射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在常规燃烧器上增加一个全氧燃烧器。烧器。 该方法的优点是比微富氧燃烧和该方法的优点是比微富氧燃烧和吹氧气喷枪使用更高浓度的氧气，吹氧气喷枪使用更高浓度的氧气，得到得到更高的效益更高的效益，运行费用低运行费用低于于全氧燃烧，火焰形状和热释放可全氧燃烧，火焰形状和热释放可以通过控制氧气量调节，改造费以通过控制氧气量调节，改造费用也不高。用也不高。 概
6、念和分类概念和分类 1富氧燃烧概况富氧燃烧概况 特点特点 21减少燃烧后的排气量减少燃烧后的排气量用普通空气助燃用普通空气助燃,约约4/5的氮气不但不参于助的氮气不但不参于助燃燃,还要带走大量的热还要带走大量的热量。如用富氧助燃量。如用富氧助燃,氮氮气量要减少气量要减少,故燃烧后故燃烧后的排气量亦减少的排气量亦减少,从而从而减少排烟损失减少排烟损失2提高火焰温度提高火焰温度火焰温度随着燃烧空火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加气中氧气比例的增加而显著提高，但富氧而显著提高，但富氧浓度不宜过高浓度不宜过高, 研究均研究均表明表明,富氧浓度在富氧浓度在28%左右时为最佳左右时为最佳, 因为氧因为氧
7、浓度较高时浓度较高时,火焰温度火焰温度增加较少增加较少,而制氧投资而制氧投资等费用猛增。等费用猛增。3加快燃烧速度加快燃烧速度 燃料在空气中和在纯燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差氧中的燃烧速度相差甚大。用富氧助燃甚大。用富氧助燃,不不仅能提高燃烧强度仅能提高燃烧强度,加加快燃烧速度快燃烧速度,获得较好获得较好的热传导的热传导,同时由于温同时由于温度提高了度提高了,将有利于燃将有利于燃烧反应完全烧反应完全,从而从根从而从根本上消除污染。本上消除污染。4降低污染排放降低污染排放由于富氧燃烧烟气量由于富氧燃烧烟气量减少，可降低包含减少，可降低包含CO、CO2等污染物的排放等污染物的排放总量。同时
8、使燃烧废总量。同时使燃烧废气中的气中的CO、CO2、SOx、NOx浓度增加，浓度增加，可使可使CO2捕捉、排烟捕捉、排烟脱硝等废气处理更有脱硝等废气处理更有效率。效率。 富氧燃烧概况富氧燃烧概况 富氧制备富氧制备 3l 低温精馏法（也称为深冷法）低温精馏法（也称为深冷法）适用于高氧浓度和较大规模适用于高氧浓度和较大规模l 变压吸附法变压吸附法(Pressure Swing Adsorption，简称，简称PSA)适用于中等氧浓度适用于中等氧浓度(60% 93% )和中小规模和中小规模 l 薄膜渗透法薄膜渗透法(Membrane Separation，简称，简称MS) 氧气浓度小于氧气浓度小于4
9、0%,富氧空气流量小于富氧空气流量小于6000 Nm3/h富氧燃烧概况富氧燃烧概况 富氧制备富氧制备 3深冷法是是先将空气压缩、冷却深冷法是是先将空气压缩、冷却 ,并使空气液化并使空气液化 ,利用氧、氮组分的沸点的不同利用氧、氮组分的沸点的不同(在在大气压下氧沸点为大气压下氧沸点为 90 K ,氮沸点为氮沸点为 77 K) ,在精馏塔板上使气、液接触在精馏塔板上使气、液接触 ,进行质、进行质、热交换热交换 ,高沸点的氧组分不断从蒸气中冷凝成液体高沸点的氧组分不断从蒸气中冷凝成液体 ,低沸点的氮组分不断地转入蒸低沸点的氮组分不断地转入蒸气之中气之中 ,使上升的蒸气中含氮量不断地提高使上升的蒸气中
