1.簡介

很多工業(yè)加熱過程都需要消耗大量能源，一般通過燃燒碳氫燃料（如油、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。

隨著技術的發(fā)展，富氧燃燒的應用越來越廣泛。過去，使用富氧增加的成本往往高于收益，但隨著制氧技術的發(fā)現，已經大大降低了氧氣分離的成本，這從經濟性的角度增加了富氧的應用場合。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)燃燒技術幾乎用于所有的工業(yè)加熱過程，現在富氧正變得越來越普遍，當常規(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，通常使用一個擴散器來保證完全混合，這是一種經濟的改進方式，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混富氧相比，有幾個優(yōu)勢：不會對現有的燒嘴進行改動，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，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這個缺點，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部是分開的，從燒嘴出口處才開始混合，產生擴散火焰，燃料和氧氣不預先混合的原因是氧氣活性較高，存在爆炸的風險。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：與空氣預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%的氮氣，其中只有氧氣參與燃燒，通過取消氮氣，帶來的益處包括：熱效率，調節(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增加產量

對于高溫熱過程，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，對于現有的系統(tǒng)，能夠加熱更多的坯料，對于新建系統(tǒng)，給定產量時爐子可以做得更小，這一點尤其重要，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能，后續(xù)工藝的處理能力也應調整。

通過富氧對現有系統(tǒng)的改造，與單純地擴大產能或使用其他新技術增加產量相比，成本要低得多，從應用經驗來看，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能的需求，例如夏天時對飲料消費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，而不是被氮氣帶走，因此單位產量的能耗降低了，在有些應用案例中，制氧成本可通過節(jié)約的燃料來彌補，如使用電加熱的過程成本較高，可使用富氧+燃料供熱來補充；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更加具有吸引力。

3.3提高火焰性能

3.3.1更高的調節(jié)比

富氧能夠擴大燃料的可燃極限，從而提高燃燒系統(tǒng)的調節(jié)比，火焰能夠在一個更寬的條件下存在，例如空氣/CH4的火焰存在的化學當量比范圍為1.3-3.8，而O2/CH4火焰存在的化學當量比為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?，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，在化學當量比條件下，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，更高的速度產生更穩(wěn)定的火焰，并且氣流受爐膛內煙氣影響較小。

3.3.3更好的點火性能

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火，表明富氧的點火性能更好，但缺點是富氧系統(tǒng)容易被無意點燃，因此需要配備合理的預防措施。富氧的點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燃。

3.3.4火焰形狀控制

對于現有的空氣/燃料系統(tǒng)，富氧可用于控制火焰形狀，例如預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

由于富氧強化了燃燒并且減少了煙氣量，爐膛和配套的設備尺寸都可以減小，從而降低建設成本和空間，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，另一方面當需要更高爐溫時也可采用富氧燃燒，例如生產陶瓷和耐材產品需要1900K以上的高溫，這對于空氣/燃料燃燒是很難達到的；另外富氧能夠使加熱系統(tǒng)迅速達到操作條件，例如富氧用于加熱爐時能夠實現快速升溫和降溫。富氧燃燒由于加熱強度高，因此系統(tǒng)響應速度快，便于控制生產節(jié)奏。

3.8提高操作性能

富氧能夠提高產品質量，這在以下行業(yè)中得到證實：有色冶煉、玻璃、化學焚燒、搪瓷燒結、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化局部加熱或適應特定的爐膛形狀，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

當富氧燃燒系統(tǒng)設計不合理時，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)，玻璃生產過程會產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，就會在坯料上出現過熱點，這會導致過燒，目前的富氧燒嘴設計都會規(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，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，要解決這個問題，這可以通過增加噴嘴來加強煙氣循環(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，其中一個例子是當低動量火焰和高動量火焰同時用于一個爐子時，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，另外當低動量火焰燒嘴位于爐尾時，也容易受到來流煙氣的影響，要解決這個問題，應該從合理布置燒嘴、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，當燒嘴置于燃燒室內時，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?，火焰前端會向燒嘴內移動，火焰會在燒嘴內燃燒，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計都不會使燃料和氧化劑預混。

因此，富氧燃燒優(yōu)點突出，也存在潛在問題，需要合理選擇和使用。

本文參考《Industrial Burners Handbook》。