在工業(yè)窯爐的燃燒過程中，只有O₂與燃料參與反應(yīng)，N₂和惰性氣體非但不能助燃，還會(huì)使得O₂與燃料的接觸面減小，造成燃燒不完全，受熱不均勻，并且容易產(chǎn)生局部高溫，這將使N₂在高溫下與O₂反應(yīng)生成大量的NOx，從而導(dǎo)致O₂與燃料發(fā)生碰撞反應(yīng)的概率大大減小。并且N₂還將攜帶大量的熱量排出窯爐體，造成大量的熱量損失，從而嚴(yán)重制約工業(yè)窯爐的熱效率。因此，采用富氧燃燒方式進(jìn)行節(jié)能降耗成為工業(yè)窯爐領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。目前碳達(dá)峰及碳中和也成為探討的熱點(diǎn)，而富氧燃燒技術(shù)有助于CO₂的富集和捕捉。因此，富氧燃燒技術(shù)在當(dāng)前環(huán)境狀況下成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

1制氧原理及特點(diǎn)

目前主流制氧技術(shù)包括3種：深冷空分法、變壓吸附法和膜分離法。深冷空分法是一種傳統(tǒng)的制氧方法，最高制氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99%以上。它以空氣為原料，經(jīng)過壓縮、凈化，再利用熱交換使空氣液化成為液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸點(diǎn)不同，通過液態(tài)空氣裝置的精餾，使它們分離來獲得O₂。深冷空分制氧設(shè)備復(fù)雜、占地面積大，基建費(fèi)用較高，設(shè)備一次性投資較多，運(yùn)行成本較高。制取的O₂純度高，適用于對(duì)O₂純度要求較高的場景。

變壓吸附法的原理是利用分子篩對(duì)不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開。它是以空氣為原料，利用一種高效能、高選擇性的固體吸附劑對(duì)N₂和O₂選擇性吸附的性能把空氣中的N₂和O₂分離出來，制取的O₂體積分?jǐn)?shù)可達(dá)90%左右。

目前，在一些場景中也采用膜分離法制氧。膜分離法制氧是利用滲透的原理，即氧分子通過膜向化學(xué)勢降低的方向運(yùn)動(dòng)，首先運(yùn)動(dòng)至膜的外表面層上，并溶解于膜中，然后在膜的內(nèi)部擴(kuò)散至膜的內(nèi)表面層解吸，其推動(dòng)力為膜兩側(cè)的O₂氣體分壓差。混合氣體中不同組分的氣體通過膜時(shí)的速度不同，氧分子優(yōu)先通過分離膜從而達(dá)到提純富氧氣體的目的，稱作膜法制氧，所制O₂的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)30%左右。目前膜分離法制氧包括正壓膜分離制氧和負(fù)壓膜分離制氧等。

2富氧燃燒節(jié)能機(jī)理

富氧燃燒節(jié)能機(jī)理如下：

a)使用富氧空氣助燃，可提高燃燒溫度和增強(qiáng)傳熱。由于N₂含量降低，煙氣中CO2和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)均提高，火焰的黑度相應(yīng)增大。同時(shí)窯爐內(nèi)部的火焰溫度也隨著O₂體積分?jǐn)?shù)的增加而明顯提高。輻射傳熱占工業(yè)爐窯總熱量的80%～90%，而輻射熱與火焰黑度和溫度成正比。因此，采用富氧空氣助燃能提高火焰溫度及黑度，顯著增加輻射熱和熱傳遞的效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

b)富氧燃燒可降低燃料燃點(diǎn)和燃盡溫度。燃料的燃點(diǎn)溫度和燃盡溫度與燃燒條件、受熱速度、空氣用量、周圍溫度等因素密切相關(guān)。富氧燃燒有利于降低燃料的燃點(diǎn)、燃盡溫度。在相同的停留時(shí)間內(nèi)，降低燃點(diǎn)和燃盡溫度有利于增加熱釋放量和釋放率，有利于低負(fù)荷穩(wěn)燃。CH₄在空氣中燃點(diǎn)為632℃，在純氧中為556℃；CO在空氣中燃點(diǎn)為609℃，在純氧中僅388℃。

c)富氧燃燒能提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)效果。燃燒溫度的提高有利于完全燃燒。在工業(yè)窯爐有限的空間里，增加空氣中的O₂體積分?jǐn)?shù)就增加了O₂與燃料的接觸面，使其充分接觸、混合更均勻，從而提高燃盡率，減少未燃碳?xì)浣M分和污染物的排放。

