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富氧燃燒技術研究現狀及發展前景

2013年2月10日  

    摘 要:當前鍋爐富氧燃燒技術正在逐步發展,其應用的規模和范圍正在不斷擴大,本文討論了氧燃燒技術的背景及意義,富氧燃燒可顯著減少助燃空氣量、煙氣生成量,顯著節約能源,且有利于減少和控制SO2 、CO2 的排放,同時闡述了富氧燃燒技術的理論基礎以及應用,并詳細介紹了國內外膜法制氧技術和富氧燃燒技術的發展歷程及現狀,最后對富氧燃燒技術的未來進行了展望,指出富氧燃燒技術在節能及環保方面將有廣闊的前景。
    關鍵詞: 富氧燃燒; 應用; 節能;研究; 現狀; 發展
    1 富氧燃燒技術背景及意義
    富氧燃燒(也稱為O2 /CO2 燃燒)利用空氣分離獲得的純氧和一部分鍋爐排氣構成的混合氣代替空氣做礦物燃料燃燒時的氧化劑,這種燃燒方式可以使煙氣CO2 的濃度高達85%以上,可不必分離而將大部分的煙氣直接液化回收處理,有利于CO2 的回收,可以有效減少溫室氣體的排放,此外富氧燃燒還可以有效減少NOX 和SO2等污染物的排放,是一項高效節能的燃燒方式。為了使燃料充分燃燒, 一般工業燃燒裝置中的燃料都應該在富氧燃燒工況下進行。燃燒是目前人類獲取能量的一個最主要的手段,通過燃燒礦物燃料所獲取的能量占世界總能量消耗的百分之九十以上。因此,燃燒過程組織得合理與否在很大程度上影響到能源的利用程度和能耗的降低。煤在富氧狀態下燃燒,燃燒溫度大大提高,可強化爐內傳熱,提高生產率;隨著助燃空氣中氧氣含量的增加,助燃空氣量顯著減少,空氣量的減少導致煙氣量的減少,排煙熱損失也就大大減少,提高了熱效率,節約了能源。對富氧燃燒的工業應用而言,不同的應用就有不同的節能效果。
    2 富氧燃燒技術理論基礎
    燃燒是由于燃料中可燃分子與氧分子之間發生高能碰撞而引起的,所以氧的供給情況決定了燃燒過程完成得是否充分。用比通常空氣(含氧21% )含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒,稱為富氧燃燒(oxygen enriched combustion) ,簡稱OEC。它是一項高效節能的燃燒技術,在玻璃工業、冶金工業及熱能工程領域均有應用。富氧燃燒與用普通空氣燃燒相比有以下優點:
    2. 1 充分燃燒,合理燃燒
    常規的燃燒過程都存在著不足之處,局部缺氧。產生不完全燃燒,火焰溫度偏低也會產生不完全燃燒,可燃物質變成煙塵排掉,浪費能源,造成大氣污染。富氧燃燒針對缺氧區,局部增氧,使燃燒充分,火焰溫度提高,輻射強度大幅提升,從而使熱能的利用率大幅提升。 例如:1、鍋爐前后拱是缺氧區,前后拱上部是鍋爐水管吸熱區,富氧噴嘴在缺氧區注入富氧,不僅可以充分燃燒,同時可以拉高火焰,提高火焰的溫度,在吸熱區再次形成高溫,增強熱輻射。2、在隧道窯爐中富氧噴射在噴油槍的下方,在中下部缺氧區形成高溫層,有利于被加熱的產品獲得熱能,可燃物質被充分燃燒。總之,可以根據不同窯爐的燃燒要求,優選到最佳方案。
    2. 2 氧濃度提高,火焰溫度上升,熱效率大幅度提高
    富氧可以使火焰溫度提高,燃燒反應過程穩定。火焰溫度與節能效率密切相關,火焰溫度提高,促進整個燃燒體(爐膛)溫度上升。受熱物質主要靠熱輻射獲得熱能,輻射強度與溫度的四次方成正比,爐膛溫度上升雖不大,但熱輻射強度大幅提升,受熱物質更容易獲得熱量,熱效率大幅提高。
