富氧燃烧技术和有色火法冶金“碳达峰”

华志宇，杨云冬，王 斌

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明华润燃气有限公司，云南 呈贡 650000)

0 引 言

习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话当中表示，中国将提高我国自主贡献，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳力争“2030排放达到峰值、2060年努力争取碳中和”。

目前，中央把“碳达峰、碳中和”工作列为八项重点任务之一。习近平总书记在2021年4月22日“世界地球日”领导人气候峰会视频会议上发表了《共同构建人与自然生命共同体》的讲话，“2030碳达峰、2060碳中和”是基于推动构建人类命运共同体和实现可持续发展做出的重大战略决策。

与欧洲相比，其在20世纪90年代就达到峰值，是一个自然而然的过程，是在事后才知道碳达峰，并经历了一个长期过程后才开始二氧化碳排放缓慢下降，开始走向碳中和。

然而，石化能源在我国总能源占比高达80 %，二氧化碳排放仍在攀升，至今没有看到峰顶；同时，我国的单位GDP碳强度是世界平均水平的3倍多，是欧盟的6倍；故我国需参照国外相关的政策、市场、技术等方面，来实现具有中国特色的“碳达峰、碳中和”目标。

要实现“碳达峰、碳中和”战略目标，能源是主战场，加快石化能源低碳转型需要对现存的能源消费和利用方式进行重塑，在消费、供给、输送、储存、市场机制等环节均面临着技术挑战，需要开展技术创新，以提供高效的解决方案。

提高石化能源的使用效率，是目前我国激发更多创新活力、从根本上支撑碳达峰愿景实现的有力措施之一，而富氧燃烧技术则是一种有色火法冶金实现“碳达峰”可靠的技术手段。

1 富氧燃烧技术

近20年，随着国际能源供应趋紧和能源价格的日益高涨，许多发达国家都投入了大量的人力物力研究富氧燃烧技术，均得出节能、增产、提高品质、减少烟尘排放、减少二氧化碳排放、延长设备使用寿命的结论。我国在工业窑炉、火力发电方面就富氧燃烧进行助燃、节能，也取得了一定的技术进步，目前主要应用于火力发电厂燃煤锅炉、玻璃行业、水泥炉窑等方面，在富氧度23 %～30 %情况下，可节能10 %～45 %。

1.1 富氧燃烧理论

在标准状态下，空气中氧气的体积含量约为20.93 %，氮气约为79 %，另外存在极少量惰性气体；真正参与燃烧有用的氧气只占空气总量的五分之一，占了空气总量五分之四的氮气不但不助燃，反而在燃烧排放还带走了大量的热能，严重制约了各种工业与民用炉窑的热效率。在燃烧炉使用了富氧燃烧后，通过减少无用气体含量来降低热损失外，同时也改善了炉膛内部的热场分布。富氧助燃通过增强燃料的燃烧强度、加快燃料的燃尽速度、提高燃料的热量释放效率，具有明显的“碳达峰、碳减排”效益。

在炉窑内的氧含量增加4 %～5 %，炉窑内火焰温度一般可升高200～300 ℃。也就是说，当炉窑内氧含量为20.93 %时，一般炉窑，如回转窑，工作温度1 250 ℃，当富氧度达到25 %～26 %时，窑内工作温度可达到1 400 ℃，大大提高炉窑的工作效率。

1.2 富氧燃烧种类

富氧燃烧目前按照富氧形式，可分为以下4类。

1.2.1 氧气喷枪喷吹燃烧

氧气喷枪喷吹燃烧就是利用氧气喷枪直接在燃烧室内局部注入氧气进行燃烧的技术。

这种技术起源于钢铁企业炼钢工艺，目前也有用于铜冶炼的艾萨炉或侧吹炉、锡冶炼的奥斯迈特炉等。氧气喷枪喷吹燃烧系统要求氧气纯度高、工作压力大，适用于冶炼强度高的冶金装置；缺点是一般使用深冷制氧系统，因冷却液化制取纯氧，而导致制氧电耗成本高，除非生产必须使用，在其他装置当中不建议运用。

