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富氧 ( 纯氧) 燃烧器的研究现状及发展趋势
2012 年 1 月
HEAT TREATMENT OF METALS
Vol. 37 No. 1 January 2012
檴檴檴檴殜 综 述 富氧 ( 纯氧) 燃烧器的研究现状及发展趋势 张 雄，温 治，王乃帅，楼国锋
( 北京科技大学 热能工程系，北京 100083) 摘要 : 通过全混流反应器模型，对助燃剂中氧浓度对燃烧平衡状态下产物的成分、温度以及燃料点火特性的影响规律进行了分析， 结合国内外学者对燃料富氧燃烧机理的研究提出了燃料富氧燃烧的主要特点 。基于分析和计算得到的结论，对目前国内外典型的 富氧(纯氧) 燃烧器进行归类分析，提出了未来富氧(纯氧) 燃烧器的发展和主要研究方向，为富氧(纯氧) 燃烧器未来的研究和技术 开发提供参考。 关键词 : 富氧(纯氧) 燃烧 ; 燃烧器 ; 气体燃料 中图分类号 : TF055 文献标志码 : A 文章编号 : 0254-6051 (2012) 01-0112-07 Research status and development trend of oxygen-enriched burner ZHANG Xiong，WEN Zhi，WANG Nai-shuai，LOU Guo-feng ( Department of Thermal Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China) Abstract : Based on the continuous stirred tank reactor model and oxygen-enriched combustion experiment conducted by several workers in many courtries，the influence of oxygen concentration in feed gas on combustion products ingredients ，products temperature and ignition characteristics in equilibrium were summarized and analyzed，the characteristics of oxygen-enriched combustion were proposed．In addition， the typical structure of oxygen-enriched burner were introduced and classified．Finally，the tendency of oxygen-enriched burner development which can be used as guidance for future research was put forward． Key words : oxygen enhanced combustion ; burner ; gaseous fuel
富氧燃烧是将助燃剂中的氧气含量提高，通过减 少 N2 的含量来减少烟气带走的热损失、提高理论燃烧 温度、增加热设备的产量，并且可以通过富集烟气中的 CO2 来降低对其的捕集能耗。 富氧燃烧的研究始于 20 世 纪 30 年 代，至 70 ~ 80 年代由于石油等能源价格飞涨，富氧燃烧因为其温 度高、节能显著等特点得到了重视，并在玻璃炉窑、搪 瓷熔炉等设备上进行了利用并取得了良好的效果 [1] 。 20 世纪 90 年代以后，由于温室效应而唤起全球工业 对 CO2 气体减排的重视，使得富氧(纯氧) 燃烧技术重 新成为各国能源科学家研究的重点 。