基金项目:湛江市2004年重大科技攻关项目(项目编号:2004-3)富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响郑晓峰,冯耀勋,贾明生(广东海洋大学工程学院,广东湛江524088)摘要:本文从富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响两方面来探讨富氧燃烧。
随着氧气制备技术的低成本化,采用富氧燃烧对于当前来讲可以很好地提高燃烧效率从而达到节能的效果,同时也要注意其对环境的影响。
关键词:富氧燃烧;节能;环境中图分类号:T K16 文献标识码:B 文章编号:1004-7948(2006)07-0026-031引言迄今为止,人类消费能源的80%是通过燃烧的途径得到的,而燃烧过程的排放物也是造成环境污染的主要原因。
围绕如何提高资源的利用率并在利用的同时尽可能地降低对环境造成的影响,各种高效率、低污染燃烧技术的开发非常活跃,高温空气燃烧、催化燃烧、富氧燃烧等技术已显示了其广阔的应用前景。
富氧燃烧采用比空气中氧含量高的空气来助燃,富氧的极限就是使用纯氧。
富氧燃烧可以显著提高燃烧效率和火焰温度,长久以来主要是应用在玻璃熔窑和金属冶炼等需要高温操作的行业。
随着膜法制氧技术、变压吸附PSA 法(Pressure Swing Adsorption )等新型制氧技术的成熟和利用,富氧成本将会不断降低,使得富氧燃烧技术的应用领域不断扩大,在燃气发电系统、工业锅炉、生物质能和废弃物能的利用等多方面都具有应用前景。
2富氧燃烧节能特性富氧燃烧具有节能特性主要是由其燃烧特点来决定的,其主要特点如下[1～5]:(1)火焰温度大幅度提高,以甲烷燃烧为例(见图1):30%富氧空气时的绝热火焰温度为2500K ,比通常空气燃烧提高近300K;氧浓度大于80%时的火焰温度接近3000K ,层流燃烧速度增大到近3m/s ,而普通空气的层流燃烧速度仅为0145m/s 。
通过富氧助燃可以提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,同时温度提高有利于燃烧反应;(2)由于惰性成分的氮气浓度大大降低,无谓的能源消耗大幅度降低,30%～40%的富氧空气燃烧图1 氧气质量浓度对最高温度、火焰传播速度的影响就可以降低燃料消费20%～30%,提高了热效率;(3)烟气量大幅度减低,纯氧燃烧时的烟气体积只有普通空气燃烧的1/4,烟气中的CO 2浓度增加,有利于回收CO 2综合利用或封存,实现清洁生产;烟气中高辐射率的CO 2和水蒸气浓度增加,可促进炉内的辐射传热;(4)设备尺寸缩小,燃烧系统的设备投资成本和维护费用降低。
3富氧燃烧应用现状由上述特点可知富氧燃烧作为一项具有良好开发前景的高效节能技术具有很广阔的市场前景。
目前在冶金、建材等需要高温工况的行业已有应用,低热值的生物质燃料以及固体废弃物的富氧燃烧也是最近发展的热点。
311富氧燃烧技术在金属冶炼中的应用目前世界富氧消耗中,钢铁占50%以上[6],各个大型钢铁厂基本上采用了富氧鼓风。
现代的钢、铁联合企业都自建有配套的氧气厂,富氧鼓风可以增大处理能力,降低热消耗水平,提高高炉煤气质量[7]。
炼钢过程中,由于炼钢方法不一样,富氧使用情况也不同。
对于转炉或平炉炼钢法,采用的是—62— 节 能EN ER GY CONSERVA TION 2006年第7期(总第288期)上世纪30年代一直沿用至今的技术,已经是极成熟和普遍采用的工艺。