1.2.2 微富氧燃烧

微富氧燃烧系在炉外将氧气和空气按一定富氧度混合，呈微富氧状态，之后进入燃烧器燃烧。

这种技术主要运用于燃烧区域内工作压力不超过20 kPa的炉窑，氧气可以是纯氧，也可以是富氧空气。

微富氧燃烧在炉外通过可靠的混均装置可以将氧气、空气充分混均，炉内燃料燃烧完全、热场分布均匀，如使用膜法富氧，获得富氧空气能耗更低，故此运用较广。

1.2.3 空-氧燃烧

空-氧燃烧方式是空气和氧气同时进入燃烧器，在燃烧器内混合后燃烧。

因这种方式空气和氧气混合不均匀，炉窑内热场分布不均，且燃烧器制造难度大，故除特殊需要外，一般不使用。

1.2.4 纯氧燃烧

纯氧燃烧就是利用氧气直接取代空气进行的燃烧方式，是目前在可封闭炉窑上，可大力推广使用的燃烧方式。这种方式需要二氧化碳进行回流，但燃烧热效率最高，同时可以进行“碳捕捉”，进而可以进行“碳固定”。

这种方法目前在有色冶金行业研究尚未起步，尤其是氧化铝行业，值得进行深入研究。

1.3 氧气或富氧空气的来源

目前，可用于富氧燃烧的氧气或富氧空气主要有以下4个来源。

1.3.1 液氧

系深冷制氧机制取，纯度99.5 %以上。

1.3.2 变压吸附分子筛制氧

利用专用分子筛选择性吸附空气中的氮气、二氧化碳和水等杂质，从而取得纯度较高的氧气(～93 %)。

1.3.3 膜法富氧

膜法富氧是利用空气中各组分透过膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中氧气优先通过膜而得到富氧空气。用这种膜进行多气体分离，即可以得到含30 %以上氧气的富氧气空气。

1.3.4 磁效应富氧

磁效应富氧磁致气流助燃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，在2种气体分子经过高磁磁场时，发生不同方向的偏转，而得到富氧空气。

液氧和变压吸附制氧主要应用于高强度冶炼的转炉、艾萨炉、奥斯迈特炉等；而膜法富氧主要运用于玻璃炉窑、水泥窑、电站锅炉等；磁效应富氧系近年内研究成果，运用还较少。

2 有色冶金行业富氧燃烧的案例简介

2.1 纯氧-空气微富氧燃烧系统

回转窑超音速富氧旋流喷吹试验系统见图1。就某甲公司进行的回转窑超音速富氧旋流喷吹试验，和某乙公司进行的富氧燃烧试验，目前，成功完成了窑内富氧度25 %～27 %的生产试验。

图1 回转窑超音速富氧旋流喷吹试验系统图Fig.1 Diagram of supersonic oxygen-enriched cyclone injection test system of rotary kiln

该试验设置一座纯氧-压缩空气混合混均站，纯氧流量1 200 Nm3/h，工作压力0.6 MPa；压缩空气流量5 000 Nm3/h，工作压力0.14 MPa；混合混均站富氧空气出口富氧度最高35.5 %；回转窑窑内计算富氧度25 %～27 %；属于微富氧燃烧技术形式。

在27 %富氧度燃烧时，回转窑窑内高温区工作温度提高至1 410 ℃，较原工作温度提高160 ℃；焦比由原50 %降低至42 %，节约焦炭2.25 t/h，减少CO2排放8.27 t/h，年减少CO2排放量65 498 t/y，“节能碳减排”效益明显。

2.2 富氧膜微富氧燃烧系统

膜法富氧系统示意图见图1，某甲公司进行的膜法富氧系统富氧空气增压燃烧技术在16 t天然气锅炉上获得了良好的效果。

系统设置空气过滤器、鼓风机、富氧膜组堆组件、真空泵、富氧空气脱水稳压装置，富氧空气经过增压风机进入16 t天然气锅炉进行富氧燃烧，富氧度26 %。

富氧燃烧前，天然气耗量81.4 Nm3/t蒸汽；富氧燃烧后，天然气耗量75.9 Nm3/t蒸汽；节约天然气5.5 Nm3/t蒸汽；按燃烧1 Nm3天然气，产生CO21.964 kg/Nm3天然气，年减少CO2排放量1 368.8 t/y；“节能碳减排”效益明显。

图2 膜法富氧系统示意图Fig.2 Schematic diagram of membrane oxygen-enriched system

3 结 语

结合我国的“碳达峰、碳中和”战略目标，富氧燃烧技术在当前能源格局条件下，尽管不能使化石能源退出有色冶金行业实际生产，但可以大幅提高炉窑设备的热效率，减少碳排放，尤其是纯氧燃烧技术，可以进行高效的“碳捕集”，进而可以进行“碳固定”，比如氧化铝厂的煅烧炉方面可以全力推进纯氧燃烧技术，既然我无法进行碳中和，那么我来碳固定，简单粗暴可靠；另外，如在类似回转窑生产设备方面进行超音速富氧燃气旋流喷吹，更是可以形成类似“天然气燃气轮机高效联合发电”的效果。