d)富氧燃燒使得燃料與O₂得到充分的接觸并且反應(yīng)完全，從而減少了助燃風(fēng)的需用量，進(jìn)而減少排煙量。助燃空氣的O₂體積分?jǐn)?shù)每增加1%，煙氣量下降3%～5%。高體積分?jǐn)?shù)富氧空氣的助燃，可使鼓引風(fēng)量下降10%～50%，減少了鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，節(jié)約了大量的電能。同時(shí)，煙氣量的減少使得排煙損失降低，進(jìn)而提高了熱效率，尤其是在一些排煙溫度較高的工業(yè)窯爐中效果明顯。

e)富氧燃燒可進(jìn)一步降低燃燒的空氣過剩系數(shù)α?？諝膺^剩系數(shù)α是窯爐運(yùn)行中設(shè)定的實(shí)際空氣量與理論所需空氣量的比值。理論空氣量就是能剛好滿足燃料完全燃燒所需要的空氣量（O₂量）。對(duì)于工業(yè)燃?xì)飧G爐，α值通常設(shè)定在1.1～1.5之間。α值直接影響爐膛內(nèi)部火焰溫度及排煙量。用富氧空氣助燃，可適當(dāng)降低α值至1.05～1.20，這樣既能提高火焰溫度，又能降低排煙熱損失，從而節(jié)約能源。

3富氧燃燒的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)展

3.1富氧燃燒在煤粉爐的工業(yè)示范研究

富氧燃燒在電站鍋爐系統(tǒng)的應(yīng)用上，采用O₂代替助燃空氣，同時(shí)結(jié)合大比例（大于65%）的煙氣回流循環(huán)，可獲取CO₂體積分?jǐn)?shù)大于80%的煙氣，這就為CO₂的捕集和利用提供了基礎(chǔ)。

華中科技大學(xué)在35MW的中溫中壓鍋爐上進(jìn)行了工業(yè)級(jí)的富氧燃燒研究和運(yùn)行。該鍋爐在前墻上配置了3臺(tái)旋流燃燒器。氧氣系統(tǒng)采用三塔空分流程，試驗(yàn)中保持入爐的平均O₂體積分?jǐn)?shù)在26%～28%。為保證著火穩(wěn)定性和輸運(yùn)的安全性，一次風(fēng)的含氧量在21%。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，鍋爐運(yùn)行的排煙損失降低，但鍋爐的氣體和固體未完全燃燒的熱損失均有所提高，鍋爐平均熱效率有微小提升。系統(tǒng)運(yùn)行成本增加36.7%，每小時(shí)可捕集CO₂ 11.3t，噸CO₂捕集成本488元。未來結(jié)合更大鍋爐功率示范、更低的制氧成本，結(jié)合酸性氣體壓縮工藝，將富氧燃燒系統(tǒng)與燃煤電廠全廠系統(tǒng)進(jìn)行耦合優(yōu)化，同時(shí)采用新的熱力循環(huán)有望提升富氧燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3.2富氧燃燒在燃煤發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃階段的應(yīng)用

目前電網(wǎng)新能源接入越來越多，提高火電機(jī)組的投切靈活性和電源調(diào)峰能力，可有效解決風(fēng)光發(fā)電的消納問題。富氧燃燒利用純氧強(qiáng)化燃油燃燒，降低煤粉的著火問題。

在中電投重慶九龍電廠，針對(duì)一臺(tái)200MW的燃煤鍋爐，采用富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷階段不停爐運(yùn)行。在應(yīng)用了富氧超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)后，該電廠以15～60kg/h的耗油量、100～200m³/h的耗氧量，實(shí)現(xiàn)了30MW以下的低負(fù)荷穩(wěn)燃，備用容量可達(dá)170MW以上。在國電重慶恒泰發(fā)電有限公司2×300MW燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐進(jìn)行富氧燃燒技術(shù)改造，發(fā)現(xiàn)改造后機(jī)組的NOx產(chǎn)物減少，啟停機(jī)油耗同比降低80%以上，同時(shí)機(jī)組深度調(diào)峰負(fù)荷可降低至30%額定負(fù)荷以下，具有良好的節(jié)能減排效果。

