第 34 卷

第 1 期

有  色  冶  金  设  计  与  研  究

2013 年 2     月

富氧燃烧技术的研究与探讨

刘 彬，熊小辉

(徐州燃控科技股份有限公司，江苏徐州  221004)

〔摘  要〕简要介绍了富氧燃烧的节能机理及富氧的制备方法 ,对现有富氧燃烧技术进行了分类 ,并分别 阐述了各类富氧燃烧的技术特点和富氧燃烧技术的经济效应 。

〔关键词〕富氧燃烧；纯氧燃烧；节能

中图分类号：TF058       文献标识码：A       文章编号：1004-4345(2013)01-0021-03

Research and Discussion on Technology of Oxygen Enriched Combustion LIU Bin, XIONG Xiao-hui

(Xuzhou Combustion Control Tech. Co., Ltd., Xuzhou, Jiangsu  221004, China)

Abstract  The paper briefly introduces mechanism of oxygen enriched combustion for energy saving and method of oxygen enriched preparation, classifies the existing technology of oxygen enriched combustion, and describes technical characteristic of oxygen enriched combustion and economic benefit of technology of oxygen enriched combustion.

Keywords   oxygen enriched combustion; pure oxygen combustion; energy saving

0   概况

经济和社会的发展以及人民生活水平的提高离 不开能源，但国际能源供应日趋紧张，能源价格日益 高涨 。因此许多国家都投入了大量的人力物力研究 富氧燃烧技术，并将其应用于工业炉窑，以达到节能 的目的。上世纪 80 年代中期，欧美等发达国家先后有 多家公司进行富氧燃烧技术的研究和应用实验，均 得出了节能、增产、提高品质、减少烟尘排放及延长 炉龄的结论。因此，富氧燃烧技术被广泛应用在各种 工业锅炉、加热炉、冶炼炉、玻璃窑炉上。

1   富氧燃烧技术原理

富氧燃烧是指助燃空气中的氧气含量超过常规 值的燃烧过程，助燃空气中的氧气含量可以从 22%直 至使用纯氧助燃。

1. 1 富氧燃烧技术的节能机理

空气中氧气的体积含量约为 21%，氮气及极少量 的惰性气体的体积含量约为 79%，在燃烧过程中，真 正参与燃烧反应的只有约占空气体积 21%的氧气， 而占空气体积 79%的氮气和惰性气体不但不能助 燃，还会在燃烧过程中带走大量的热量，所以严重制 约了工业炉窑的热效率 。在工业炉窑中使用富氧燃 烧技术后，不参与燃烧反应的氮气量大大减小，因此 由氮气带走的热损失也大大减小，节省了加热部分氮 气所需的燃料量，还将从根本上改善炉膛内部燃料的 分布及燃烧状态。

1. 2 富氧燃烧技术的特点

富氧燃烧可以增强燃料燃烧强度，加快燃料燃尽 速度，增强炉内辐射热，减少烟气排放量，降低排烟热损 失，提高热效率，降低燃料消耗量，具有明显的节能环 保效益。随着氧气浓度的增加，烟气排放量、排烟热损 失均不断降低，而热效率、炉内辐射热在不断提高，因 此富氧燃烧的节能效率明显提高，如图 1 所示。

收稿日期： 2012- 11- 19

作者简介： 刘   彬(1973—),男,主要从事燃烧设备设计等工作。

图 1 富氧浓度与节能率曲线

2   富氧的制备方法

传统的富氧制备方法有深冷分离法和变压吸附(PSA) 法，但这两种方法设备投资费用较大，能耗及运行成本较 高。近些年来设备简单、运行成本较低的膜分离法逐渐兴 起，但膜分离法制备的富氧、氧气浓度较低 。因此可根据 实际需求和各种富氧制备方法的特点(如表 1)来选择最适 合的富氧制备方法。

表 1 富氧制备方法的特点比较

3   富氧燃烧技术分类

根据富氧浓度的不同，可将富氧燃烧技术分为 以 下 两类： 1)普通富氧燃烧。助燃氧浓度 22%~90%， 包括单通道富氧燃烧和双通道富氧燃烧 。2)纯氧燃 烧 。助燃氧浓度＞90%，可分为水冷法纯氧燃烧和纯 氧卷吸燃烧。

