增氧燃烧原理在热能工程中的应用

2021-04-10张小成

新型工业化 2021年12期

张小成

（中材海外工程有限公司，北京 100037）

0 引言

近几年，经济发展与环境保护之间的矛盾愈发明显，人们环保意识的加深使能源节约成为了关键讨论的问题。增氧燃烧作为新兴燃烧技术，能够通过增加氧气含量的方式促进燃烧过程，能够实现节能高效的目的，对于玻璃工业、冶金业以及热能工程都具有重要的意义。为了使增氧燃烧在热能工程中发挥出更大的优势，需要相关人员整我掌握增氧燃烧原理，使其技术优势能够在热能工程中充分发挥出来。

1 增氧燃烧原理

1.1 工作区域

增氧燃烧工作区域通常可以划分为两种类型：第一种类型为低浓度增氧。这种工作区域通常比较适合只需要添加少许氧气便可以达到高效燃烧的热能设备。第二种类型为高浓度增氧工作区。在这种工作区域进行增氧的过程中一般会采取纯氧的方式，通常会用于高温生产作业当中[1]。但是这样的增氧方式会消耗较多的生产成本，但是具有卓越的燃烧效率。

1.2 燃烧产物

增氧燃烧技术中的燃烧产物组成成分通常会受到不同因素的影响，例如氧化剂成分、气体温度、周边环境等等。针对气体混合燃烧试验效果进行分析研究可以发现，当天然气与氧气产生一定反应之后，作业区域通常会产生大量的废气。对于产物完全燃烧造成不利影响，而在其中逐渐增加氧气含量之后，废弃的比例会逐渐降低，二氧化碳与水蒸气占比增加。设备在此过程中会通过烟雾排放流失能量，随着废气排放比例的降低，烟气流放出的热能也会因此降低，这样一来可以有效提高燃烧效率。

1.3 火焰温度

在工程环境中采取增氧燃烧技术可以发现增加氧气含量时，火焰温度会出现明显的增高。这主要是因为氧气助燃效果可以有效降低废气比率，使燃烧更加充分。在甲烷绝热燃烧实验中可以发现，在空气燃烧的热能环境当中火焰温度通常会维持在2300K左右，而在完全氧气环境下火焰温度可以达到3000K。如果在空气中注入60%左右的氧气可以有效促进火焰温度的上升。如果在此之后继续增加氧气含量，虽然火焰温度会逐渐上升，但是升温速度会逐渐减慢。

1.4 可利用热

可利用热通常也可以理解为气体燃烧总热能去除排放气体带走的热能。通俗来讲就是总热能与废气带走热能之间的差额。众所周知，氮气不能够为燃烧活动增加助力，所以氮气排放过程中释放出的能量会造成可利用热程度的降低。为了避免热能生产受到大气的影响，需要在工业生产过程中但其进行回收利用[2]。如果没有对氮气采取回收利用工作，不仅会影响热能生产，还会因氮氧结合物造成环保问题。在此过程中适当增加氧气含量，可以有效降低氮氧结合物的排放。实现科学化热闹生产。

2 增氧燃烧方式

2.1 预混富氧

空气燃料燃烧过程中的富氧也被称作为低程度富氧或者预混富氧，这种情况通常会被用于低浓度富氧工作区域当中，即Ω＜0.30的工作区域。很多传统的燃烧可以采取这类增氧助燃技术。为了保证进口空气足够的氧气混合程度，需要使用预混器，这样的方式可以用较低的生产费用来获得更多的效益。例如在增氧的方式能够缩短火焰长度，提升火焰强度。但是在此过程中也需要确保氧气注添加量的合理，如果注入的氧气过度同样会引起各类问题，例如火焰形成过短或者火焰温度过高造成燃烧器损坏。鉴于这种情况，输气管路处需要针对氧气安全问题进行改进优化。

2.2 射氧

射氧与预混富氧同样属于低浓度混氧，主要被用于Ω＜0.30的工作区域。从整体的角度来看，射氧与预混富氧相比拥有更多的优势，射氧不需要对当前已有的空气燃料燃烧器作出改进，并且在NOx方面也会大大降低。由于射氧技术存在这样的优点，使其成为了减少氮氧化物的常用方法[3]。在运用射氧方式的过程中，火焰热量会比预混富养的效果更加均匀，并且能够促进燃烧效率的提升。因此，降低了空气燃料燃烧器与均热层过热情况的可能性。但是射氧方式也存在明显的缺陷，主要体现在燃烧室所开设的射氧洞口会花费已经产生的成本。在应用射氧方式的过程中，需要将氧气从下方注入到火焰当中，喷枪的位置会设立在燃烧器和被加热物料之间。预混混氧可以有效促进火焰温度的均匀提升，而下射技术可以选择性地使火焰底部温度得到提高。这样的方式可以将向下的多余热量向待燃物进行集中。虽然这样的方式中的氧气和空气均匀度不如预混富养方式，但是可以更加有效地利用余热。除此之外，下射富氧方式与预混富氧方式相比能够有效降低炉顶耐火材料对热量的吸收，进而保障炉顶寿命。