    2. 3 降低燃料的燃點溫度和減少燃盡時間
    燃料的燃點溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點溫度不是一個常數,如CO 在空氣中為609℃,在純氧中僅388 ℃,所以用富氧助燃能提高火焰強度、增加釋放熱量等。表2為幾種燃料在空氣和氧氣中的燃點。可見,加入氧氣將有助于降低燃料的燃點溫度。比如:市政垃圾的燃點很高,普通空氣助燃下不易燃燒。日本三菱公司將富氧燃燒技術應用于垃圾焚燒爐中,收到了可觀的經濟和環保效益。
    2. 4 降低過量空氣系數,減少燃燒后的煙氣量
    用富氧代替空氣助燃,可適當降低過量空氣系數,減少排煙體積。用鍋爐反平衡效率法計算鍋爐效率時,我們會發現鍋爐的排煙損失占鍋爐熱損失的很大比例,特別是在普通空氣助燃的情況下,占助燃空氣近4 /5體積的氮氣并沒參加燃燒反應,并且在燃燒過程中被同時加熱,帶走大量的熱量。若使用氧濃度為21%的常規空氣,按理論空氣量燃燒的煙氣量作為1計算時,隨著含氧量的增加,煙氣量有減少的傾向。使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較,過量空氣系數α = 1時,則煙氣體積減少20% ,排煙熱損失也相應減少而節能。
    3 膜法富氧燃燒技術的研究和應用
    3. 1 國外情況
    早在上世紀80年代初,許多發達國家都投入了大量人力物力來研究膜法富氧技術,特別是日本,其通產省就資助組織了7家公司和研究所組成“膜法富氧燃燒技術研究組”。由于能源緊張,日本先后有近20家公司推出膜法富氧裝置。該國曾在以氣、油、煤燃燒的不同場合進行了各種富氧應用試驗,得出如下結論: 用23%的富氧助燃可節能10% ~25%;用25%的富氧助燃可節能20% ~40% , 用27%的富氧助燃則節能高達30% ~50%等。聯邦德國在一座馬蹄型蓄熱爐上用27%的富氧試驗,使熔化率增加了56. 2%,能耗下降20% ,而熔化溫度提高了100 ℃。瑞典、英國、德國在滾軋和鋁熔爐裝置上采用膜法富氧濃度25%~27%,節約燃料12%~28% ,而原設備生產率提高17% ~39%。美國WOLVER INE銅冶煉廠,采用29%的膜法富氧節約燃料可大于30%。此外,前蘇聯、英國、法國、捷克等均有膜法富氧用于助燃的報道。值得一提的是國外絕大部分用的是整體增氧來助燃,所以投資非常大,故國外還沒有廣泛推廣應用。
    3. 2 國內情況
    我國在上世紀80年代中期開始研究此項技術,并取得了可喜的成果。國內在這方面的研究也有十多家,如清華大學、東北大學、中科院大化所、中科院廣州能源所、遼寧省鍋爐技術研究所等單位對膜法制氧及富氧燃燒技術都進行了積極的探索與應用。中科院大連化物所自1986年起一直從事國家“七五”和“八五”科技攻關項目:卷式富氧膜、組件、裝置及其應用和開發的研究,并且研制成功LTV -PS富氧膜。1990年“用于玻璃窯爐的高分子膜富氧裝置及燃燒技術”的成果又通過了中國科學院和北京市人民政府組織的聯合鑒定,被確定為國家“八五”新技術重點推廣項目。遼寧省鍋爐技術研究所對國內外相關領域也進行了廣泛的探討和調研。2004 年引進國外先進的制氧技術,設計生產出富氧助燃設備系統,并與丹東某玻璃器皿廠合作,對兩臺玻璃缸窯爐改造取得了成功并通過政府有關部門驗收。大慶開發區三春節能技術有限公司開發推廣鍋爐富氧助燃裝置走在國內前列, 2005年獲得國家科技型中小企業技術創新基金資助。