1 富氧燃烧简介
富氧燃烧的概念在 1981年由 Homne 和 Steinburg 首次提出，并得到美国阿贡国家实验室的验证。简单来讲，富氧燃烧是指采用含氧浓度比常规空气（含氧21%）更高的富氧空气或纯氧作为助燃气休，是一项高效节能的燃烧技术。鉴于我国能源利用量及污染物排放年年攀升，深入研究能源高效洁净化利用，开发高效、洁净的燃烧发电技术，是保障国民经济持续健康快速发展和保护环境的迫切需要。富氧燃烧不仅能提高燃料利用率，又能够有效降低燃烧后各种排放物的有害程度，对于节能减排有很好的应用前景。
与用普通空气燃烧相比，富氧燃烧主要有以下优点。
1）提高火焰温度和黑度，降低燃料的燃点温度，促进燃烧完全。
2）降低过量空气系数，减少燃烧后的烟气量。
3）有效降低NO的生成量。
4）有效减少烟气量，简化了烟气处理系统。
5）既适合新建锅炉，又适合旧锅炉的改造。
2 富氧燃烧在燃煤气锅炉中的应用研究
近几年，小容量高参数的煤气发电项目在全国各地大小钢厂中如雨后春笋般出现，煤气发电本身就是对钢厂在各生产工艺流程中的废气进行回收利用，如果能将富氧燃烧技术应用于燃煤气锅炉，对于能源的再利用将起到锦上添花的效果。
2.1 富氧燃烧工沉下理论燃烧温度的影响
辐射换热是锅炉换热的主要方式之一，烟气中起辐射作用的主要是三原子气体，原子气体几乎没有辐射能力。所以在常规空气助燃的情况下，无辐射能力的氮气所占比例很高，因此烟气黑度较低，影响了烟气对锅炉受热面的辐射换热。如采用富氧空气来助燃，烟气中的氮气份额大大除低、故火焰温度和黑度会大幅提高。另外，富氧燃烧会提高火焰的燃烧强度，加快燃烧速度，获得更好的传热效果，有利干点料反应完全。
表1是燃煤气钠炉富氧燃烧改造的计算数据，可以看出随着助燃空气中含氧量的增加，理论燃烧温度随之升高;含氧量为30%空气助燃时，理论燃烧温度比常规空气助燃时提高了211℃，但当采用35%富氧空气助燃时，由于烟气再循环比例提高，导致理论燃烧温度下降，表明助燃空气中的含氧量并非越高越好，实际应用中当选取合理的富氧比例。
表1 空气中含氧量与火焰温度的关系
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空气含氧量/% |
理论燃烧温度/℃ |
过量空气系数 |
烟气再循环比例 |
|
21（常规空气） |
1407 |
1.2 |
0% |
|
23 |
1518 |
1.2 |
0% |
|
25 |
1540 |
1.15 |
0% |
|
30 |
1618 |
1.1 |
5% |
|
35 |
1584 |
1.1 |
15% |
2.2 富氧燃烧工况下烟气量的对比分析
众所周知，锅炉的各项热损失中，占比最大的是排烟热损失;尤其对于燃钢厂煤气的锅炉，烟气量大是煤气锅炉的显著特点，因此如能降低锅炉排烟量，便可大幅提高锅炉热效率。采用富氧空气参与燃烧，由于空气中氮气占比大幅下降，同时理论空气量也减少，因此可以有效降低烟气量。表2是针对该钢厂煤气锅炉的计算结果（烟气再循环量见表1），数据表明随着助燃空气中含氧气量的增加，单位燃料燃烧后的烟气量不断减少，并且烟气中三原子气体的比例在增加。在排烟温度不变的情况下，排烟热损失必然随着烟气量减少而降低，从而显著提升锅炉热效率。对于新设计的富氧燃烧锅炉，由于烟气量大幅下降，受热面的布置方面可以更加优化，减少锅炉设备钢材使用量。
表2 燃烧产物与空气中含氧量的关系
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空气含氧量/% |
H2O（%） |
N2（%） |
CO2（%） |
烟气体积（m³/m³） |
|
21（常规空气） |
6.7 |
66 |
25.5 |
1.744 |
|
23 |
7 |
64.3 |
27 |
1.643 |
|
25 |
7.4 |
62.7 |
28.7 |
1.546 |
|
30 |
8 |
59.7 |
31.6 |
1.405 |
|
35 |
8.4 |
57.4 |
33.5 |
1.325 |
2.3 过量空气系数与锅炉效率的关系
燃气锅炉运行中，过量空气系数的选取非常重要，过量空气少了会导致燃烧不完全，增加Q3热损失;过量空气多了会降低烟气的辐射能力，受热面的利用率降低，更为重要的是过量空气的多少会直接影响锅炉热效率。本改造项目中，由于燃料主要是燃点较高的高炉煤气，为保证燃烧完全，采用了较高的过量空气系数。但当采用富氧燃烧时，由于火焰温度提高，燃料燃点在富氧条件下也有所降低，因此可以采用较低的过量空气系数（见表1）。研究表明，过量空气系数越低，锅炉可利用热量越高（见图1）。所以在采用富氧燃烧的锅炉中，取较低的过量空气系数，既可以保证燃烧完全，又可以减少排烟热损失，锅炉效率明显提高。
2.4富氧燃烧过程中气体浓度的监测
在工业过程中，企业对氧气含量的监测十分重视，一般会采用实时监测的气体浓度监测设备防患于未然。在富氧燃烧工艺中的应用气体监测设备的目的是主要为了提高燃烧效率节约成本，在烟气排出口会安装烟气监测系统来监测排放气体是否达到国家要求的排放标准。气体监测设备对工业工艺具有很大的指导意义。
3 结语
从对该项目钢厂煤气炉的改造研究来看，采用富氧燃烧将有效提高钢炉的热效率，节约燃料消耗量，或者提高锅炉蒸发量，从而提高燃料的利用率，为企业创造更高的经济价值。如果在新建锅炉项目中按采用富氧燃烧来设计，由于烟气量大幅缩小，锅炉受热面的布置可以更加紧凑，将大大降低钢材消耗。