1.簡介：

很多工業(yè)加熱過程都需要消耗大量能源，可通過提高助燃空氣中的氧氣含量來強(qiáng)化效果，稱之為富氧燃燒。如：純氧與空氣混合使用，或直接使用純氧替代空氣。

隨著技術(shù)的發(fā)展，富氧燃燒的應(yīng)用越來越廣泛。過去，使用富氧增加的成本往往高于收益，但隨著制氧技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)大大降低了氧氣分離的成本，這從經(jīng)濟(jì)性的角度增加了富氧的應(yīng)用場合。另使用富氧一個(gè)原因是環(huán)境問題的日益突出，在一些場合，富氧能夠大大減少污染物排放。

空氣助燃燃燒作為傳統(tǒng)燃燒技術(shù)幾乎用于所有的工業(yè)加熱過程，現(xiàn)在富氧正變得越來越普遍，當(dāng)常規(guī)燃燒改為富氧后，收益明顯，包括提高熱效率，增加作業(yè)率，減少煙氣量和污染物排放。很多工業(yè)過程使用純氧來替代部分或全部空氣，如金屬加熱和融化、玻璃融化、礦物燃燒等，Gas Research Institute列舉了適合富氧應(yīng)用的場合：

（1）需要較高煙氣溫度，尤其是超過1400K時(shí)；

（2）傳熱受限制而熱效率較低的場合；

（3）增加傳熱收益較大且不會(huì)影響加熱質(zhì)量的場合。

（4）煙氣較臟，NOx排放高，煙氣排放體積有限制的場合。

2.富氧方式

可富氧主要通過以下四種方式獲得：（1）空氣中直接混入氧氣；（2）氧氣噴入火焰中；（3）純氧替代空氣；（4）氧氣和空氣分開供入燒嘴。

2.1空氣富氧

如圖1所示，空氣中混入氧氣，通常稱為低富氧或預(yù)混富氧，很多回轉(zhuǎn)窯燃燒器可通過這種方式改造，氧氣注入來流空氣中，通常使用一個(gè)擴(kuò)散器來保證完全混合，這是一種經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)方式，同時(shí)能得到較高的收益。但是富氧會(huì)使火焰變短和集中，當(dāng)過多氧氣混入后，火焰會(huì)變得很短，較高的火焰溫度會(huì)燒壞燒嘴，并且空氣管道也需要改造以保證能夠使用。

圖1.空氣預(yù)混富氧

2.2氧氣插管

圖2是另外一種富氧的方式，和上面方法一樣，通常作為低富氧的途徑，但是氧氣插管和空氣預(yù)混富氧相比，有幾個(gè)優(yōu)勢：不會(huì)對現(xiàn)有的燒嘴進(jìn)行改動(dòng)，由于存在分級燃燒，NOx排放比于空氣富氧低，這對于降低NOx是一個(gè)很好的技術(shù)，依靠氧氣插管的位置，通過分級燃燒可以增加火焰長度，火焰加熱更均勻，在一定條件下，氧氣插管位于燒嘴與加熱工件之間，能使火焰掃向工件，從而提高加熱效率，因此，氧氣插管富氧方式燒壞燒嘴和耐材的可能性較小。氧氣插管對于現(xiàn)有系統(tǒng)的改造成本不高，僅僅是在爐墻上開一個(gè)小孔。其中一種典型的氧氣插管富氧方式是氧氣從火焰下方噴入，氧氣插管位于燒嘴和被加熱工件之間。空氣預(yù)混富氧方式是均勻地提高了火焰溫度，而氧氣從下方噴入會(huì)提高下部火焰的溫度，這樣可以集中熱量加熱下方的工件，雖然氧氣與空氣的混合不像前者那么均勻，但加熱效率更有效的提高可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，并且爐頂不會(huì)因?yàn)檫^熱而被燒壞。

圖2 氧氣插管富氧

2.3氧氣/燃料

圖3是第三種富氧方式，通常被稱之為純氧燃燒，通常情況下，氧氣和燃料在回轉(zhuǎn)窯燃燒器內(nèi)部是分開的，從燒嘴出口處才開始混合，產(chǎn)生擴(kuò)散火焰，燃料和氧氣不預(yù)先混合的原因是氧氣活性較高，存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。在這種方式中，一般使用高純度的氧氣（一般O2含量大于90%），而氧氣純度取決于制氧方式，純氧燃燒Z具潛力，同時(shí)成本Z高。

