富氧燃燒技術論文(2)
富氧燃燒技術論文
富氧燃燒技術論文篇二
富氧燃燒技術與污染物排放
富氧燃燒是一種新興的燃燒技術。富氧燃燒能夠顯著提高燃燒效率和火焰溫度，但由于制氧成本較高的問題，在上世紀80年代經歷黃金成長期之后，發展速度放緩。而后隨著制氧方法的進步，尤其是富氧膜技術的進展，富氧燃燒技術近20年來逐漸推廣。而且，富氧燃燒也便于在現有鍋爐設備上改造實現，具有可預期的良好發展前景。
與普通的空氣燃燒相比，富氧燃燒技術可以顯著節約能源，其對環境的影響方面也具有不同特點。其中既有有利的一面，也有不利的一面。本文主要從較為常見的碳排放、粉塵污染、二氧化硫和氮氧化物的排放四個方面來討論富氧燃燒對環境的影響。
1 富氧燃燒對碳排放的影響
在對CO2排放限制越發嚴苛的當代社會，節能減排是全社會關注的焦點。常規的燃燒方式都存在著不足之處，局部缺氧會產生不完全燃燒，火焰溫度偏低也會產生不完全燃燒，浪費燃料，而作為粉塵排放的未燃燒燃料也會造成大氣污染。
富氧燃燒針對缺氧區，局部增氧，可使燃料燃點降低，燃燒速度增快，燃料燃燒更徹底，而火焰溫度則會提高。根據維恩位移定律，輻射強度與溫度的四次方成正比，可使熱能的利用率大幅提升。
同時，富氧燃燒可以減少鼓風機進風量和高溫煙氣的排放量，可降低熱能損失。空氣中氧氣的含量占20.94%，而不助燃的氮氣占78.097%。在燃燒過程中，氮氣帶走了大量熱量，采用富氧燃燒后可減少進風量，即減少了熱能的流失，并且由于風量的下降，可以使用功率更小的風機。
假設燃料完全燃燒，空氣含氧量φ=21%，理論氧氣量為Vo，過量空氣系數a=1.2，實際空氣量為Va，則
Va=a
根據以上公式，設某工況理論氧氣量為1 m3/s，可列表1。
對某煤種燃燒的分析，當助燃空氣含氧率從21%升高至30%時，理論空氣量減少30.0%，理論煙氣量減少28.8%，損失減少16.3%。據介紹，日本將23%的富氧用于化鐵爐，節能高達26.7%;美國在鑄造爐上使用23%～24%的富氧，平均節能44%;國內的武漢鋼廠采用富氧，每年平均節省焦炭42萬噸。由此可見采用富氧燃燒的節能減排效果是很明顯的。
2 富氧燃燒對粉塵排放的影響
采用富氧燃燒后的一個主要變化是助燃氣體量的減少。對實際的燃燒設備來說，在確定的運行工況下，燃料消耗量一定時，提高助燃空氣中的氧氣體積比值，即使只有百分之幾，根據表1，燃燒所需的理論空氣量也會顯著減少。從除塵角度來說，在總塵量不變的情況下，由于空氣量的減少導致煙氣量減少，煙氣中粉塵濃度增大，有利于除塵收集，同時除塵設備的體積也可以相應減小。
實際上采用富氧燃燒后，由于燃料燃燒更加完全，減少了以粉塵形式排放的碳粒等除塵器難以收集的可吸入顆粒物，從源頭上大量減少粉塵的產生和排放。
3 富氧燃燒對二氧化硫排放的影響
我國的能源資源條件決定了以煤為主的能源消費結構，煤炭在能源、化工、冶金等行業消耗量巨大。但部分地區煤炭含硫量很高，據資料介紹，川渝兩地的莢蓉、松藻、達竹、南桐、華鎣山等礦區的含硫量在6%左右，重慶作為其煤炭的重要消費地，在20世紀80年代曾出現酸雨頻率達到80%，造成年損失5億的情況。
傳統燃燒技術會產生大量難以經濟回收的低濃度SO2煙氣，直接排到空氣中，會加劇酸雨污染。采用富氧強化燃燒，由于有效減少了煙氣量，可以提高煙氣中SO2濃度，有利于回收SO2。因此，從減少煙氣量和提高SO2濃度的角度來說，采用富氧燃燒是有益于環境的。
另一方面，對于燃用含硫燃料的普通鍋爐來說，采用富氧燃燒的節能量很大，如本文前面所述，大都在20%以上，因此減少含硫燃料的消耗量。由此可見，從減少燃燒含硫燃料的角度來講，采用富氧燃燒也是有益于環境的。
4 富氧燃燒對氮氧化物排放的影響
煙氣中的氮氧化物一般是指NO和NO2，統稱NOX。燃燒過程中產生的NOX可以和空氣中的水蒸氣反應形成酸雨，破壞環境。在居住區，環境中的NO2濃度即使很低(10～100ppb)，也會危害人體。《鍋爐大氣污染物排放標準 GBPB3-1999》也對鍋爐的NOX排放進行了限制。
對富氧燃燒而言，首先，由于其節能效果，在總體能源需求不變的條件下，燃料使用量會有明顯的減少，可以減少燃料型NOX的排放。其次，由于煙氣量中含氧量上升，含氮量會有明顯下降。設空氣中含氮量為78%，含氧21%，通過簡單的計算可得，富氧空氣氧含量為25%時，助燃空氣中的N2濃度下降至74%，降低5.1%;富氧空氣氧含量為29%時，助燃空氣中的N2濃度降至70%，降低10.2%。同時空氣總量減少，總N2會有大幅下降。從這個角度來看，含氧量的上升有利于減排NOX。
但另一方面，由于富氧燃燒的煙氣含氮氣量少，由其帶走的熱量少，燃燒充分而劇烈，火焰溫度會升高，如甲烷從空氣到純氧助燃，火焰溫度會從2223K提高到3053K。這會導致氧氣和氮的化合加劇，火焰中熱力型氮氧化物大量增加。據介紹，對于甲烷燃料來說，氧氣濃度30%時燃燒產生的NOX濃度是普通空氣燃燒的3倍，而氧氣濃度80%時產生的NOX濃度則為普通空氣燃燒的100倍，即使氧氣濃度達到99%時燃燒產物中的NOX濃度也是普通空氣燃燒的7倍，而即使不考慮過量空氣，煙氣量最多只能降低為普通空氣燃燒的1/4左右。因此從總體來看，采用富氧燃燒技術，排放的NOX總量是成倍增加的。
5 結論
采用富氧燃燒技術可以提高生產率和減少碳排放，有利于煙氣除塵和減少二氧化硫的排放，但會明顯增加NOX的排放。因此在推廣富氧燃燒技術的同時，需要深入研究富氧燃燒時氮氧化物的產生機理，尋找有效抑制措施，以達到經濟和環境的雙贏。
參考文獻
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作者簡介
郭穎智(1984—)，男，四川渠縣人，助教，研究方向：電站動力設備及運行。
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