而富氧 ( 纯氧) 燃烧器是富氧燃烧技术能否成功应用的关键性设备， 不仅决定了燃料燃烧过程中的能源转化效率，而且对 炉膛内部的传质、传热等过程均有较大的影响。 本文首先分析了助燃剂中氧浓度变化对燃料燃烧 过程中的各参数的影响，总结出燃料富氧燃烧过程的 主要特点，然后基于这些特点对目前国内外比较典型 的富氧燃烧器进行归类分析，总结出其结构设计的一 般规律以及不足，为未来富氧(纯氧) 燃烧器的设计提 供了一定的思路。 1 理论基础 助燃剂中的氧浓度对燃料燃烧过程中的各基元反 应的平衡状态有较大的影响，其浓度的变化可以改变 产物中各成分的浓度及温度 ; 同时，助燃剂中氮气含量 的变化改变了燃料的可燃极限、火焰传播速度、吹熄速 度等关键参数 。本文利用经典的燃烧反应模型并结合 已有的富氧燃烧试验研究对燃料在富氧条件下燃烧的 主要特点进行了分析。 1. 1 产物成分和温度的变化规律 在燃烧化学反应过程中，各基元反应的平衡状态 与反应物的温度和压力等操作参数密切相关 。基于全 混流反应模型，分析了产物成分和产物的温度随助燃 剂中氧浓度的变化规律 。为了简化燃烧过程的计算， 以甲烷燃料的化学当量燃烧为研究对象，其燃烧化学 反应过程如下 :
收稿日期 : 2011-07-06 作者简介 : 张 雄(1987— ) ，男，内蒙古鄂尔多斯人，博士研究生，主要 从事模型研发工作 。联系电话 : 010-62332687，E-mail : xlaiqinghai@ 163．
CH4 + 2O2 + 2(
产物包括 CO、H、H2 、NO、O、OH 和 O2 。 产物的成分与反应物的温度、压力以及助燃剂中 的氧浓度等参数有关 。本文利用全混流反应模型来分 析燃料的燃烧反应过程，同时假设燃烧反应过程中压 力保持不变、停留时间 tR = ∞ ( 确保反应达到平衡) ， 如图 1 所示 。不考虑火焰对外界的散热，所以平衡温 度为燃料的理论燃烧温度。
图 1 CH4 在全混流反应器内燃烧反应的示意图 Fig．1 Sketch of combustion reaction for CH4 in continuous stirred tank reactor 图 2 为甲烷在全混流反应器中燃烧达到平衡状态 时，组分的体积分数和温度随助燃剂中氧浓度的变化规 律，该数据通过 HPFLAME．FOR 程序 [2] 计算得到，该程 序是基于最小吉布斯自由能对平衡状态进行计算。
图 2 较高(a) 和较低(b) 浓度组分的体积分数和 温度随助燃剂中氧浓度的变化 图 2 Higher ( a) and lower ( b) oxygen concentration in feed 由图 2 ( a) 可知，由于助燃剂中 N2 含量的减少，烟 气中 N2 的浓度也相应降低，产物中的 CO2 和 H2 O 的 浓度有了一定的升高 。 同时，随着氧浓度的增加，平衡 时的温度有很大程度的升高，当氧浓度达到 100% 时 甲烷的理论燃烧温度超过了 3000 K 。 甲烷的绝热燃 烧反应过程中，在较高的氧浓度范围 内有大量的 CO 生成 。从图 2 ( b) 可以看出 O、H 和 OH 3 种自由基的 浓度随氧浓度的增加而增加 ; 而 NO 的浓度为先增加 后降低，大约在氧浓度为 60% 左右达到最高点，其主 要是因为 NO 的生成受到氧浓度、氮气浓度和温度 3 个条件的耦合影响，该规律在实际的富氧燃烧器应用 中也得到了证实 [3] 。赵黛青等人 [4] 利用对冲火焰试验 对甲烷/ 富氧扩散火焰燃烧过程进行研究，认为随着氧 浓度的升高( 在低于 60% 的范围内) 蓝色火焰面宽度几 乎呈线性增加，这是引起 NO 生成量增加的主要原因。 Kuo-Kuang Wu 等 [5] 和 L．A．Kenedy 等 [6] 分别利用射流 燃烧和渗透燃烧研究了天然气 / 低富氧(21% ~ 30% ) 燃烧时炉膛内部温度、烟气中 NO 和 CO 浓度的变化， 烟气中 NO 浓度和炉膛温度随氧浓度增加几乎呈线性 增加，而 CO 浓度的变化不明显，该结论与图 2 中的趋 势基本吻合。 