圖3 氧氣/燃料富氧

2.4.空氣-氧氣/燃料

第四種方式如圖4所示，空氣和氧氣分別供入燒嘴，通常稱之為空氣-氧氣/燃料燒嘴，這對于普通燒嘴的改造也比較容易，這種富氧方式有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與空氣預(yù)混富氧和氧氣插管相比，可以使用高濃度的富氧，投資成本低于純氧燃燒，使用過程中，可通過改變供入氧氣的量來控制火焰形狀和加熱特性。許多燒嘴設(shè)計(jì)時(shí)都可以使用雙燃料，如油氣兩用，將油槍替換為氧槍就可以改造成為空氣-氧氣/燃料燒嘴，改造成本不高。

圖4 空氣-氧氣/燃料富氧

2.5低純度氧氣

有些情況下，使用VSA或PSA制氧的成本比低溫制氧要低得多，單位氧氣的能耗也要低很多，但氧氣純度低，通常只有90-95%，與100%純氧相比，幾乎具有所有的優(yōu)勢，主要的問題是NOx排放較高，但可以大大降低成本。

3.富氧燃燒的益處

空氣中有21%的氧氣和79%的氮?dú)猓�其中只有氧氣參與燃燒，通過取消氮?dú)猓瑤�來的益處包括：熱效率，調(diào)節(jié)比，火焰穩(wěn)定性，減少煙氣量和污染物排放，以下逐一介紹。

3.1增加產(chǎn)量

對于高溫?zé)徇^程，火焰輻射是主要的傳熱方式，熱量輻射與溫度成四次方關(guān)系，富氧的火焰溫度更高，能夠有效提高火焰對工件的輻射加熱，通過增加加熱速率來提高單位時(shí)間的工件加熱量，因此，對于現(xiàn)有的系統(tǒng)，能夠加熱更多的坯料，對于新建系統(tǒng)，給定產(chǎn)量時(shí)爐子可以做得更小，這一點(diǎn)尤其重要，建造爐子需要的材料和能耗更少了。為了能充分利用增加的產(chǎn)能，后續(xù)工藝的處理能力也應(yīng)調(diào)整。

通過富氧對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造，與單純地?cái)U(kuò)大產(chǎn)能或使用其他新技術(shù)增加產(chǎn)量相比，成本要低得多，從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，這是富氧Z具吸引力的地方；富氧的另一個(gè)優(yōu)勢是它能滿足周期性增加產(chǎn)能的需求，例如夏天時(shí)對飲料消費(fèi)的增加會(huì)提高鋁制品的需求量，但冬天又會(huì)降低，這種短期或周期性的需求凸現(xiàn)了富氧的成本優(yōu)勢。

3.2提高熱效率

通過使用氧氣替代空氣，更多的熱量傳遞給了坯料，而不是被氮?dú)鈳ё撸�因此單位產(chǎn)量的能耗降低了，在有些應(yīng)用案例中，制氧成本可通過節(jié)約的燃料來彌補(bǔ)，如使用電加熱的過程成本較高，可使用富氧+燃料供熱來補(bǔ)充；有時(shí)候可以使用替代方式，如在玻璃行業(yè)，一般使用油或氣作為燃料，同時(shí)用電予以輔助加熱，這就可以通過富氧來替代成本較高的電耗。

使用富氧的主要原因是可以降低單位產(chǎn)品的燃料消耗，近些年隨著燃料成本的日益增加，而制氧成本在不斷降低，這就使得富氧燃燒技術(shù)更加具有吸引力。

3.3提高火焰性能

3.3.1更高的調(diào)節(jié)比

富氧能夠擴(kuò)大燃料的可燃極限，從而提高燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)比，火焰能夠在一個(gè)更寬的條件下存在，例如空氣/CH4的火焰存在的化學(xué)當(dāng)量比范圍為1.3-3.8，而O2/CH4火焰存在的化學(xué)當(dāng)量比為0.7-18.

