全氧燃烧技术及其在高温工业中的应用

敖雯青

摘 要：本分分析了NOx燃烧生成的三种类型，论述了全氧燃烧技术在降低NOx燃烧方面的优势。同时构建了在高温工业中应用的典型全氧燃烧设备，以及目前现有的各型全氧燃烧器的应用领域。在全氧燃烧与传统空气燃烧及蓄热式燃烧的技术优势对比上，给出了节能率及投资效益的评估，得到在高温工业设备上，全氧燃烧系统投资回收年限为1-2年，随着设备规模的增大，由于存在规模效应，投资回收年限逐渐缩短。

关键词：全氧燃烧；低氮；蓄热式；节能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.049

1 全氧燃烧技术的发展背景

近年来，随着雾霾天气的频繁出现，大气污染越来越成为人们关注的焦点。NOx已经成为严重雾霾天气的根源之一。

一般认为，燃料在燃烧过程中产生 NOx可分为三种类型： 热力型、快速型和燃料型。目前，高温工业（包括耐火材料原料煅烧和制品烧成）所用窑炉的燃烧温度越来越高[1]，在环保压力日渐加大的情况下，极有必要对氮氧化物的排放进行严格控制。其中全氧燃烧是大幅度降低NOx排放的有效手段之一。

所谓全氧燃烧是指在燃烧过程中，利用氧气纯度>90%的氧气代替空气与燃料进行燃烧的技术[2]。由于全氧燃烧技术能够有效地减少 NOX的排放，同时具有显著的节能效果，近年来在高温工业中取得了越来越广泛的应用[3]。

2 全氧燃烧的优点

2.1 大幅度减低NOx排放量

全氧燃烧由于无N2参与燃烧过程，理论上不会产生NOx，但由于燃烧过程中密封不佳会从大气中吸入少量N2，由于N2浓度较低，NOx的生成量也比空气燃烧要少得多。如玻璃熔窑采用全氧燃烧技术时，烟气中的NOx含量减少到只有空气燃烧的30%左右。

2.2 减少废气产生量

传统空气助燃技术中氧气含量只有 21%，约 78% 的氮气被无谓地加热、排放（这部分热量损失能占到能耗的 30% 以上），采用全氧燃烧技术废气排放量大大减少，与空气燃烧相比可减少70%～80%。

2.3 更高的燃烧温度

全氧燃烧过程与空气燃烧相比，空气中约79%的氮气不再参与燃烧，可以显著提高火焰的温度。

2.4 更高的传热效率

由于全氧燃烧的主要产物是三原子物质（CO2和H2O），三原子物质的传热效果高于双原子物质（N2），因此加热效率得到大幅度提高。

3 全氧燃烧设备

在高温工业应用中的典型全氧燃烧典型设备配置如图1所示，包括全氧燃烧器、燃料管路及阀门、氧气管路及阀门、全自动点火系统、燃烧炉膛及排烟系统。

随着全氧燃烧技术在高温工业中的不断推广应用，全氧燃烧器的结构形式也逐步改进完善。Ⅰ型全氧燃烧器采用冷却套管的形式。套管由插入保护性水冷护套中的同心管组成，燃料和氧的混合在燃烧器尖端附近进行。喷头通过冷却来确保烧嘴寿命，不考虑控制火焰温度，然而由于烧嘴头部内外温差大，热应力过大，常出现烧嘴喷头开裂的情况。Ⅱ型全氧燃烧器采用分段稀释燃烧技术，分两次或多次从不同区域供入O2与燃料进行混合，控制燃烧速率，同时采用非金属烧嘴砖形式，替代水冷或压缩空气专门冷却的喷头，寿命得到极大提高。

针对含氮燃料的NOx排放问题设计的Ⅲ型FGR全氧燃烧器，采用了废气再循环燃烧技术（FlueGas Recirculation），通过控制燃烧区域内氧的浓度，解决火焰超高温度和NOx生成问题。

同时，全氧燃烧器的阀门系统均采用压力不锈钢阀门，以防止氧气在高速输送过程中产生爆炸。

4 全氧技术优势

在应用技术层面，与传统空气燃烧、蓄热式燃烧相比，全氧燃烧在氧燃比的控制、炉温均匀性、燃烧温度、节能率、加热时间、设备维护量、NOx排放、热效率等方面均有一定程度的优势，详细对比见下表。

5 投资效益评估

低NOx排放是全氧燃烧的最重要的特点，但同时由于废气量减少，带来的节能效果也非常明显。全氧燃烧能够在同样供热的情况下大幅度降低燃料消耗。综合考虑各方面因素，包括燃料及氧气的来源及价格、窑炉总热负荷大小、系统配置高低、年工作时间等。在高温工业设备上，全氧燃烧系统投资回收年限为1～2年，随着设备规模的增大，由于存在规模效应，投资回收年限逐渐缩短。

参考文献：

[1]赵恩录，杨健，刘志付等.玻璃熔窑全氧燃烧技术概况和技术发展趋势[J].玻璃，2005（06）：3-6.

[2]Russell Hewertso n.When Does Oxy-fuel Make Sense[J].Air Products and Chemicals，Inc，2005：1-3.

[3]經验，田英良，孙诗兵等.浅谈全氧燃烧技术在玻璃工业中的应用[J].工业加热，2005，34（06）：32-35.