由此可知，燃料在富氧助燃的燃烧过程中由于燃 烧温度的升高会造成大量 H2 和 CO 等中间产物的生 成，但这些未燃烧成分可以在炉膛中进行二次燃烧，因 此通过合理的空气过剩量控制即可有效避免不完全燃 烧热损失 。但是，由于氧浓度和燃烧温度的提高会促 进热力型 NO 的生成，而且 NO 也不容易被分解，所以 控制 NO 的生成是富氧燃烧器设计所面临的一个重要 问题。 1．2 点火特性 燃料在富氧条件下的可燃极限、点火能量以及火 焰传播速度等参数是富氧 ( 纯氧) 燃烧器设计的基础 参数 。 国内外很多研究者已经通过理论和试验的方法 对 CH4 、H2 以及 CO 等常用的气体燃料的燃烧特性进 行了大量研究 。 由于助燃剂中氮气含量的减少会改变 燃料的可燃极限，在文献 [7] 中通过试验测定了 甲烷 燃烧反应中氧气浓度的上限和下限，为了分析方便将 其换算为 CH4 浓 度 的 上 下 限 ( 见 图 3 ( a) ) 。 由 图 3 ( a) 可知，CH4 的可燃浓度下限维持在 5% 左右，几乎 不随氧浓度发生改变，而可燃上限则从普通空气助燃 时的 14% 增加到了纯氧助燃时的 60% 左右 。IRVIN G [8] 通过试验研究给出了 H2 、CO、CH4 等燃料在空气 和纯氧中的可燃浓度极限，结果显示燃料在空气中的
大的增加。 同时，在文献 [2，7，9] 中对燃料的点火能量、火焰 传播速度以及火焰尺寸等参数随助燃剂中氧浓度的变 化进行了大量的理论和试验研究 。 图 3 ( b) 中的虚线 为火焰传播速度随氧浓度的变化，由于在富氧条件下 燃料的燃烧温度有很大程度的提高，燃料的火焰传播 速度随氧浓度的增加而增加 [7] 。 同时，由于燃料的点 火临界半径与火焰速度呈反比例的关系，而且点火临 界半径的大小直接决定着点火能量的大小，因此燃料 的点火能量随氧浓度的增加迅速减少 ( 如图 3 ( b) 中实 线所示) [9] 。其次，由于燃烧火焰传播速度的提高，燃 料燃烧的火焰长度发生了较大的变化，研究显示甲烷 / 纯氧燃烧时火焰长度只有甲烷 / 空气燃烧时火焰长度 的 1 /4 [2] 。
图 3 甲烷的可燃极限(a) 、火焰传播速度和 点火能量(b) 随氧浓度的变化 [7] Fig．3 Oxygen concentration vs flammable limits ( a) ， flame propagation velocity and Ignition energy ( b) [7] 通过上面的分析得到富氧燃烧有如下优点 : 燃料 的燃烧速度加快，可以大幅度提高燃烧器的功率和热 设备的生产率 ; 节约燃料的消耗量，由于富氧条件下燃 烧产生的烟气量减少，从而降低了排烟带走的热损失 ; 减少污染物的排放，一方面由于燃料消耗量的降低从 而减少了污染物生成，另一方面由于单位燃料的烟气 量减少以及烟气中污染物浓度的提高降低了污染物的 处理成本 ; 提高燃料的燃烧温度，从而增加了燃料的转 来一些问题 : 燃烧火焰温度过高，过高的火焰温度会引 起燃烧器喷嘴以及烧嘴砖的损坏，还会促进 NO 的生 成 ; 炉内气体流量的减少，炉内气体的质量流量减少会 造成炉内温度不均匀性增加，同时也降低了炉内的有 效换热速率 。 由此可知，合理的富氧(纯氧) 燃烧器的 设计一方面需要很好的利用富氧燃烧所带来的优点， 另一方面尽量的减弱或避免其所带来的问题。 2 国内外富氧(纯氧) 燃烧器的研究 根据目前的工业利用情况，可以将富氧燃烧分为 3 类 : 助燃剂中氧浓度在 21% ~ 30% 范围内称为低浓 度富氧 ; 氧浓度在 30% ~ 95% 为高浓度富氧 ; 而氧浓 度在 95% ~ 100% 则可近似的认为是纯氧燃烧 。富氧 燃烧器与纯氧燃烧器最大的不同是富氧燃烧过程需要 着重考虑 NOx 的生成而纯氧燃烧器一般不需要，因此本 文将富氧燃烧器和纯氧燃烧器分开进行介绍分析。 