2.3 纯氧燃烧

增氧燃烧原理中的第三种方式。为氧气燃料燃烧，也被称作高浓度富氧，通常会作用于Ω＞0.9的工作区域。在各种纯氧燃烧的应用当中，燃料与氧气在燃烧器当中会维持分离状态，当两者到达燃烧器口处时才会进行混合，所以纯氧燃烧通常会使用喷嘴混合燃烧器，使火焰产生扩散效果。但是纯氧燃烧方式也会存在一定的安全风险，由于纯氧活动性比较高，预混过程中有可能会造成爆炸的危险。因此，需要确保纯氧燃烧的安全保障。纯氧及高浓度纯氧，浓度会大于90%。在纯氧燃烧系统当中，纯氧浓度通常会与制氧方法有着密切的关系。纯氧燃烧能够有效促进燃烧效率，并且令火焰中热点缩小而排放出的氮化物得到降低。但是这样的增氧燃烧方式通常会花费较高的操作费用。

2.4 混氧燃烧

第四种增氧燃烧方式为混氧燃烧，也就是空气-氧燃料燃烧，在运用这种方式的过程中，将空气与氧气分别送入到燃烧器当中，这种方式是纯氧燃烧的变种[4]。在一些情况时，可以将一个氧气燃料燃烧器插入到现有的空气燃烧器当中，并且对其进优化改进，除此之外，也可以使用专门设计的燃烧器。混氧燃烧方式具有多种优势，使用比预混合射氧方式更加充分的混氧，可以促进效益的提升，并且这项方式的操作费用也会明显低于纯氧燃烧。在火焰形状与放热方式方面，能够采取控制氧气用量来进行调整。除此之外，这种方式还具备费用低廉的改进方法，由于很多空气燃烧器都需要运用两种燃料设计，而在使用过程中，两用燃烧器配备的油枪难以取下，此时可以使用射氧枪或者纯氧燃烧器来替代。

3 热能工程的应用

3.1 电站锅炉

OEC在电站锅炉方面的应用通常会分段燃烧，这是为了降低NOx的排放。在应用的过程中需要将10%～20%二次风从高出强燃烧区较多的炉膛上方射入到锅炉内部，为燃料补充燃烧过程中所需的空气，确保燃料能够在富氧环境下得到充分燃烧，这样一来便呈现出燃料的分段燃烧。采取这样的方法可以有效降低20%～30%左右的NOx排放量。

3.2 燃煤工业锅炉

0EC在工业锅炉方面的应用通常会采取局部增氧助燃技术，需要运用膜法富氧助燃系统[5]。这种系统的具体工作流程，需要将通过空气过滤器的空气由通风机系统抽入到膜系统当中，随后利用氧气和氮气在高分子膜渗透率速率的差别运用真空泵形成压差，这样能够使氧气在膜的低压一侧逐渐富集成为浓度较高的富氧空气，完成以上步骤之后，需要采取富氧喷嘴将富氧空气输送到锅炉内部。一般情况下，OEC能够适用于各类燃料和多数工业锅炉，不仅能够有效提升劣质燃料的应用范围，还可以促进燃料性能的充分释放。例如运用26.7%的富氧空气燃烧褐煤或能够使燃烧稳定，与空气燃烧重油的燃烧温度相当。由此可见，富氧燃煤能够在某种程度上代替空气烧油，对于我国燃煤工业具有重要的意义。

3.3 垃圾焚化炉

在当前阶段，增氧燃烧在垃圾焚化炉方面的运用属于新的领域，最初是因为能够提升便携垃圾焚化炉的燃烧性能，随后被逐渐运用到固体垃圾焚化炉以及焚化垃圾燃料的锅炉当中。在垃圾焚化炉的处理过程中，垃圾燃料发热值偏低，并且会拥有很多难以燃烧的物质，或者因为燃烧物少时影响燃烧效果，使普通燃烧给予不能维持燃烧的稳定性。使用增氧燃烧能够拥有良好的燃烧效率，火焰温度比较高，提升火焰特性，因此在垃圾焚化炉中使用这项技术能够提升垃圾燃料的吞吐量。空气中的氮会影响垃圾燃烧分解效果，而使用增氧燃烧可以促进燃料分解的提升，使高水分垃圾燃料分解过程中生成热值较高的焦炭和气体。并且运用氧气调节系统时，对燃料进行分析来确定氧气补给量，能够改善垃圾燃料燃烧不均匀性造成的燃烧不稳定难题。

3.4 冷凝式锅炉

冷凝式锅炉通常具有较为出众的燃烧效率，并且排放的污染物也比较少，在燃烧的过程中使用气体或液体燃料能够达到良好的节能效果。在此过程中，露点温度会直接决定燃烧效果。因此，需要确保锅炉水蒸气的含量能够维持在25%左右。由于压力值会根据露点温度出现变化，在露点温度上升时压力值也会上升。烟气可以在更强的高温环境进行冷凝，产生热量的利用率也会增加[6]。此外，冷凝式锅炉所释放的潜在能量会降低废气量的排放。