鍋爐富氧燃燒技術(shù)及高溫燃燒技術(shù)的節(jié)能分析

高玉麗

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

社會的發(fā)展加大了人們對資源、能源的需求。燃燒是人們從能源中獲取能量的重要手段，但是在大量燃燒和利用各類資源、能源的過程中不可避免地產(chǎn)生了大量的溫室氣體和酸性氣體，嚴(yán)重危害了環(huán)境和人們的身體健康，不利于社會的穩(wěn)定發(fā)展。為此，在工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程加快的今天，怎樣在提升資源、能源利用率的同時又減少資源、能源燃燒所帶來的環(huán)境污染問題成為相關(guān)人員需要思考和解決的問題。

富氧燃燒技術(shù)是當(dāng)前常見的燃燒節(jié)能技術(shù)形式，將其應(yīng)用到工業(yè)鍋爐中不僅能夠降低燃料的燃點(diǎn)，提升燃料的燃燒速度，而且還能夠有效地提升鍋爐的熱效率，減少燃燒后的煙氣排放量。高溫燃燒技術(shù)在保證燃燒效率不降低的同時，還能有效提高總體燃燒熱強(qiáng)度，使采用這種燃燒方式的燃燒設(shè)備的尺寸比常規(guī)燃燒設(shè)備的尺寸小。從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。為此，文章結(jié)合實(shí)際情況就富氧燃燒技術(shù)和高溫燃燒技術(shù)在鍋爐中的應(yīng)用問題進(jìn)行探究。

1 鍋爐富氧燃燒技術(shù)的節(jié)能減排特性

1.1 原理

富氧燃燒技術(shù)的原理主要是指在空氣中氧氣含量較高的情況下，借助空氣中的高濃度氧氣來助燃。在富氧助燃的過程中，空氣中的氧氣分子往往會顯示出異?；钴S的狀態(tài)，從而能夠確保燃料分子與氧氣分子的接觸釋放出更多的熱量。

富氧燃燒技術(shù)在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)及熱能工程領(lǐng)域均有應(yīng)用。隨著氧氣制備技術(shù)日趨成熟，富氧燃燒技術(shù)也隨之發(fā)展很快，被人們廣泛地應(yīng)用到鍋爐中。鍋爐富氧燃燒技術(shù)主要是指通過富氧燃燒器將純氧引入到燃煤發(fā)電鍋爐的煤粉燃燒過程。

1.2 節(jié)能減排特性

（1）從理論上提升鍋爐的燃燒溫度。燃燒在本質(zhì)上是燃料和空氣中的氧氣進(jìn)行的一種發(fā)光發(fā)熱的氧化過程。氧氣濃度的增加和燃燒速率會表現(xiàn)出一種正相關(guān)的關(guān)系。因而在燃燒條件不發(fā)生變化的情況下，燃燒溫度和之前相比也會出現(xiàn)明顯的升高。

（2）強(qiáng)化鍋爐內(nèi)部的輻射換熱。熱傳遞的基本形式包含熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)，工業(yè)鍋爐燃燒的熱傳遞方式主要是熱輻射，在輻射理論的支持下，氣體的輻射力和氣體的黑度、溫度四次方成正比。在富氧燃燒的過程中煙氣中的某些氣體會不斷增加，伴隨而來的是較大的煙氣濃度和較高的火焰溫度。在這種情況下煙氣與熱媒之間的換熱強(qiáng)度增加，從而縮短了加熱時間或減少了爐內(nèi)換熱面積。

（3）降低過量空氣系數(shù)，減少煙氣排放量。應(yīng)用富氧替代空氣助燃能夠在一定程度上降低過量空氣系數(shù)，減少排煙體積。按照理論計(jì)算，空氣中伴隨著氧氣含量的增加，燃燒后產(chǎn)生的理論煙氣量就會減少，從而降低了排煙熱損失，使鍋爐燃燒的環(huán)保節(jié)能效果得到提升。