10、含氮量不断地提高 ,而下流液体中氧量越来越高而下流液体中氧量越来越高 ,从而使氧从而使氧、氮分离、氮分离 ,这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏 ,都是在都是在 120 K以下的以下的温度条件下进行的温度条件下进行的 ,故又称为低温法空气分离。故又称为低温法空气分离。3.13.2利用沸石分子筛对氮的吸附亲和力高于对氧的吸附亲和力利用沸石分子筛对氮的吸附亲和力高于对氧的吸附亲和力,分离氧气、氮气分离氧气、氮气;利用氧气在碳分子微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于氮气的扩散速度利用氧气在碳分子微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于氮气的扩散速度,在远离在远离平
11、衡条件下分离氧、氮。平衡条件下分离氧、氮。变压吸附法制氧、氮是在常温下进行的变压吸附法制氧、氮是在常温下进行的,工艺过程有加压吸附工艺过程有加压吸附,常压解吸常压解吸;常压吸附常压吸附,真空解吸。吸附剂对气体的吸附量随着压力的升高而增加真空解吸。吸附剂对气体的吸附量随着压力的升高而增加,随着压力的降低而减随着压力的降低而减少少,在降低压力的过程中在降低压力的过程中,放出被吸附的气体放出被吸附的气体,使吸附剂再生。使吸附剂再生。 富氧燃烧概况富氧燃烧概况 富氧制备富氧制备 3气体膜分离是利用有些金属或具有特殊选择分离的有机高分子和无机材料气体膜分离是利用有些金属或具有特殊选择分离的有机高分子和无
12、机材料,制成不同制成不同结构形态的膜结构形态的膜,在一定驱动力下在一定驱动力下(如温度、压力差等如温度、压力差等),使双元或多元组分透过膜的速率使双元或多元组分透过膜的速率不同而达到气体分离的目的。不同而达到气体分离的目的。其机理是其机理是:(1)膜与气体接触膜与气体接触,气体向膜表面溶解气体向膜表面溶解;(2)因气体溶解产生了浓度梯度因气体溶解产生了浓度梯度,使气体在膜中向前扩散使气体在膜中向前扩散;(3)气体达到膜的另一面气体达到膜的另一面,并且膜中气体浓度已处在稳定状态并且膜中气体浓度已处在稳定状态,气体则由另一膜面脱附出气体则由另一膜面脱附出去。去。 3.3富氧燃烧概况富氧燃烧概况 发
13、展现状发展现状 4富氧燃烧技术于富氧燃烧技术于20世纪世纪80年代首先提出时，主要是运用在冶金、玻璃制备等年代首先提出时，主要是运用在冶金、玻璃制备等工业锅炉上，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。工业锅炉上，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。 加拿大能源技术中心于加拿大能源技术中心于1994年建成了一个年建成了一个0.3MW的煤粉炉富氧燃烧试验系的煤粉炉富氧燃烧试验系统，用于煤粉燃烧的火焰、传热与污染物的排放等特性研究。统，用于煤粉燃烧的火焰、传热与污染物的排放等特性研究。 日本石川岛播磨公司在日本石川岛播磨公司在100MW示范电站中使用了富氧燃烧技术，
14、该系统还示范电站中使用了富氧燃烧技术，该系统还采用了排烟热交换器，试验结果显示脱硝和脱硫效率分别达到了采用了排烟热交换器，试验结果显示脱硝和脱硫效率分别达到了70%和和90%以上，占地面积也只有原来的约以上，占地面积也只有原来的约50%。 德国勃兰登堡州的斯普莱贝格试验电厂是全球首个演示富氧燃烧技术捕捉和德国勃兰登堡州的斯普莱贝格试验电厂是全球首个演示富氧燃烧技术捕捉和储存二氧化碳的试验电厂。这个由阿尔斯通提供富氧燃烧锅炉技术的储存二氧化碳的试验电厂。这个由阿尔斯通提供富氧燃烧锅炉技术的30MW粉煤示范电厂，配备了从氧气生产一直到二氧化碳提纯与压缩在内的完整富粉煤示范电厂，配备了从氧气生产一直
