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富氧燃燒系統(tǒng)



產(chǎn)品概述

       燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時(shí)發(fā)出光和熱的過程。
       富氧燃燒是指助燃用的氧化劑中的氧濃度高于空氣中的氧濃度（根據(jù)實(shí)際情況可采用局部富氧和整體富氧），直至純氧燃燒。
       富氧燃燒對(duì)所有燃料（包括氣體、液體和固體）和工業(yè)鍋爐均適用，既能提高劣質(zhì)燃料的應(yīng)用范圍，又能充分發(fā)揮優(yōu)良燃料的性能，廣義上講凡是用空氣參與反應(yīng)的均可用富氧代替。
       富氧燃燒技術(shù)是在現(xiàn)有空氣燃燒系統(tǒng)基礎(chǔ)上，以高于空氣氧氣含量的含氧氣體進(jìn)行燃燒的技術(shù)，是一種高效的節(jié)能燃燒技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)又稱為空氣分離/煙氣再循環(huán)技術(shù)或氧燃料燃燒技術(shù)。采用煙氣再循環(huán)的方式，使燃燒爐內(nèi)CO2濃度提高。O2與煙氣中CO2以一定比例混合，作為燃燒的氧化劑，使燃料燃燒可保持燃燒溫度，并得到與空氣燃燒方式一樣的熱能。


燃燒對(duì)比

       富氧燃燒與空氣燃燒對(duì)比
       ※ 氧氣比例
       富氧助燃技術(shù)因氮?dú)饬繙p少，空氣量及煙氣量均減少，火焰溫度和黑度隨著燃燒空氣中氧氣比例的增加而提高，進(jìn)而提高火焰輻射強(qiáng)度和強(qiáng)化輻射傳熱。
       ※ 燃燒安全
       用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導(dǎo)，同時(shí)由于溫度提高了，將有利于燃燒反應(yīng)完全。
       ※ 降低成本
       富氧燃燒減少燃燒后的煙氣量，減小窯爐體積。煙氣量減少，采用純氧燃燒時(shí)煙氣量減少近80%，可以采用體積較小的窯爐和輔助設(shè)備，減少能耗及工程造價(jià)。  


產(chǎn)品組成

富氧燃燒技術(shù)主要由3 個(gè)基本步驟組成：空氣分離、O2/ CO2 燃燒和煙氣壓縮與脫水。
       CO2 concentration: 95%
       SO2 removal by limestone: 40%-90%
       Thermal efficiency increase: 3%
       NOx reduction: 30%-70%
 
       CO2利用方式
       1、EOR Enhanced Oil Recovery  應(yīng)用較廣。
       2、BCBM Enhanced Coal Bed Methane  獲取不可開采的煤層中的天然氣。CBM應(yīng)用廣，而BCBM很少。
       3、Ocean Storage  海洋是一個(gè)自然的碳匯，存儲(chǔ)量巨大。但CO2深海儲(chǔ)藏的技術(shù)還未完全掌握。
       4、Deep Saline Aquifer  很有前景，儲(chǔ)量豐富，靠近CO2產(chǎn)生地。但目前還未見大規(guī)模工程示范。


研究熱點(diǎn)

熱傳遞評(píng)價(jià) 在相同絕熱火焰溫度情況下，輻射換熱增強(qiáng)，對(duì)流換熱減弱，需要對(duì)鍋爐部分改造或操作條件優(yōu)化，保證滿意的能量平衡。
焦炭燃盡率 高CO2氣氛下，char-CO2反應(yīng)。低溫下（如400℃-900℃，）可忽略，因其反應(yīng)速率遠(yuǎn)低于char-O2反應(yīng)；高溫下，碳粒邊界層存在明顯的CO產(chǎn)物。
著火特性與火焰穩(wěn)定性 微重力設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，保證煤粉均相布置，防止自然對(duì)流。CO2高熱容，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷鹧舆t，影響火焰穩(wěn)定性。
氣體排放控制 CO2，NOx，SO2，亞微米級(jí)飛灰顆粒，痕量元素。

氣體排放控制 CO2：試驗(yàn)室試驗(yàn)，煙氣中CO2濃度可達(dá)95%；中試試驗(yàn)，濃度為80%-92%。
NOx：NOx排放較空氣氣氛下減少2/3以上：熱力型NOx減少，循環(huán)煙氣中NOx的還原。
SO2：試驗(yàn)表明，排放量減少，濃度增大，S轉(zhuǎn)化率91%→64%。
亞微米級(jí)顆粒：難熔氧化物氣化，導(dǎo)致數(shù)量明顯增加；高濃度CO2改變氧化物中CO/CO2比例，影響氣化。
痕量元素：氣相中，汞、硒、砷含量較空氣下高。


