1.簡介

很多工業(yè)加熱過程都需要消耗大量能源，一般通過燃燒碳?xì)淙剂希ㄈ缬?、天然氣）獲得，大部分燃燒過程使用空氣作為助燃劑，在一些情況下，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；

（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，同時能得到較高的收益。但是富氧會使火焰變短和集中，當(dāng)過多氧氣混入后，火焰會變得很短，較高的火焰溫度會燒壞燒嘴，并且空氣管道也需要改造以保證能夠安全使用。

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，和上面第一種方法一樣，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，有幾個優(yōu)勢：不會對現(xiàn)有的燒嘴進(jìn)行改動，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

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。第一種空氣預(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)這個缺點(diǎn)，并且爐頂不會因為過熱而被燒壞。

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，氧氣和燃料在燒嘴內(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。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，純氧燃燒最具潛力，同時成本最高。

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)計時都可以使用雙燃料，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)?，其中只有氧氣參與燃燒，通過取消氮?dú)?，帶來的益處包括：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，與單純地擴(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)驗來看，這是富氧最具吸引力的地方；富氧的另一個優(yōu)勢是它能滿足周期性增加產(chǎn)能的需求，例如夏天時對飲料消費(fèi)的增加會提高鋁制品的需求量，但冬天又會降低，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?，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欤虼诵枰叩臍怏w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，V就是由于回火導(dǎo)致熄火的最小體積流量，圓管中CH4的臨界速度梯度通過實驗測量，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至于熄火，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，因為固液燃料比氣體燃料難點(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，另一個好處是可以增加煙氣處理系統(tǒng)的效率，這是因為煙氣中的污染物濃度增加了，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)煙氣停留時間增加，這對于焚燒爐而言，增加煙氣停留時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，因為煙氣中帶走的色素原料減少了。

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：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，同時能夠避免火焰直接沖刷耐材，但不合理使用富氧燃燒也會因為局部溫度過高而燒壞耐材。

4潛在的問題

當(dāng)富氧燃燒系統(tǒng)設(shè)計不合理時，由于局部高溫，也有潛在的問題。

4.1耐材損壞

4.1.1過熱

如前所述，富氧燃燒會大大增加火焰溫度，因此如果分配不合理，局部火焰輻射會損壞耐材，目前富氧燒嘴的設(shè)計需要考慮均勻分配熱量以避免燒嘴附件的耐材被燒壞，燒嘴連同燒嘴磚一起安裝在爐墻上，燒嘴磚一般都使用牌號較高的耐材。如果燒嘴位置和燃燒速率選擇不合理，耐材就容易被燒壞，例如當(dāng)富氧火焰直接沖刷耐材時，大部分耐材很快就會被燒壞，這可以通過合理布置設(shè)計和布置燒嘴來避免，火焰長度也需要考慮。

4.2.2侵蝕

富氧另一個潛在的問題是會增加易揮發(fā)成分的濃度，例如在玻璃行業(yè)，玻璃生產(chǎn)過程會產(chǎn)生帶腐蝕性的易揮發(fā)成分，使用富氧后，這些成分的濃度增加了，就更容易引起耐材的腐蝕。

4.2不均勻加熱

富氧燃燒強(qiáng)度增加了，會改變傳熱特性。由于火焰溫度升高，火焰輻射熱流增加，如果輻射傳熱集中在局部，就會在坯料上出現(xiàn)過熱點(diǎn)，這會導(dǎo)致過燒，目前的富氧燒嘴設(shè)計都會規(guī)避這個問題。另外，由于富氧燃燒的煙氣量減少了，煙氣對流換熱量降低，但它的另一個重要問題是影響傳質(zhì)，有些熱過程需要使揮發(fā)分揮發(fā)，煙氣量的減少就會影響傳質(zhì)，要解決這個問題，這可以通過增加噴嘴來加強(qiáng)煙氣循環(huán)。

4.3火焰干擾

近些年，富氧燒嘴有往低動量火焰設(shè)計的趨勢，低動量火焰更長、更亮，但問題是更容易受氣流干擾，其中一個例子是當(dāng)?shù)蛣恿炕鹧婧透邉恿炕鹧嫱瑫r用于一個爐子時，低動量火焰很容易受高動量火焰的影響，尤其是高動量火焰布置在它的對面時，另外當(dāng)?shù)蛣恿炕鹧鏌煳挥跔t尾時，也容易受到來流煙氣的影響，要解決這個問題，應(yīng)該從合理布置燒嘴、合理選擇燒嘴火焰動量和燒嘴操作條件等方面考慮。

4.4增加污染物排放

4.4.1NOx

富氧增加了火焰溫度，可能會帶來NOx的升高。

4.4.2噪音

如前所述，富氧燃燒需要較高的氣流噴射速度，這就會帶來噪音，以前的富氧燒嘴在在敞開空間燃燒時噪音巨大，當(dāng)燒嘴置于燃燒室內(nèi)時，噪音被爐墻包裹住，并且雖然氣流速度高，但氣流量較小，這也能夠減緩一部分噪音，近些年，低動量富氧燒嘴的噪音已比常規(guī)燒嘴噪音低。

4.5回火

由于氧氣活性更高，富氧燒嘴存在回火的風(fēng)險，回火是由于氣流速度低于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰前端會向燒嘴?nèi)移動，火焰會在燒嘴內(nèi)燃燒，隨著氧氣濃度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?。因此一般富氧燒嘴的設(shè)計都不會使燃料和氧化劑預(yù)混。

因此，富氧燃燒優(yōu)點(diǎn)突出，也存在潛在問題，需要合理選擇和使用。

本文參考《Industrial Burners Handbook》。