3.3軋鋼加熱爐的無焰富氧燃燒

軋鋼加熱爐主要用于加熱軋制時(shí)的鋼坯，是重要的耗能設(shè)備。由于受到生產(chǎn)波動(dòng)、停產(chǎn)檢修等因素影響，鋼鐵企業(yè)存在O₂放散情況。富氧燃燒本身能節(jié)省加熱爐所用燃料，結(jié)合鋼企有氧氣平衡的需求，富氧燃燒技術(shù)在軋鋼加熱爐的應(yīng)用成為可能。馬鋼公司在加熱爐一加段布置高速氧槍（見圖1），純O₂流圍繞燒嘴進(jìn)行火焰攪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)35%～60%的富氧燃燒。采用富氧燃燒前軋鋼量2083t，消耗煤氣328455m³，折合耗熱量1.35GJ/t，折合軋鋼線產(chǎn)量253t/h。采用富氧燃燒后，軋鋼量1085t，消耗煤氣131130m³，折合耗熱量1.11GJ/t，折合軋鋼線產(chǎn)量354t/h，消耗O₂量為13.8m³/t。結(jié)果表明，采用富氧燃燒后燃料消耗下降15%以上，產(chǎn)能提升15%以上，燒損降低18%以上，加熱的均勻性得到提高，NOx排放無明顯差異。常規(guī)富氧燃燒技術(shù)與無焰富氧燃燒技術(shù)的對(duì)比如圖2所示。

圖1  高速氧氣布置圖

圖2  常規(guī)富氧燃燒技術(shù)與無焰富氧燃燒技術(shù)對(duì)比示意圖

3.4富氧燃燒在熱風(fēng)爐的應(yīng)用

太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司4350m³高爐配置外燃式熱風(fēng)爐，設(shè)計(jì)風(fēng)溫1310℃；燃料以高爐煤氣為主，摻燒一部分焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣消耗量為7000～12000m³/h。太鋼以生產(chǎn)不銹鋼為主，焦?fàn)t煤氣資源緊張，特別是采暖期還需外購高價(jià)天然氣。為此，采用富氧燃燒技術(shù)以盡可能減少熱風(fēng)爐的焦?fàn)t煤氣用量。項(xiàng)目實(shí)施后，在保證熱風(fēng)爐風(fēng)溫的前提下，富氧率從4%一直提高到7%，焦?fàn)t煤氣用量從富氧前的平均11500m³/h降低至平均4500m³/h，高爐煤氣用量由原來的平均115000m³/h增大至平均145000m³/h，O₂平均用量為7000m³/h。此項(xiàng)目的成功應(yīng)用，達(dá)到了節(jié)約焦?fàn)t煤氣的目的，同時(shí)年可節(jié)約能源成本8.6×106元。

3.5富氧燃燒在垃圾焚燒中的應(yīng)用

采用焚燒法處理城市垃圾成為主流，可通過富氧燃燒提高垃圾的燃燒效率，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。尤其是在高海拔低氧地區(qū)，可采用在一次風(fēng)中增加O₂的方法彌補(bǔ)當(dāng)?shù)乜諝釵₂含量的不足。在奧地利，1個(gè)生活垃圾焚燒爐采用富氧燃燒的O₂含量可提高26%，通過煙氣再循環(huán)降低燃燒室溫度。富氧燃燒可提高垃圾燃燒強(qiáng)度和降低排煙損失，是一種高效節(jié)能的燃燒方式，未來可進(jìn)一步在該領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

3.6富氧燃燒在水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用

在一4000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線進(jìn)行富氧燃燒試驗(yàn)，富氧由液氧氣化減壓后獲得。富氧按一定比例加入一次風(fēng)機(jī)消聲器前過濾器內(nèi)，然后進(jìn)入一次風(fēng)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)表明，在不增加燃料的前提下能使窯爐火焰溫度提高100～300℃，節(jié)能效果顯著?；剞D(zhuǎn)窯爐富氧燃燒可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，當(dāng)O₂體積分?jǐn)?shù)增加到4%～5%，火焰溫度可升高200～300℃。通過富氧燃燒可降低熟料中游離態(tài)CaO的含量，水泥質(zhì)量得到提升。由于采用富氧燃燒，煙氣量顯著減少，粉塵排放總量降低，減少環(huán)境污染。美國California Portland's Mojave水泥廠進(jìn)行富氧燃燒，平均提產(chǎn)率達(dá)到8.85%，取得了顯著的生產(chǎn)效果；Hercules水泥廠富氧運(yùn)行表明，可提產(chǎn)8%～10%，燃料消耗減小3%～5%。國內(nèi)應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)的也有多家水泥廠。富氧燃燒技術(shù)在回轉(zhuǎn)窯的眾多案例中均取得了良好的應(yīng)用效果，屬于近年來發(fā)展起來的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，也在逐漸成為國內(nèi)外水泥生產(chǎn)節(jié)能降耗重大技術(shù)的進(jìn)步方向。

