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富氧燃燒系統(tǒng)

產品概述

燃燒是空氣中的氧參與燃料氧化并同時發(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（根據實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，既能提高劣質燃料的應用范圍，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的均可用富氧代替。
富氧燃燒技術是在現(xiàn)有空氣燃燒系統(tǒng)基礎上，以高于空氣氧氣含量的含氧氣體進行燃燒的技術，是一種高效的節(jié)能燃燒技術。富氧燃燒技術又稱為空氣分離/煙氣再循環(huán)技術或氧燃料燃燒技術。采用煙氣再循環(huán)的方式，使燃燒爐內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。

燃燒對比

富氧燃燒與空氣燃燒對比
※ 氧氣比例
富氧助燃技術因氮氣量減少，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，進而提高火焰輻射強度和強化輻射傳熱。
※ 燃燒安全
用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導，同時由于溫度提高了，將有利于燃燒反應完全。
※ 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，采用純氧燃燒時煙氣量減少近80%，可以采用體積較小的窯爐和輔助設備，減少能耗及工程造價。

產品組成

富氧燃燒技術主要由3 個基本步驟組成：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應用廣，而BCBM很少。
3、Ocean Storage 海洋是一個自然的碳匯，存儲量巨大。但CO2深海儲藏的技術還未完全掌握。
4、Deep Saline Aquifer 很有前景，儲量豐富，靠近CO2產生地。但目前還未見大規(guī)模工程示范。

研究熱點

熱傳遞評價	在相同絕熱火焰溫度情況下，輻射換熱增強，對流換熱減弱，需要對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。低溫下（如400℃-900℃，）可忽略，因其反應速率遠低于char-O2反應；高溫下，碳粒邊界層存在明顯的CO產物。
著火特性與火焰穩(wěn)定性	微重力設備中進行試驗，保證煤粉均相布置，防止自然對流。CO2高熱容，導致火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，著火延遲，影響火焰穩(wěn)定性。
氣體排放控制	CO2，NOx，SO2，亞微米級飛灰顆粒，痕量元素。

氣體排放控制	CO2：試驗室試驗，煙氣中CO2濃度可達95%；中試試驗，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：試驗表明，排放量減少，濃度增大，S轉化率91%→64%。
	亞微米級顆粒：難熔氧化物氣化，導致數量明顯增加；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。

研究進展

富氧燃燒的概念在1981年由Home和Steinburg提出，并得到實驗室的驗證。研究表明常規(guī)鍋爐進行適當的改造即可采用此技術。
隨著人們對全球氣候變化與溫室效應的認識，這項技術的研究與應用也得到了重視和發(fā)展。

應用與優(yōu)勢

（1）燃燒效率高：鍋爐效率也提高了。
（2）燃燒產物中CO2的含量將達到95%左右，回收的費用更低。
（3）在液化處理以CO2為主的煙氣時，SO2同時也被液化回收，可省去煙氣脫硫設備。
（4）在O2/CO2的氣氛下，SOx、NOx的生成將會減少，如果再結合低NOx燃燒技術，則有可能不用或少用脫氮設備。
（5）采用O2/CO2燃燒技術減少了煙氣量，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）氧氣的生產設備以及CO2壓縮設備增加了電耗。
（2）空氣分離產生的大量副產品氮氣還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，需要對燃燒器進行改進研究。
（4）其他待研究的內容（如灰渣、換熱、除塵）。

節(jié)能機理

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%的氮氣不僅不參與燃燒而且還嚴重阻礙燃燒的進行。一是會嚴重阻礙燃料和氧氣分子之間的接觸碰撞的機會，使燃燒速率降低；二是氮氣還會在高溫的條件下與氧氣發(fā)生化合反應吸收大量的熱量并從燃燒反應中吸收熱量，降低理論燃燒溫度，作為煙氣排出，造成能源浪費。

城市煤氣理論火焰溫度與氧濃度關系圖

不同燃料及富氧率燃燒溫度估算對比

富氧率 %	理論空氣需要量 Nm³/kg	理論空氣生成量 Nm³/kg	理論量熱計溫度 ℃
標準空氣	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，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，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α=1時，則煙氣體積減少20%，排煙熱損失也相應減少而節(jié)能。
煙氣量的減少會提高CO2、SO2、NOX等氣體的體積濃度，這就有利于它們的回收利用，減少它們對環(huán)境的污染。
富氧條件下排煙損失的變化

項目	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、降低燃料燃點溫度，燃盡時間降低
燃料的燃點溫度隨燃燒條件變化而變化。燃料的燃點溫度不是一個常數。
幾種氣體燃料的燃點溫度 ℃

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

如市政垃圾的燃點很高，普通空氣助燃下不易燃燒。將富氧燃燒技術應用于垃圾焚燒爐中，能收到可觀的經濟和環(huán)保效益。

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