由表1可知[8],在有色金属冶炼过程中采用富氧空气代替普通空气助燃,是强化生产、降低能耗、治理环境污染、提高技术水平和增加经济效益的重大技术措施。
目前国内外在改造老冶炼厂的传统工艺和开发新工艺方面都普遍利用到富氧。
美国早在1984年将膜法富氧技术用于铜煅烧炉,节能率大于30%。
国内于1980年首次在白银有色金属公司冶炼厂使用了富氧,达到了节约能源、强化熔炼和根治污染的目的,使我国冰铜生产工艺的富氧熔炼获得完全成功[6]。
表1 使用富氧强化各种冶炼过程的结果 冶炼方法富氧浓度/%节能率/%生产能力提高/%SO 2浓度提高/%前苏联铜鼓风熔炼炉2713281837154前苏联镍鼓风熔炼炉241517102213诺兰达炼钢法熔炼30157217674219日本足尾闪速炼炉熔炼41851525187前苏联生精矿铜反射炉熔炼4024151413720中国白银炼铜法31163213536217前苏联高硫铜镍矿沸腾焙烧2676前苏联锌精矿沸腾焙烧31553711澳大利亚铅鼓风熔炼炉232813平 均30154315421620016312富氧燃烧技术在玻璃窑炉中的应用[9]富氧助燃技术在玻璃工业也有不少应用,其节能降耗的效果给玻璃工业带来了一定的经济效益和社会效益。
在日本,先后有近20家公司推出富氧装置。
通过在以气、油、煤为燃料的不同场合进行富氧应用试验,得到了如下结论:用23%的富氧助燃可节能10%～25%;用25%的富氧助燃可节能20%～40%;用27%的富氧助燃可节能30%～50%等。
用富氧助燃后,烟尘排放全部达标。
在德国一座马蹄型蓄炉上用27%的富氧试验,使熔化率增加了5612%,能耗下降20%,熔化温度提高了100℃,环境污染明显改善。
在美国一玻璃厂仅用23%富氧助燃,产量增加1213%,节能约9%,且成品率提高3%～10%,灰泡数量下降40%,炉龄延长了5～6个月,烟尘排放大大减少。
德国、英国、法国、捷克等国都有应用。
随着膜法富氧制备技术在我国的逐步发展,富氧燃烧在我国的玻璃窑中也得到不少应用。
1989年中科院大连物理化学研究所和北京玻璃集团合作,开发出“局部增氧”和“梯度燃烧”等高新技术应用于玻璃池炉,所用富氧空气量仅有二次风量的1%左右,而进风量和引风量均下降了1/4～1/2左右。
玻璃质量以及利用率均有明显的提高,延长了池炉的寿命,改善了火焰结构,减少了烟尘排放量,节能、增产和环保效益显著。
313富氧燃烧技术在其他装置上的利用富氧助燃技术除了在工业冶炼、玻璃熔窑中得到应用外,也在工业锅炉、陶瓷炉以及柴油机、汽油机上得到了应用。
国外曾有在陶瓷烧成炉上用28%的富氧助燃,节能达2417%,而且烟尘排放达标。
我国也有这方面的研究应用,1998年,中科院大连化物所在江苏阜宁化肥厂的W GC20/3182-1型燃煤蒸汽锅炉安装了一台富氧膜法装置进行助燃[10],通过检测部门的检测发现,富氧设备性能稳定,炉膛温度提高90℃,平均节能大于11%,最高达1612%。
综上所述,富氧燃烧技术的节能效果显著。
面对我国严峻的能源需求形势,以及我国的能源加工、转换、贮运和终端利用的效率要比发达国家低约10个百分点的局面,富氧燃烧技术不仅在传统应用方面实现了节能降耗,在一般的工业窑炉、加热炉上也会带来可观的节能效果。
4富氧燃烧对环境的影响富氧燃烧除了具有显著的节能特点以外还会对环境产生一定的影响,其中有利有弊,本文分别从富氧燃烧的产物NO x 、SO 2和CO 2进行分析。
411富氧燃烧对NO x 生成的影响NO x 是NO 和NO 2的通称,它们和燃烧过程产生的SO 2是酸雨形成的主要原因,而大气中氮氧化物在阳光紫外线的作用下,发生光化学和热化学反应,产生以臭氧为主(90%以上)的氧化剂,与颗粒物混合发生光化学反应后生成的烟雾对环境造成的污染要远远大于酸雨。