（4）降低機(jī)組煤炭資源的消耗。富氧燃燒技術(shù)借助高濃度的氧氣和燃料進(jìn)行混合燃燒，在燃燒的過程中會產(chǎn)生高溫火焰。在高溫火焰的作用下提前引燃富氧燃燒器內(nèi)部的一次風(fēng)煤粉，使得煤粉的噴射口始終處于著火燃燒的狀態(tài)，在燃料燃燒的過程中提前釋放熱量，降低爐膛內(nèi)部的溫度，并有效控制煙氣的排放，提升鍋爐的運(yùn)行效果。

2 鍋爐富氧燃燒技術(shù)的節(jié)能減排設(shè)計(jì)

2.1 富氧空氣的制造

鍋爐富氧空氣的制造常用方法有膜法富氧、分子篩變壓吸附、磁法富氧等。第一，膜法富氧。膜法富氧是當(dāng)前富氧空氣的主要制造方式，它的主要核心部件是富氧膜。膜法富氧設(shè)備主要是由空氣過濾裝置、鼓風(fēng)機(jī)、富氧膜、真空泵、水氣過濾裝置、平衡裝置、預(yù)熱循環(huán)裝置等構(gòu)成。第二，分子篩變壓吸附。分子篩變壓吸附是利用氧氣和氮?dú)馔ㄟ^分子篩速率不同，在低壓和常壓狀態(tài)下通過變壓技術(shù)提取空氣中的氧氣，從而得到富氧空氣。第三，磁法富氧技術(shù)。磁法富氧技術(shù)是利用氧氣分子和氮?dú)夥肿拥牟煌捻槾判院湍娲判?，使得兩種氣體分子經(jīng)過高磁磁場發(fā)生不同方向的偏轉(zhuǎn)從而得到富氧空氣和富氮空氣，排出富氮空氣，剩余的就是所需要的富氧空氣。

2.2 爐膛燃燒的節(jié)能設(shè)計(jì)

按照要求將正在燃燒的燃料帶入到爐膛內(nèi)部，在經(jīng)過一系列的熱量計(jì)算之后從焙溫表中查出理論意義上的燃燒溫度數(shù)值。按照以上的操作方式能夠計(jì)算出富氧燃燒時爐膛內(nèi)的溫度，對比之后發(fā)現(xiàn)富氧燃燒爐時爐膛內(nèi)的溫度要比常規(guī)情況下燃燒爐膛內(nèi)的溫度高，因此富氧燃燒情況下燃料燃燒的速度更快，爐膛內(nèi)輻射換熱量更高。在換熱量不變的情況下，可使燃燒設(shè)備的體積降低，減少了建設(shè)和運(yùn)行成本，體現(xiàn)了富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 爐膛后對流煙道的節(jié)能設(shè)計(jì)

富氧燃燒的火焰溫度高，排煙體積少，由此和常規(guī)燃燒相比，富氧燃燒過程中所產(chǎn)生的輻射換熱量所占比例要比對流換熱量所占比例高。針對這個問題，為了能夠減少燃燒過程中熱量的損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能化設(shè)計(jì)，需要將一部分的對流受熱面轉(zhuǎn)移到爐膛內(nèi)部。