2．1 富氧燃烧器 由上述分析可知，燃料在富氧条件下燃烧，在燃烧 火焰温度增加的同时也促进了 NO 的生成，这也成为 了富氧燃烧器设计需要重点考虑的问题。 早期的富氧燃烧器多应用于玻璃炉窑，以实现较 高的火焰温度来满足玻璃的冶炼，其主要是通过在烧 嘴下面增加氧枪进行纯氧的喷吹，从而在火焰下方实 现了高温的火焰面来满足对熔融玻璃的加热 ( 如图 4 所示) [7] 。该设置只需在普通燃烧器下面加一个喷氧 枪，其结构简单易于实现，但是氮氧化物的生成和助燃 剂量的难于控制是这种射氧的富氧燃烧方式所面临的 最大问题。
图 4 氧气喷射富氧燃烧器示意图 Fig．4 Scheme of O2 lancing in oxygen-enriched burner 为了更好地实现燃烧的组织和火焰面的控制，研 究人员将纯氧和空气通过同一个燃烧器分别供入炉膛 进行燃烧，如图 5 所示 。 图 5 ( a) 为美国 APC 公司最 早设计的一类 Z0 型富氧燃烧器，其将燃料分为两部分 且与纯氧和空气呈交错供入，形成两个明显的火焰前 沿(纯氧助燃的火焰前沿和空气助燃的火焰前沿) 。
燃烧，但是 NOx 的生成量比较高 [10] 。在此基础上 Air Liquide 公司设计出了 Pyretron 型燃烧器 ( 图 5 ( b) ) ， 它取消了中间的燃料喷口，该设计在火焰内部形成了 富燃料区，在这个区域内燃料发生热解生成大量的大 分子烃类化合物，在增加火焰光亮度的同时也降低了 火焰温度 。该设计不仅大大减少了 NOx 的生成，而且 强化了火焰与加热物体之间的辐射热流，是目前应用 较为广泛的一种富氧燃烧器结构设计 [11] 。
图 5 空气和氧气分别供入的富氧燃烧器 [11] Fig．5 Oxygen-enriched burner with air and [11] oxygen injected separately 同时，为了实现大量的炉气回流来降低 NOx 的生 成，法液空公司设计了高速射流的非对称富氧燃烧器， 如图 6 所示 [12] 。该燃烧器设计中，燃料由中间的喷口 喷入(50 ~ 100 m / s) 、氧气从下面较小的喷口高速喷 入(300 ~ 500 m / s) 、空气则从上面的一排喷口喷入。 由于氧气的喷射速度非常高，因此将燃料向下卷吸后 与氧气进行一次燃烧反应，随后未燃尽的燃料与空气 混合进行燃烧 。 同时，会有大量的炉气从两侧卷吸到 火焰中，从而增加了火焰的体积并降低了燃烧火焰温 度 。该燃烧器与前面讲到的氧枪喷射富氧燃烧器有类 似的结构，但氧气和空气的分开喷射更有利于调节炉 内温度分布。
图 6 非对称的射流富氧燃烧器 [12]
为了在实现燃料稳定燃烧的同时，也可以通过大 烧器的基础上通过进一步的试验改进得到了 Z4 型富 氧燃烧器，如图 7 所示 [3] 。该燃烧器的设计主要有两 大特点 : 将氧气分级供入，一次氧气从燃料喷口的周围 供入以维持连续的火焰前沿以防止出现不稳定燃烧， 二次氧气则从空气喷口中间的两个小孔喷入 ; 两个空 气喷口采用眉形设计，在上下留下了足够的空间利于 炉气的回流 。该设计在降低 NOx 生成的同时，也很大 程度上提高了炉温的均匀性，可在工业加热炉等热工 设备上广泛使用。
图 7 氧气分级的富氧燃烧器 [3]
另一种比较典型的富氧燃烧器是将氧气和空气混 合后与燃料进行反应，这里介绍一种利用引射原理来 实现空气和氧气充分混合的富氧燃烧器，如图 8 所示 为美国燃烧研究中心开发的一个富氧燃烧器，其中大 部分的空气是利用氧气的引射作用后与氧气充分混 合，也有一小部分的空气是通过燃料的引射作用进入 燃烧器 [13] 。 同时，在燃料通道内部设有导流叶片以实 现旋流燃烧 。该设计中，一方面通过引射作用将氧气 和空气充分混合实现了稳定燃烧，另一方面利用旋流 降低了 NOx 的生成。
图 8 引射式富氧燃烧器 [13]