研究進(jìn)展

       富氧燃燒的概念在1981年由Home和Steinburg提出，并得到實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證。研究表明常規(guī)鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旒纯刹捎么思夹g(shù)。
       隨著人們對(duì)全球氣候變化與溫室效應(yīng)的認(rèn)識(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用也得到了重視和發(fā)展。


應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)

       （1）燃燒效率高：鍋爐效率也提高了。
       （2）燃燒產(chǎn)物中CO2的含量將達(dá)到95%左右，回收的費(fèi)用更低。
       （3）在液化處理以CO2為主的煙氣時(shí)，SO2同時(shí)也被液化回收，可省去煙氣脫硫設(shè)備。
       （4）在O2/CO2的氣氛下，SOx、NOx的生成將會(huì)減少，如果再結(jié)合低NOx燃燒技術(shù)，則有可能不用或少用脫氮設(shè)備。
       （5）采用O2/CO2燃燒技術(shù)減少了煙氣量，簡化了煙氣處理系統(tǒng)。燃燒溫度可以由再循環(huán)的煙氣量來控制。


瓶頸問題

       （1）氧氣的生產(chǎn)設(shè)備以及CO2壓縮設(shè)備增加了電耗。
       （2）空氣分離產(chǎn)生的大量副產(chǎn)品氮?dú)膺€需要找到合適的處理利用途徑。
       （3）循環(huán)煙氣中CO2的比熱容較空氣高且水蒸汽的含量也高，使燃燒推遲，需要對(duì)燃燒器進(jìn)行改進(jìn)研究。
       （4）其他待研究的內(nèi)容（如灰渣、換熱、除塵）。
 

節(jié)能機(jī)理

       1、提高火焰溫度
       常規(guī)燃燒中的空氣中僅有21%的氧氣參與燃燒過程，而近79%的氮?dú)獠粌H不參與燃燒而且還嚴(yán)重阻礙燃燒的進(jìn)行。一是會(huì)嚴(yán)重阻礙燃料和氧氣分子之間的接觸碰撞的機(jī)會(huì)，使燃燒速率降低；二是氮?dú)膺€會(huì)在高溫的條件下與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)吸收大量的熱量并從燃燒反應(yīng)中吸收熱量，降低理論燃燒溫度，作為煙氣排出，造成能源浪費(fèi)。


城市煤氣理論火焰溫度與氧濃度關(guān)系圖

不同燃料及富氧率燃燒溫度估算對(duì)比
富氧率
%		 理論空氣需要量
Nm³/kg		 理論空氣生成量
Nm³/kg		 理論量熱計(jì)溫度
℃
標(biāo)準(zhǔn)空氣 5.573/4.472 6.046/5.166 2067/1935
23%富氧率 5.088/4.083 5.520/4.717 2264/2120
25%富氧率 4.681/3.757 5.079/4.340 2461/2304
27%富氧率 4.334/3.478 4.703/4.018 2658/2488

       2、加快燃燒速度，促進(jìn)煤粉燃燒完全
       同一種燃料在空氣和純氧中的燃燒速度相差甚大，如氫氣在空氣中的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾?80 cm/s，在純氧中則為1175cm/s，是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達(dá)10.7倍；釋放出同樣的熱量，燃燒速度快的燃料（如乙塊）其火焰小而密實(shí)，而燃燒速度慢的燃料（如天然氣）其火焰是大火焰層。燃燒燃燒速度加快的原因，基本上都是由于加入氧氣后火焰溫度得到了提高。
燃料種類 空氣（cm/s） 氧氣（cm/s）
氫氣 250-360 890-1190
天然氣 33-44 325-480
丙烷 40-47 360-400
丁烷 37-46 335-390
乙烷 110-180 950-1280

3、降低過量空氣系數(shù)，減少燃燒后煙氣量
       使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較，過量空氣系數(shù)α=1時(shí)，則煙氣體積減少20%，排煙熱損失也相應(yīng)減少而節(jié)能。
       煙氣量的減少會(huì)提高CO2、SO2、NOX等氣體的體積濃度，這就有利于它們的回收利用，減少它們對(duì)環(huán)境的污染。
富氧條件下排煙損失的變化
項(xiàng)目 正常大氣 富氧23% 富氧25% 富氧27% 富氧29% 富氧30%
排煙損失
q2 △q2		 7.1491
±0		 6.5994
-0.5497		 6.1377
-1.0114		 5.7444
-1.4047		 5.4054
-1.7437		 5.2528
-1.8963

4、降低燃料燃點(diǎn)溫度，燃盡時(shí)間降低
       燃料的燃點(diǎn)溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點(diǎn)溫度不是一個(gè)常數(shù)。
       幾種氣體燃料的燃點(diǎn)溫度 ℃
燃料 空氣（21% O2） 氧氣（100% O2）
氫氣 572 560
天然氣 632 556
丙烷 493 468
丁烷 408 283
一氧化碳 609 388
       如市政垃圾的燃點(diǎn)很高，普通空氣助燃下不易燃燒。將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒爐中，能收到可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。