圖3 富氧燃燒在水泥回轉(zhuǎn)窯的應(yīng)用系統(tǒng)圖

3.7富氧/全氧燃燒在玻璃窯爐的應(yīng)用

玻璃窯爐的節(jié)能降耗一直是玻璃行業(yè)內(nèi)關(guān)注的要點(diǎn)。富氧/全氧燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)的應(yīng)用分為三類：使用純氧燃燒的全氧燃燒技術(shù)、純氧助燃技術(shù)和局部增氧富氧燃燒技術(shù)。全氧燃燒技術(shù)無蓄熱換向，燃料量減少30%以上，但需要采用變壓吸附的方法制純氧，項(xiàng)目的盈虧平衡點(diǎn)依賴于燃料價(jià)格和制氧成本。目前全氧燃燒技術(shù)較為成熟，比如合肥彩虹玻璃就采用全氧燃燒技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。純氧助燃技術(shù)可節(jié)約燃料5%～8%，該技術(shù)需要在玻璃窯爐上增設(shè)1對(duì)全氧噴槍以增產(chǎn)增效、節(jié)能降耗。局部富氧燃燒技術(shù)，可節(jié)約4%的燃料成本，同時(shí)有助于提高玻璃質(zhì)量等，該技術(shù)在一般浮法生產(chǎn)線均可應(yīng)用。國內(nèi)應(yīng)用的企業(yè)如海螺、南玻、中科等企業(yè)。

3.8富氧燃燒在陶瓷窯爐的應(yīng)用

富氧燃燒在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較少，除了高溫造成的熱力型NOx及窯爐改造問題外，制氧成本也限制了技術(shù)的進(jìn)一步推廣。以1.0m³梭式窯為實(shí)驗(yàn)窯爐，采用膜法制氧，進(jìn)行不同體積分?jǐn)?shù)O₂的使用。試驗(yàn)表明，隨著O₂體積分?jǐn)?shù)增加，燃料消耗量逐漸減少。當(dāng)O₂體積分?jǐn)?shù)增加至27%～30%時(shí)，進(jìn)一步提高O₂體積分?jǐn)?shù)對(duì)節(jié)能的效果并不明顯，主要原因是高O₂體積分?jǐn)?shù)并不能保證燃料完全燃燒。隨著O₂體積分?jǐn)?shù)增加，燃燒過程發(fā)生部分機(jī)械和化學(xué)不完全燃燒，導(dǎo)致燃料損失。陶瓷工業(yè)的富氧燃燒應(yīng)用，尤其是連續(xù)性窯爐的試驗(yàn)需要更進(jìn)一步開展。

4結(jié)語

通過概覽富氧燃燒在燃煤電站、鋼鐵工業(yè)、垃圾焚燒、水泥煅燒、玻璃熔窯和陶瓷工業(yè)的應(yīng)用，基本可以明確富氧燃燒可降低燃料消耗量，同時(shí)在一些場景中可提質(zhì)提產(chǎn)。目前中國政府將采取更有力的政策和措施，力爭2030年前CO₂排放達(dá)到峰值，力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。富氧燃燒作為一種潔凈燃燒技術(shù)，在碳減排方面具有巨大潛力。為進(jìn)一步推廣富氧燃燒在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在如下方面可持續(xù)開展研發(fā)工作，以提高該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性：

a)富氧燃燒器及氧槍。針對(duì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)針對(duì)專門的應(yīng)用場景研發(fā)各種功率的富氧燃燒器及氧槍，探索分級(jí)燃燒、低NOx燃燒技術(shù)。

b)制氧技術(shù)突破。實(shí)現(xiàn)低能耗、低成本的制氧是共性需求。膜分離制氧技術(shù)需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和工業(yè)化深度應(yīng)用。

c)與熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化。富氧燃燒技術(shù)可通過與原有熱力系統(tǒng)進(jìn)行耦合優(yōu)化，降低系統(tǒng)能耗，進(jìn)一步利用排煙及制氧的余熱。

d)完善碳交易制度。通過進(jìn)一步完善碳交易制度，將富氧燃燒的節(jié)能降耗、碳減排和碳捕捉等降碳份額轉(zhuǎn)化為市場可交易的產(chǎn)品，進(jìn)一步推動(dòng)富氧燃燒技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。