综上所述，在目前较为典型的富氧燃烧器设计中， 一般通过两种方式来降低 NOx 的生成 : 一是利用合理 的设计在燃料喷嘴处形成富燃料区燃烧，从而通过增 加火焰亮度来降低火焰的温度 ; 二是利用助燃剂分级、 高速射流以及旋流等方法，形成大量的烟气回流来降 低 NOx 的排放。 2．2 纯氧燃烧器 燃料在纯氧燃烧条件下燃烧得到的火焰温度非常
少而引起炉膛内部出现局部高温的现象是纯氧燃烧器 设计所面临的两个重要问题 。本文通过对大量的纯氧 燃烧器专利和产品的了解，将目前已有的纯氧燃烧器 分为以下几种类型进行介绍。 2．2．1 带冷却装置的纯氧燃烧器 为了防止喷嘴的过烧现象，很多设计者对喷嘴处 采用了冷却的方式来降低其温度 。 目前对喷嘴采用的 冷却方式主要有两种 : 一种是利用循环冷却水对喷嘴 进行冷却 ; 另一种是通过对助燃剂的流动进行组织来 实现对喷嘴的自冷却 。 图 9 为一个典型的带水冷的纯 氧燃烧器结构图，在氧气和燃料的喷嘴内部设有冷却 水通道 [14] 。 同 时，该燃烧器采用了氧气从中间管喷 入、燃料从周围环形喷口喷入的方式也促进了燃料和 氧气的混合，有利于形成刚性的火焰，但是冷却水带走 的大量热损失是该类纯氧燃烧器需要面对的问题。
图 9 带水冷的 TEXACO 型纯氧燃烧器 [14]
自冷却式纯氧燃烧器根据其设计理念也大概可以 分为两类 : 一种是通过导流叶片或导流喷嘴形成旋流 来起到冷却作用，图 10 ( a) 为一个典型的旋流式纯氧 燃烧器，在燃料的喷嘴处设置叶片产生旋流对其进行 冷却 [15] 。而图 10 ( b) 所描述的是一个直流式自冷却 型的纯氧燃烧器，通过设置较长的燃料喷嘴一方面延 缓燃料与氧气的混合，另一方面有利于氧气对喷嘴的 冷却，试验证明当燃料速度和氧气速度比在 2 ~ 4 之间 时喷嘴的温度低于 400 ℃ [16] 。研究显示，自冷式纯氧 燃烧器的设计不仅可以有效地降低喷嘴的温度，而且 具有结构简单以及热效率高等特点。 2．2．2 氧气分级的纯氧燃烧器 助燃剂的分级供入在普通空气助燃的燃烧器上有 广泛的使用，其主要是通过卷吸大量的炉气来降低火 焰温度从而减少了 NOx 的生成，在纯氧燃烧器设计中 也使用到了这种理念 。 图 11 是 Praxair“A”型纯氧燃 烧器的结构图，在上世纪 80 年代在工业加热炉上有很
图 10 自冷式纯氧燃烧器 ( a) 旋流式 [15] ; ( b) 直流式 [16] Fig．10 Oxy-fuel burner with self-cooled design ( a) swirl type [15] ; ( b) DC type [16]
图 11 Praxair“A”型纯氧燃烧器 [17] Fig．11 Praxair “A”oxy-fuel burner [17] 分氧气(约 5% ~ 8% ) 从燃料喷口周围的环缝供入，主 要是为了形成连续稳定的火焰前沿 ; 另一部分氧气从 周围的较小的喷嘴高速喷入，在卷吸了大量的炉气后 与燃料在离喷口 Y 距离处混合燃烧 。该燃烧器组织 的燃烧过程没有明显的火焰面，接近无焰燃烧 。钮龙 英在 Praxair“A”型的基础上设计了一个类似的纯氧燃 烧器(如图 12 所示) ，该设计中一次氧气和二次氧气 均与一个大的氧气腔相连，通过控制喷口的直径来控 制氧气分级的比例 [18] 。这一类型的纯氧燃烧器主要 是利用回流炉气来稀释氧气来达到降低火焰温度的效 果，其具有结构简单、炉膛内传热特性好等优点，是一 种经典的纯氧燃烧器设计思路。 美国 Air Liquide 公司开发出了同轴射流氧气分级 纯氧燃烧器，从内到外依次通入一次氧气、燃料和二次 氧气，如图 13 所示 [19] 。在该设计中，可以通过改变一 次氧气的量来灵活调节火焰的长度，从而可以在不同 的热负荷和不同的燃料种类的条件下实现类似的火焰 特性 。该燃烧器可以实现较大范围的火焰结构调整，