因而控制氮氧化物排放是一个不容忽视的问题。
在日本等发达国家,NO x 排放受到严格的控制。
我国煤资源丰富,到目前为止对SO 2污染治理的重视程度要高过NO x ,但是随着能源结构的调整以及煤气化、煤液化研究的进步,氮氧化物的污染将会更加显露出来。
由图1可知随着助燃空气中含氧量的增加导致火焰温度的急剧升高,富氧燃烧的这个显著特点将—72— 2006年第7期(总第288期) 节 能EN ER GY CONSERVA TION 导致热力型NO x 大量增加,最终导致NO x 的增加,这是严重制约富氧燃烧技术进入更多领域的因素之一。
目前,国内外学者就如何降低NO x 排放技术做了大量的研究工作,赵黛青、冯耀勋等人[11～14]在燃烧计算中使用了GRI -M ECH 310基元反应动力学模型,该模型考虑了53种物质和包括氮氧化物生成在内的325组基元反应,用化学动力学的方法对富氧燃烧进行研究,从机理上分析了富氧燃烧中NO x 的生成情况并在理论上探讨了在富氧燃烧中降低NO x 的途径和方法,其结果如图2、图3所示,图2中的氧质量浓度为018。
图2 氧气浓度对NO x生成量的影响图3 速度梯度对NO x 生成的影响由图2可知30%～40%的富氧空气时,NO x 的生成比空气燃烧增加约4倍。
纯氧燃烧理论上是零NO x 排放,但实际的燃烧设备不可能做到完全封闭,氧浓度在99%时NO x 的排放也是普通空气燃烧的近6倍。
在此基础上,他们改变燃烧过程中的速度梯度发现随着速度梯度的增大,热力型NO x 急剧下降,因此总的NO x 也随之下降。
这说明在提高速度梯度的情况下可以有效降低NO x 的生成,主要原因是随着速度拉伸率的加大,减少了反应物在高温区的停留时间,从而降低了热力型NO x 的生成量。
由富氧燃烧的特点可知,在保证高温、高效率火焰的基础上开发一种减少NO x 生成的技术是推动富氧燃烧的关键。
目前在实际应用中也有一些方法,主要有[15]:(1)降低助燃氧中氮含量,但是提高氧气的纯度是有限的,因此限制了NO x 浓度的降低;(2)充分利用NO x 的形成机理,尽可能地不给NO x 提供生成的环境,如分级燃烧技术等;(3)采用无催化选择性还原NO x 技术;(4)提高流动速度也可适当降低NO x 的形成。
当燃烧空气高速喷射时,卷吸的气体到火焰带中,促进炉内气体再循环,限制炉内高温区的生成也可降低热力型NO x 的形成。
但总的来说效果还不是很理想,因此要求我们对富氧燃烧中NO x 形成机理和抑制机理深入地研究,同时将采用合适的手段将这些方法应用到实际的工业应用中,促进富氧燃烧在更多的领域发展,从而达到节能的目的。
412富氧燃烧对SO 2、CO 2生成的影响在采用传统的火法炼金进行有色金属冶炼时,如果采用空气冶炼硫化精矿时,将会产生大量的难以经济回收的低浓度SO 2,一般情况下如果直接放空排至大气的话,它将和NO x 一起导致酸雨的形成,从而进一步破坏环境。
从表1可知[8],如果采用富氧空气作为助燃空气进行冶炼,此时SO 2浓度可以大大提高,烟气中SO 2的浓度平均提高了两倍,从而可以比较经济地得到回收,一方面减少SO 2对环境的污染,另一方面将回收的SO 2制酸,进一步地利用好资源。
除了在金属冶炼中可以采用富氧燃烧以外,在普通的工业窑炉中大多使用煤,不少煤的含硫量不低,也可以采用富氧空气进行助燃,除了能够提高炉温进而提高热效率实现节能外,还可以提高排放的SO 2浓度从而进行回收。