15、到二氧化碳提纯与压缩在内的完整富氧燃烧链所需的全部组件。氧燃烧链所需的全部组件。2008年年9月月9日，试验电厂正式投产。日，试验电厂正式投产。 富氧燃烧概况富氧燃烧概况 应用应用 5富氧燃烧富氧燃烧金属冶炼金属冶炼电站锅炉电站锅炉发动机发动机玻璃窑炉玻璃窑炉富氧燃烧概况富氧燃烧概况 应用应用 5目前世界富氧消耗中,钢铁占50%以上,各个大型钢铁厂基本上采用了富氧鼓风。现代的钢、铁联合企业都自建有配套的氧气厂,富氧鼓风可以增大生产能力,降低热消耗水平,提高高炉煤气质量。在有色金属冶炼过程中采用富氧空气代替普通空气助燃,是强化生产、降低能耗、治理环境污染、提高技术水平和增加经济效益的重大技术措施
16、。目前国内外在改造老冶炼厂的传统工艺和开发新工艺方面都普遍利用到富氧技术。美国早在1984年将膜法富氧技术用于铜煅烧炉,节能率大于30%。国内于1980年首次在白银有色金属公司冶炼厂使用了富氧技术,达到了节约能源、强化熔炼和根治污染的目的,使我国冰铜生产工艺的富氧熔炼获得完全成功。5.1富氧燃烧概况富氧燃烧概况 应用应用 55.1富氧燃烧概况富氧燃烧概况 应用应用 5首先是日本先后有近20家公司推出富氧装置。通过在在气、油、煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验,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
17、%等。用富氧助燃后,烟尘排放全部达标。在德国一座马蹄型蓄炉上用27%的富氧试验,使熔化率增加56.2%，能耗则下降20%,而熔化温度提高了100度,环境污染明显改善。美国一玻璃厂仅用23%的富氧助燃,产量增加12.3%,节能约9%,且成品率提高3%-10%，烟尘排放大大减少。前苏联、英国、法国、捷克等均有应用富氧来节能和根治污染的报道。中国在1989年由中科院大连物理化学研究所和北京玻璃集团合作,开发出“局部增氧”和“梯度燃烧”等高新技术应用于玻璃窑炉。玻璃质量以及利用率均有明显的提高,又延长了池炉的寿命,改善了火焰结构,减少了烟尘排放量,节能、增产和环保效益显著。5.2富氧燃烧概况富氧燃烧概
18、况 应用应用 5增加内燃机进气中的氧气浓度，提高燃料混合气形成的质量，是加速燃烧、使燃烧完全进而提高内燃机的动力性能和经济性的关键。为探索膜法富氧技术在柴油发动机上应用的可能性，进行了增氧后的性能试验。初步结果表明油耗下降,特别是高负荷时最明显,一般油耗下降4%-7%；烟度大大降低，黑烟几乎消失；超负荷能力大增,当在2000转/分和25%的富氧时,最大功率从8.8KW增加到11.06kw,增加约25.9%。由此看出，富氧用于柴油机增氧前景非常乐观。5.3富氧燃烧概况富氧燃烧概况 应用应用 55.41常规煤粉炉基础上的常规煤粉炉基础上的O2/CO2煤粉燃烧系统，既可以是新建的煤粉煤粉燃烧系统，既可以是新建的煤粉锅炉，也可以是对现行老电厂的改造。锅炉，也可以是对现行老电厂的改造。2循环流化床循环流化床O2/CO2燃烧技术燃烧技术3Innovative Furnace Reactor (IFR)系统系统4膜法富氧燃烧技术的研究和应用膜法富氧燃烧技术的研究和应用Thank you