3 鍋爐高溫燃燒技術(shù)的節(jié)能減排分析

高溫燃燒技術(shù)又稱高溫低氧燃燒技術(shù)，是通過蓄熱式換熱方式將空氣溫度預(yù)熱到800℃以上，使燃料在氧氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5%的非常規(guī)環(huán)境下燃燒。鍋爐高溫燃燒技術(shù)在應(yīng)用時著重強(qiáng)調(diào)的是將燃料放置在溫度比較高、氧氣濃度比較低的環(huán)境中進(jìn)行燃燒，而發(fā)生這種燃燒的兩種技術(shù)如下所示：①燃燒操作采取溫度效率較高的裝置，在這個裝置的作用下能夠顯著提升熱回收率。②通過應(yīng)用燃燒殆盡的產(chǎn)物來進(jìn)行更深入的燃燒反應(yīng)，獲取濃度為15%～3%的低氧氣氛。高溫燃燒技術(shù)在使用時有如下優(yōu)點(diǎn)：①在燃燒過程中火焰的體積大小會發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)為和之前相比體積大小呈現(xiàn)出不同程度的提升。同時，在燃燒的過程中各種燃料能夠?qū)崿F(xiàn)充分地燃燒。在氧氣濃度降低的情況下整個燃燒速率將會在一定程度上降低。②較低的氮氧化合物污染。從實(shí)際操作情況來看，高溫燃燒技術(shù)在具體應(yīng)用時不僅具備較高的蓄熱燃燒能力和較低的二氧化碳排放量，而且在低氧燃燒狀態(tài)下氮氧化合物的生成量也大大降低。氮氧化合物的總體生成速度和火焰的溫度、氧氣濃度、氮?dú)鉂舛鹊却嬖诿芮械年P(guān)聯(lián)，尤其深受火焰溫度的影響，火焰溫度越高氮氧化合物的生成速度就越低。另外，從反應(yīng)活化能的角度來看，在高溫空氣燃燒火焰體積增大的情況下，單位體積的火焰釋放能力也會降低，這在一定程度上抑制了氧原子和氮原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。③通過高溫燃燒技術(shù)來降低排煙溫度，在一定程度上節(jié)省了燃料，并在整個燃燒過程中減少了溫室氣體的排放。

4 鍋爐高溫燃燒技術(shù)應(yīng)用所獲得的節(jié)能效益

在上個世紀(jì)九十年代，高溫燃燒技術(shù)開始在日本冶金行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在時代發(fā)展的支持下，北京神霧熱能技術(shù)有限公司在近幾年一直致力于研究國內(nèi)冶金行業(yè)高溫燃燒技術(shù)的應(yīng)用。在這幾年的發(fā)展中，該公司打造了20多臺應(yīng)用蓄熱式燒嘴加熱爐。對于其他燃燒效率較低的加熱爐，在應(yīng)用高溫燃燒技術(shù)進(jìn)行加工改造之后，使得整個鍋爐的設(shè)計(jì)達(dá)到了理想的節(jié)能效果，在節(jié)省資源的同時也減少了對周圍環(huán)境的污染。在應(yīng)用高溫燃燒技術(shù)之后，不僅獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且也取得了良好的環(huán)保效益，使得燃料總量減少了25%左右。具體數(shù)據(jù)如下：邯鄲鋼鐵公司中板廠（推鋼爐，混合煤氣），改造前的耗能2.00GJ/噸鋼，改造后的耗能1.25GJ/噸鋼，節(jié)能37.5%；石家莊鋼鐵公司中型廠（推鋼爐，高爐煤氣），改造前的耗能3.53GJ/噸鋼，改造后的耗能1.59GJ/噸鋼，節(jié)能55%；南京鋼鐵公司中板廠（推鋼爐，混合煤氣），改造前的耗能1.9GJ/噸鋼，改造后的耗能1.2GJ/噸鋼，節(jié)能36.8%；武漢鋼鐵公司大型廠（推鋼爐，混合煤氣），改造前的耗能1.87GJ/噸鋼，改造后的耗能1.38GJ/噸鋼，節(jié)能26.2%。

5 結(jié) 語

綜上所述，日益短缺的化石燃料資源，以及燃燒化石燃料造成的大氣污染，已成為人們關(guān)注和憂慮的焦點(diǎn)。通過以上分析，富氧燃燒技術(shù)及高溫燃燒技術(shù)能夠取得可觀的節(jié)能效果。為此，在鍋爐使用的過程中需要相關(guān)人員結(jié)合富氧燃燒技術(shù)及高溫燃燒技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢，綜合思考怎樣借助這兩種技術(shù)形式來達(dá)到鍋爐的節(jié)能化使用，從而更好地促進(jìn)我國工業(yè)化發(fā)展。