3.3.2增加火焰穩(wěn)定性

富氧燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀�快，因此需要更高的氣體噴出速度來避免回火和熄火。Lewis和von Elbe定義了圓管內(nèi)的臨界速度梯度：g=4V/(π*R^3)，其中V是燃料和富氧氣混合后的體積流量，R是管半徑，回火時(shí)，V就是由于回火導(dǎo)致熄火的Z小體積流量，圓管中CH4的臨界速度梯度通過實(shí)驗(yàn)測量，在化學(xué)當(dāng)量比條件下，空氣和純氧的臨界速度梯度分別為2100S^-1和510000S^-1，這說明富氧可采用較高的氣體噴出速度而不**于熄火，更高的速度產(chǎn)生更穩(wěn)定的火焰，并且氣流受爐膛內(nèi)煙氣影響較小。

3.3.3更好的點(diǎn)火性能

富氧的另一個(gè)優(yōu)勢是可在較低的溫度下采用較少的能量點(diǎn)火，表明富氧的點(diǎn)火性能更好，但缺點(diǎn)是富氧系統(tǒng)容易被無意點(diǎn)燃，因此需要配備合理的預(yù)防措施。富氧的點(diǎn)火性能對于固體和液體燃料的系統(tǒng)而言尤其重要，因?yàn)楣桃喝剂媳葰怏w燃料難點(diǎn)燃。

3.3.4火焰形狀控制

對于現(xiàn)有的空氣/燃料系統(tǒng)，富氧可用于控制火焰形狀，例如預(yù)混的空氣富氧可用于縮短火焰長度，火焰下方氧槍噴射氧氣可增加火焰長度，控制火焰形狀可用來避免指定區(qū)域耐材的過燒，或改變爐膛內(nèi)的熱流和溫度分布。

3.4減少煙氣量

采用富氧可大大減少煙氣量，具有以下幾個(gè)益處：減小煙道尺寸，或者在同等煙氣量下增加產(chǎn)量，另一個(gè)好處是可以增加煙氣處理系統(tǒng)的效率，這是因?yàn)闊煔庵械奈廴疚餄舛仍黾恿耍�后處理設(shè)備的尺寸可以降低，節(jié)省了空間、材料、能耗和成本。由于富氧燃燒系統(tǒng)的的煙氣量減少，因此煙氣流速大大降低，較低的煙氣流速會(huì)降低粉塵的卷吸量，從而減少煙氣中顆粒物含量，另外，煙氣流速的降低意味著爐膛內(nèi)煙氣停留時(shí)間增加，這對于焚燒爐而言，增加煙氣停留時(shí)間能夠更好的分解有機(jī)物。

3.4提高加熱效率

對于富氧燃燒火焰能夠增加給坯料的傳熱速率還有一些爭議。對于不發(fā)光的火焰，由于富氧燃燒煙氣中CO2和H2O的含量高，因此火焰輻射率更高。

3.6降低成本

由于富氧強(qiáng)化了燃燒并且減少了煙氣量，爐膛和配套的設(shè)備尺寸都可以減小，從而降低建設(shè)成本和空間，富氧還能夠減少煙氣處理系統(tǒng)的成本。在某些案例中，由于富氧燃燒的煙氣量大大減少，煙氣流速降低，煙氣中卷吸的粉塵量減少，后續(xù)除塵的設(shè)備也可減少，如在玻璃行業(yè)中，色素用來給玻璃上色，采用富氧后每年可節(jié)約2萬美元，因?yàn)闊煔庵袔ё叩纳�素原料減少了。

3.7增加靈活性

富氧燃燒增加了爐子的靈活性，一方面能夠加熱更多規(guī)格的坯料，另一方面當(dāng)需要更高爐溫時(shí)也可采用富氧燃燒，例如生產(chǎn)陶瓷和耐材產(chǎn)品需要1900K以上的高溫，這對于空氣/燃料燃燒是很難達(dá)到的；另外富氧能夠使加熱系統(tǒng)迅速達(dá)到操作條件，例如富氧用于加熱爐時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速升溫和降溫。富氧燃燒由于加熱強(qiáng)度高，因此系統(tǒng)響應(yīng)速度快，便于控制生產(chǎn)節(jié)奏。

3.8提高操作性能

富氧能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，這在以下行業(yè)中得到證實(shí)：有色冶煉、玻璃、化學(xué)焚燒、搪瓷燒結(jié)、陶瓷、石灰窯等等。使用富氧燃燒后，火焰長度會(huì)縮短，對于有些熱過程，縮短火焰長度能夠強(qiáng)化局部加熱或適應(yīng)特定的爐膛形狀，同時(shí)能夠避免火焰直接沖刷耐材，但不合理使用富氧燃燒也會(huì)因?yàn)榫植繙囟冗^高而燒壞耐材。