3. 1 单通道富氧燃烧技术

单通道富氧燃烧器的富氧助燃空气，来源于富氧 膜气体分离技术产生的低纯度(氧浓度 25%~40%)富 氧空气，或深冷分离法、变压吸附(PSA)法制取的高 纯度氧气(90%~99.9%)与空气混合后的富氧空气。单 通道富氧燃烧器的富氧空气从一个特定的通道喷 出，富氧空气与燃料在燃烧器前端混合并被点燃，形 成稳定的高温燃烧火焰。单通道富氧燃烧器具有结 构简单、投资成本低、辐射热高、有利于物料加热、热 损失小、节能率高的优点，但由于富氧空气从单一的 通道进入炉膛，容易造成富氧空气与燃料混合不均匀， 导致火焰局部温度较高，产生炉内热斑，缩短炉内耐 火材料寿命。

3. 2 双通道富氧燃烧技术

与单通道富氧燃烧技术不同，双通道富氧燃烧技 术的富氧助燃空气从不同的通道通过燃烧器进入炉 膛助燃 。燃料也分级供给，分贫、富两股燃料进入炉 膛，分级燃烧。双通道富氧燃烧器不仅具有单通道燃

烧器的优点， 而且由于进行分级燃烧，呈贫、富燃料 火焰，降低了火焰边沿温度， 燃烧器达到了自身冷却 的效果， 燃烧器喷口无需水冷保护。

3. 3 纯氧燃烧技术

在工业生产中，如果某些特定的工业炉窑需要较 高的辐射热来加热或融化物料，就可以考虑采用纯氧 助燃， 即采用纯氧燃烧技术。这是因为热的传递是通 过辐射、传导和对流三种方式进行的，辐射热占工业 炉窑总热量的 80%~90%，而辐射热和火焰黑度成正 比 。当采用纯氧助燃时，火焰黑度大大提高(见图 2)， 显著增加辐射热和热传递效率，从而达到节能的效果。

图 2 火焰黑度和氧浓度的关系

纯氧燃烧技术也存在一些需要解决的问题，采 用纯氧助燃后，燃烧加剧， 燃烧速度加快，辐射热增 强，使燃烧器喷口处温度较高，因此燃烧器喷口易烧 损。为了解决这个问题，一般可采用水冷法纯氧燃烧 技术和纯氧卷吸燃烧技术。

1)水冷法纯氧燃烧技术。水冷法纯氧燃烧技术就 是在设计燃烧器时设置水冷夹套，对燃烧器进行强制冷

却 。这样可大幅降低燃烧器喷口处温度，防止燃烧器 喷口烧损、变形，延长燃烧器的寿命。

2)纯氧卷吸燃烧技术 。纯氧卷吸燃烧技术以高 速卷吸理念为设计依据，通过氧气高速射流卷吸炉内 烟气， 降低火焰温度，使燃烧器喷口处温度降低，不 需采用强制冷却措施。烟气再循环率 R与炉内温度曲 线见图 3。

图 3 烟气再循环率 R 与炉内温度曲线

纯氧卷吸燃烧以 5%~15%的氧气与燃料以较低 速度从烧嘴轴线进入， 85%~95%的氧气从周围圆周 均布的小孔高速喷出，卷吸炉内烟气，降低火焰温度。 纯氧卷吸燃烧技术的火焰温度可控制在 1 500℃以 内，对炉内耐火材料要求大大降低;燃烧器可自身冷 却，无需任何冷却措施;辐射热高，热损失小，有利于

物料加热，增加产能;后续烟气回收系统设备投资减 小，生产成本降低。纯氧卷吸燃烧流场数值仿真模拟 见图 4。

图 4 纯氧卷吸燃烧流场数值仿真模拟

4   结语

随着科技的不断发展和人们对环保，节能的日益 重视，富氧燃烧技术在工业生产中必将起到越来越重 要的作用。富氧燃烧技术在节约能源的同时，极大的 减少了烟气和污染物的排放，做到低碳、低 NOX  气 体排放，并且简化了烟气处理系统的设备，减少了系 统设备的投资费用。随着富氧燃烧技术的不断发展与 成熟，其必然成为工业企业节能、降耗、减排的重要 手段。

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