富氧燃烧技术与污染物排放

富氧燃烧是一种新兴的燃烧技术。富氧燃烧能够显著提高燃烧效率和火焰温度，但由于制氧成本较高的问题，在上世纪80年代经历黄金成长期之后，发展速度放缓。而后随着制氧方法的进步，尤其是富氧膜技术的进展，富氧燃烧技术近20年来逐渐推广。而且，富氧燃烧也便于在现有锅炉设备上改造实现，具有可预期的良好发展前景。

与普通的空气燃烧相比，富氧燃烧技术可以显著节约能源，其对环境的影响方面也具有不同特点。其中既有有利的一面，也有不利的一面。本文主要从较为常见的碳排放、粉尘污染、二氧化硫和氮氧化物的排放四个方面来讨论富氧燃烧对环境的影响。

1 富氧燃烧对碳排放的影响

在对CO2排放限制越发严苛的当代社会，节能减排是全社会关注的焦点。常规的燃烧方式都存在着不足之处，局部缺氧会产生不完全燃烧，火焰温度偏低也会产生不完全燃烧，浪费燃料，而作为粉尘排放的未燃烧燃料也会造成大气污染。

富氧燃烧针对缺氧区，局部增氧，可使燃料燃点降低，燃烧速度增快，燃料燃烧更彻底，而火焰温度则会提高。根据维恩位移定律，辐射强度与温度的四次方成正比，可使热能的利用率大幅提升。

同时，富氧燃烧可以减少鼓风机进风量和高温烟气的排放量，可降低热能损失。空气中氧气的含量占20.94%，而不助燃的氮气占78.097%。在燃烧过程中，氮气带走了大量热量，采用富氧燃烧后可减少进风量，即减少了热能的流失，并且由于风量的下降，可以使用功率更小的风机。

假设燃料完全燃烧，空气含氧量φ=21%，理论氧气量为Vo，过量空气系数a=1.2，实际空气量为Va，则

Va=a

根据以上公式，设某工况理论氧气量为1 m3/s，可列表1。

对某煤种燃烧的分析，当助燃空气含氧率从21%升高至30%时，理论空气量减少30.0%，理论烟气量减少28.8%，损失减少16.3%。据介绍，日本将23%的富氧用于化铁炉，节能高达26.7%；美国在铸造炉上使用23%～24%的富氧，平均节能44%；国内的武汉钢厂采用富氧，每年平均节省焦炭42万吨。由此可见采用富氧燃烧的节能减排效果是很明显的。

2 富氧燃烧对粉尘排放的影响

采用富氧燃烧后的一个主要变化是助燃气体量的减少。对实际的燃烧设备来说，在确定的运行工况下，燃料消耗量一定时，提高助燃空气中的氧气体积比值，即使只有百分之几，根据表1，燃烧所需的理论空气量也会显著减少。从除尘角度来说，在总尘量不变的情况下，由于空气量的减少导致烟气量减少，烟气中粉尘浓度增大，有利于除尘收集，同时除尘设备的体积也可以相应减小。

实际上采用富氧燃烧后，由于燃料燃烧更加完全，减少了以粉尘形式排放的碳粒等除尘器难以收集的可吸入颗粒物，从源头上大量减少粉尘的产生和排放。

3 富氧燃烧对二氧化硫排放的影响

我国的能源资源条件决定了以煤为主的能源消费结构，煤炭在能源、化工、冶金等行业消耗量巨大。但部分地区煤炭含硫量很高，据资料介绍，川渝两地的荚蓉、松藻、达竹、南桐、华蓥山等矿区的含硫量在6%左右，重庆作为其煤炭的重要消费地，在20世纪80年代曾出现酸雨频率达到80%，造成年损失5亿的情况。

传统燃烧技术会产生大量难以经济回收的低浓度SO2烟气，直接排到空气中，会加剧酸雨污染。采用富氧强化燃烧，由于有效减少了烟气量，可以提高烟气中SO2浓度，有利于回收SO2。因此，从减少烟气量和提高SO2浓度的角度来说，采用富氧燃烧是有益于环境的。

另一方面，对于燃用含硫燃料的普通锅炉来说，采用富氧燃烧的节能量很大，如本文前面所述，大都在20%以上，因此减少含硫燃料的消耗量。由此可见，从减少燃烧含硫燃料的角度来讲，采用富氧燃烧也是有益于环境的。

4 富氧燃烧对氮氧化物排放的影响

烟气中的氮氧化物一般是指NO和NO2，统称NOX。燃烧过程中产生的NOX可以和空气中的水蒸气反应形成酸雨，破坏环境。在居住区，环境中的NO2浓度即使很低（10～100ppb），也会危害人体。《锅炉大气污染物排放标准 GBPB3-1999》也对锅炉的NOX排放进行了限制。

对富氧燃烧而言，首先，由于其节能效果，在总体能源需求不变的条件下，燃料使用量会有明显的减少，可以减少燃料型NOX的排放。其次，由于烟气量中含氧量上升，含氮量会有明显下降。设空气中含氮量为78%，含氧21%，通过简单的计算可得，富氧空气氧含量为25%时，助燃空气中的N2浓度下降至74%，降低5.1%；富氧空气氧含量为29%时，助燃空气中的N2浓度降至70%，降低10.2%。同时空气总量减少，总N2会有大幅下降。从这个角度来看，含氧量的上升有利于减排NOX。

但另一方面，由于富氧燃烧的烟气含氮气量少，由其带走的热量少，燃烧充分而剧烈，火焰温度会升高，如甲烷从空气到纯氧助燃，火焰温度会从2223K提高到3053K。这会导致氧气和氮的化合加剧，火焰中热力型氮氧化物大量增加。据介绍，对于甲烷燃料来说，氧气浓度30%时燃烧产生的NOX浓度是普通空气燃烧的3倍，而氧气浓度80%时产生的NOX浓度则为普通空气燃烧的100倍，即使氧气浓度达到99%时燃烧产物中的NOX浓度也是普通空气燃烧的7倍，而即使不考虑过量空气，烟气量最多只能降低为普通空气燃烧的1/4左右。因此从总体来看，采用富氧燃烧技术，排放的NOX总量是成倍增加的。

5 结论

采用富氧燃烧技术可以提高生产率和减少碳排放，有利于烟气除尘和减少二氧化硫的排放，但会明显增加NOX的排放。因此在推广富氧燃烧技术的同时，需要深入研究富氧燃烧时氮氧化物的产生机理，寻找有效抑制措施，以达到经济和环境的双赢。

参考文献

[1]沈光林.膜法富氧的应用进展[J].现代化工,1997,12:10-12.

[2]黄飞,林向东.富氧燃烧分析[J].电力情报,1999,3:43-44.

[3]刘庆才,陈淑荣.富氧燃烧的主要环境影响因素概述[J].节能与环保，2004,5:26-28.

[4]胡周海,冯良.富氧燃烧及其热力学特性[J].工业炉,2009,3:9-14.

[5]朱光俊,梁中渝.煤富氧燃烧对节能与环境的影响分析[J].工业加热,2005,4:11-13.

作者简介

郭颖智（1984—），男，四川渠县人，助教，研究方向：电站动力设备及运行。

推荐访问:污染物排放 燃烧 技术