富氧燃燒是一項高效節(jié)能的燃燒技術(shù)，不僅能提高燃料利用率，又能夠有效降低燃燒后各種排放物的有害程度。將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用在燃煤氣鍋爐中，可提高燃料的利用率，使有限的鋼廠煤氣轉(zhuǎn)化為更多的電能。同時，富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用，可以縮減企業(yè)投資成本。
1 富氧燃燒簡介
富氧燃燒的概念在 1981年由 Homne 和 Steinburg 首次提出，并得到美國阿貢國家實驗室的驗證。簡單來講，富氧燃燒是指采用含氧濃度比常規(guī)空氣（含氧21%）更高的富氧空氣或純氧作為助燃?xì)庑荩且豁椄咝Ч?jié)能的燃燒技術(shù)。鑒于我國能源利用量及污染物排放年年攀升，深入研究能源高效潔凈化利用，開發(fā)高效、潔凈的燃燒發(fā)電技術(shù)，是保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康快速發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的迫切需要。富氧燃燒不僅能提高燃料利用率，又能夠有效降低燃燒后各種排放物的有害程度，對于節(jié)能減排有很好的應(yīng)用前景。
與用普通空氣燃燒相比，富氧燃燒主要有以下優(yōu)點。
1）提高火焰溫度和黑度，降低燃料的燃點溫度，促進(jìn)燃燒完全。
2）降低過量空氣系數(shù)，減少燃燒后的煙氣量。
3）有效降低NO的生成量。
4）有效減少煙氣量，簡化了煙氣處理系統(tǒng)。
5）既適合新建鍋爐，又適合舊鍋爐的改造。
2 富氧燃燒在燃煤氣鍋爐中的應(yīng)用研究
近幾年，小容量高參數(shù)的煤氣發(fā)電項目在全國各地大小鋼廠中如雨后春筍般出現(xiàn)，煤氣發(fā)電本身就是對鋼廠在各生產(chǎn)工藝流程中的廢氣進(jìn)行回收利用，如果能將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃煤氣鍋爐，對于能源的再利用將起到錦上添花的效果。
2.1 富氧燃燒工沉下理論燃燒溫度的影響
輻射換熱是鍋爐換熱的主要方式之一，煙氣中起輻射作用的主要是三原子氣體，原子氣體幾乎沒有輻射能力。所以在常規(guī)空氣助燃的情況下，無輻射能力的氮氣所占比例很高，因此煙氣黑度較低，影響了煙氣對鍋爐受熱面的輻射換熱。如采用富氧空氣來助燃，煙氣中的氮氣份額大大除低、故火焰溫度和黑度會大幅提高。另外，富氧燃燒會提高火焰的燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得更好的傳熱效果，有利干點料反應(yīng)完全。
表1是燃煤氣鈉爐富氧燃燒改造的計算數(shù)據(jù)，可以看出隨著助燃空氣中含氧量的增加，理論燃燒溫度隨之升高;含氧量為30%空氣助燃時，理論燃燒溫度比常規(guī)空氣助燃時提高了211℃，但當(dāng)采用35%富氧空氣助燃時，由于煙氣再循環(huán)比例提高，導(dǎo)致理論燃燒溫度下降，表明助燃空氣中的含氧量并非越高越好，實際應(yīng)用中當(dāng)選取合理的富氧比例。
表1 空氣中含氧量與火焰溫度的關(guān)系
|
空氣含氧量/% |
理論燃燒溫度/℃ |
過量空氣系數(shù) |
煙氣再循環(huán)比例 |
|
21（常規(guī)空氣） |
1407 |
1.2 |
0% |
|
23 |
1518 |
1.2 |
0% |
|
25 |
1540 |
1.15 |
0% |
|
30 |
1618 |
1.1 |
5% |
|
35 |
1584 |
1.1 |
15% |
2.2 富氧燃燒工況下煙氣量的對比分析
眾所周知，鍋爐的各項熱損失中，占比最大的是排煙熱損失;尤其對于燃鋼廠煤氣的鍋爐，煙氣量大是煤氣鍋爐的顯著特點，因此如能降低鍋爐排煙量，便可大幅提高鍋爐熱效率。采用富氧空氣參與燃燒，由于空氣中氮氣占比大幅下降，同時理論空氣量也減少，因此可以有效降低煙氣量。表2是針對該鋼廠煤氣鍋爐的計算結(jié)果（煙氣再循環(huán)量見表1），數(shù)據(jù)表明隨著助燃空氣中含氧氣量的增加，單位燃料燃燒后的煙氣量不斷減少，并且煙氣中三原子氣體的比例在增加。在排煙溫度不變的情況下，排煙熱損失必然隨著煙氣量減少而降低，從而顯著提升鍋爐熱效率。對于新設(shè)計的富氧燃燒鍋爐，由于煙氣量大幅下降，受熱面的布置方面可以更加優(yōu)化，減少鍋爐設(shè)備鋼材使用量。
表2 燃燒產(chǎn)物與空氣中含氧量的關(guān)系
|
空氣含氧量/% |
H2O（%） |
N2（%） |
CO2（%） |
煙氣體積（m3/m3） |
|
21（常規(guī)空氣） |
6.7 |
66 |
25.5 |
1.744 |
|
23 |
7 |
64.3 |
27 |
1.643 |
|
25 |
7.4 |
62.7 |
28.7 |
1.546 |
|
30 |
8 |
59.7 |
31.6 |
1.405 |
|
35 |
8.4 |
57.4 |
33.5 |
1.325 |
2.3 過量空氣系數(shù)與鍋爐效率的關(guān)系
燃?xì)忮仩t運行中，過量空氣系數(shù)的選取非常重要，過量空氣少了會導(dǎo)致燃燒不完全，增加Q3熱損失;過量空氣多了會降低煙氣的輻射能力，受熱面的利用率降低，更為重要的是過量空氣的多少會直接影響鍋爐熱效率。本改造項目中，由于燃料主要是燃點較高的高爐煤氣，為保證燃燒完全，采用了較高的過量空氣系數(shù)。但當(dāng)采用富氧燃燒時，由于火焰溫度提高，燃料燃點在富氧條件下也有所降低，因此可以采用較低的過量空氣系數(shù)（見表1）。研究表明，過量空氣系數(shù)越低，鍋爐可利用熱量越高（見圖1）。所以在采用富氧燃燒的鍋爐中，取較低的過量空氣系數(shù)，既可以保證燃燒完全，又可以減少排煙熱損失，鍋爐效率明顯提高。
2.4富氧燃燒過程中氣體濃度的監(jiān)測
在工業(yè)過程中，企業(yè)對氧氣含量的監(jiān)測十分重視，一般會采用實時監(jiān)測的氣體濃度監(jiān)測設(shè)備防患于未然。在富氧燃燒工藝中的應(yīng)用氣體監(jiān)測設(shè)備的目的是主要為了提高燃燒效率節(jié)約成本，在煙氣排出口會安裝煙氣監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測排放氣體是否達(dá)到國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。氣體監(jiān)測設(shè)備對工業(yè)工藝具有很大的指導(dǎo)意義。
3 結(jié)語
從對該項目鋼廠煤氣爐的改造研究來看，采用富氧燃燒將有效提高鋼爐的熱效率，節(jié)約燃料消耗量，或者提高鍋爐蒸發(fā)量，從而提高燃料的利用率，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價值。如果在新建鍋爐項目中按采用富氧燃燒來設(shè)計，由于煙氣量大幅縮小，鍋爐受熱面的布置可以更加緊湊，將大大降低鋼材消耗。
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