2004年至2006年為黑龍江華潤酒精公司6臺45 t/h拋煤機蒸汽鍋爐配置了富氧助燃裝置,取得良好效果。在局部富氧濃度29%情況下,節能6. 37% ,煙氣黑度由原來的林格曼5級降到林格曼2級,滿足該地區的環保要求。2007年以來,該公司先后在大慶石油管理局物業集團八百晌供熱管理處的29MW熱水鍋爐,安徽氯堿化工集團4臺35 t/h拋煤機蒸汽鍋爐上應用此項技術,均獲得滿意效果。吉林大學2007年完成國家科技型中小企業技術創新基金資助項目《鍋爐增氧助燃燃燒實驗與理論研究》。設計及研制出鍋爐富氧助燃燃燒實驗臺,在實驗臺進行了一系列富氧助燃的熱工特性及燃燒特性實驗。其試驗研究表明富氧助燃技術能夠加快燃燒速度、促進燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的煙氣量,節省能源,具有實用性。吉林大學建立了富氧助燃燃燒的數學模型,采用計算機進行理論計算及模擬分析,為富氧助燃技術研究奠定了基礎。此項目的實驗及理論研究對實際鍋爐富氧助燃裝置的設計及改進具有重要意義。
    4 富氧燃燒技術的應用
    1、產品前景好的企業。在節能的同時又可以提高產品質量,提高產品的優質品率,增強市場的競爭力。
    2、在城市、市鎮人口稠密的地區企業,使用富氧燃燒既可以節能,又可以根治燃燒煙塵保護環境,兩全其美。甚至可以避免大量的技改或搬遷投資。
    3、燃油、燃煤的能耗大戶,如熱電廠、工業鍋爐油田鍋爐、煤氣發生爐、陶瓷墻地磚燃燒爐、鋼錠加熱爐、水泥窯爐等使用富氧燃燒技術既節能又增產,效益明顯。廢氣排放達到國家標準,既去掉企業法人心中負擔,又造福人類;城市垃圾焚燒,富氧燃燒使垃圾著火點下降,火焰溫度升高,減少耗煤量。
    4、有需要生產和使用氮氣的企業。國內很多企業生產中需要氮氣。采用我公司制取氮氣的方法,在得到氮氣的同時,分離出富氧用于燃燒。氮氣在濃度可以達到95-99.9%,經過凈化后可以達到99.9995%,露點達到-40℃— -70℃。采用我公司的工藝,不僅得到的氮氣不要成本(富氧燃燒每年產生的節能效益是裝置投資的2-3倍),而且可以實現富氧燃燒,節省能源,保護環境。該裝置使用壽命十年以上,一套設備兩種用途,投資少,效益高。
    5、使用壓縮空氣的企業。把壓縮空氣中的氧氣分離出來用于燃燒,而壓縮空氣分離掉氧氣后,壓力不降低,純度更加好,提高了使用質量。因有了氣源,富氧燃燒裝置投資大幅下降,裝置運轉成本接近零消耗。
    6、高原地區更需要富氧空氣,海拔高空氣中的氧含量降低,工業窯爐在低氧情況下,無法正常工作,燃燒不充分,浪費燃料,產生環境污染嚴重,富氧技術可以解決上述問題。
    7、需要在室內提高氧濃度用于呼吸的場所,如氧吧、醫院和高原地區的機場、賓館、列車上及人口較密集的建筑物內。生化發酵,養殖業等都需要富氧。
   
    5.結語
    采用富氧燃燒可提高生產率和節能,還有利于減少和控制SO2 ,CO2 的排放,但會明顯增加NOX 的排放。因此,為了推廣煤的富氧潔凈燃燒技術,需要深入研究。煤富氧燃燒時SO2 ,NOX 的產生機理,特別是低硫煤富氧燃燒爐內脫硫脫硝的基礎研究,尋找有效控制富氧燃燒SO2 , NOX 排放措施,以獲得節能與環保的雙重效益。富氧燃燒技術同時還存在一些問題,主要是氧氣的制備和煙氣中CO2 的回收所需費用比較高,如何降低氧氣制備和CO2 回收處理技術的成本和能耗是其面臨的主要技術挑戰。
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