图 12 宝钢公司的氧气分级纯氧燃烧器 [18]
图 13 同轴射流氧气分级纯氧燃烧器 [19] Fig．13 Concentric pipe oxy-fuel burner with oxygen staged [19] 2．2．3 带烟气回流的纯氧燃烧器 在对已有的燃烧系统从普通空气燃烧改造为纯氧 燃烧的过程中，需要利用燃烧器将大量的烟气 ( 炉气) 回流来达到与普通空气燃烧相类似的火焰特性，从而 避免了对设备大范围的改造 。 目前，烟气回流的方式 主要有外部烟气回流和内部烟气回流两种 。其中，外 部烟气回流是将高温烟气经过余热回收冷却后重新通 过燃烧器回到炉内进行组织燃烧的方法 。 图 14 ( a) 为 一个典型的外部烟气回流的纯氧燃烧器结构，其中回 流烟气从最外层的管道进入预燃室，在预燃室中与燃 料和氧气充分混合后进入主燃烧室进行燃烧反应 [20] 。 该燃烧器主要应用在对普通空气助燃的燃烧设备进行 纯氧 燃 烧 改 造 上，可实现类似于普通燃烧时 的 火 焰 特性。 内部烟气循环主要是利用燃烧器的结构卷吸大量 的炉气参与燃烧，从而起到降低火焰温度、增加炉温均 匀度的目的 。 图 14 ( b) 所描述的是一个带内部烟气回 流的纯氧燃烧器结构图，燃料从中间的喷口喷入，而氧 气通道则设计为类似文丘里管的缩放结构，在其喉部 形成低压以实现对大量炉气的卷吸 [21] 。然而，对回流 炉气量及其温度的控制是该纯氧燃烧器设计所面临的 最大问题。 经过本文的分析可知，目前的纯氧燃烧器的设计 中主要通过冷却来降低喷嘴温度或采用烟气回流来降 低燃烧火焰温度的方法，来避免炉内的局部高温现象。
图 14 外部烟气回流 [20] 和内部烟气回流 [21] 的纯氧燃烧器 Fig．14 Oxy-fuel burner with external flue gas
富氧燃烧的优点为代价来弥补其带来的高温集中、炉 内气体流动变缓等问题 。 因此，最大化的实现富氧燃 烧技术所带来的优势仍然是今后富氧 ( 纯氧) 燃烧器 设计的核心目的。 3 发展趋势及展望 在过去的几十年内，很多的学者通过采用烟气回 流、分级燃烧、高速射流以及水冷却等方法来解决由于 富氧而带来的 NOx 排放增加、烧嘴过热以及炉内温度 分布不均匀等问题 。本文主要针对气体燃料的富氧 ( 纯氧) 燃烧技术和燃烧器进行了分析，并对其未来的 发展趋势归纳如下 : 1) 外部烟气回流的富氧(纯氧) 燃烧器依然是今 后的研究重点 。 由于目前的燃烧系统绝大多数是使用 常规空气助燃，使用外部烟气回流的富氧(纯氧) 燃烧 器设计可以避免对燃烧系统进行大范围的改造。 2) 利用富氧助燃降低燃料点火温度和点火能量的 特点，开发富氧(纯氧) 无焰燃烧器，不仅能实现炉内温 度的均匀分布，还可以降低 NOx 等污染物的生成。 3) 带自冷却的富氧(纯氧) 燃烧器由于其结构简 单，热效率高等特点将受到越来越多的重视。 参考文献 : [1] 张 霞，童莉葛，王 立，等．富氧燃烧技术的应用现状分析 [J] ． 冶金能源，2007，26 ( 6) : 41-44． [2 ] Stephen edition． An Introduction to Combustion Concepts and Application [M] ．北京 : 清华大学出版，2009． [3] Charles E B．Method and pparatus for reducing NOx production during air-oxygen-fuel combustion : US，5871343 [P] ．1999-02-16． [4] 赵黛青，杨浩林，鲁冠军． 甲烷 / 富氧扩散火焰燃烧区域的分层特 性研究 [J] ．工程热物理学报，2006，27 : 131-135．
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