1.简介：

很多工业加热过程都需要消耗大量能源，可通过提高助燃空气中的氧气含量来强化效果，称之为富氧燃烧。如：纯氧与空气混合使用，或直接使用纯氧替代空气。

随着技术的发展，富氧燃烧的应用越来越广泛。过去，使用富氧增加的成本往往高于收益，但随着制氧技术的发现，已经大大降低了氧气分离的成本，这从经济性的角度增加了富氧的应用场合。另使用富氧一个原因是环境问题的日益突出，在一些场合，富氧能够大大减少污染物排放。

空气助燃燃烧作为传统燃烧技术几乎用于所有的工业加热过程，现在富氧正变得越来越普遍，当常规燃烧改为富氧后，收益明显，包括提高热效率，增加作业率，减少烟气量和污染物排放。很多工业过程使用纯氧来替代部分或全部空气，如金属加热和融化、玻璃融化、矿物燃烧等，Gas Research Institute列举了适合富氧应用的场合：

（1）需要较高烟气温度，尤其是超过1400K时；

（2）传热受限制而热效率较低的场合；

（3）增加传热收益较大且不会影响加热质量的场合。

（4）烟气较脏，NOx排放高，烟气排放体积有限制的场合。

2.富氧方式

可富氧主要通过以下四种方式获得：（1）空气中直接混入氧气；（2）氧气喷入火焰中；（3）纯氧替代空气；（4）氧气和空气分开供入烧嘴。

2.1空气富氧

如图1所示，空气中混入氧气，通常称为低富氧或预混富氧，很多回转窑燃烧器可通过这种方式改造，氧气注入来流空气中，通常使用一个扩散器来保证完全混合，这是一种经济的改进方式，同时能得到较高的收益。但是富氧会使火焰变短和集中，当过多氧气混入后，火焰会变得很短，较高的火焰温度会烧坏烧嘴，并且空气管道也需要改造以保证能够使用。

图1.空气预混富氧

2.2氧气插管

图2是另外一种富氧的方式，和上面方法一样，通常作为低富氧的途径，但是氧气插管和空气预混富氧相比，有几个优势：不会对现有的烧嘴进行改动，由于存在分级燃烧，NOx排放比于空气富氧低，这对于降低NOx是一个很好的技术，依靠氧气插管的位置，通过分级燃烧可以增加火焰长度，火焰加热更均匀，在一定条件下，氧气插管位于烧嘴与加热工件之间，能使火焰扫向工件，从而提高加热效率，因此，氧气插管富氧方式烧坏烧嘴和耐材的可能性较小。氧气插管对于现有系统的改造成本不高，仅仅是在炉墙上开一个小孔。其中一种典型的氧气插管富氧方式是氧气从火焰下方喷入，氧气插管位于烧嘴和被加热工件之间。空气预混富氧方式是均匀地提高了火焰温度，而氧气从下方喷入会提高下部火焰的温度，这样可以集中热量加热下方的工件，虽然氧气与空气的混合不像前者那么均匀，但加热效率更有效的提高可以弥补这个缺点，并且炉顶不会因为过热而被烧坏。

图2 氧气插管富氧

2.3氧气/燃料

图3是第三种富氧方式，通常被称之为纯氧燃烧，通常情况下，氧气和燃料在回转窑燃烧器内部是分开的，从烧嘴出口处才开始混合，产生扩散火焰，燃料和氧气不预先混合的原因是氧气活性较高，存在爆炸的风险。在这种方式中，一般使用高纯度的氧气（一般O2含量大于90%），而氧气纯度取决于制氧方式，纯氧燃烧Z具潜力，同时成本Z高。

图3 氧气/燃料富氧

2.4.空气-氧气/燃料

第四种方式如图4所示，空气和氧气分别供入烧嘴，通常称之为空气-氧气/燃料烧嘴，这对于普通烧嘴的改造也比较容易，这种富氧方式有几个优点：与空气预混富氧和氧气插管相比，可以使用高浓度的富氧，投资成本低于纯氧燃烧，使用过程中，可通过改变供入氧气的量来控制火焰形状和加热特性。许多烧嘴设计时都可以使用双燃料，如油气两用，将油枪替换为氧枪就可以改造成为空气-氧气/燃料烧嘴，改造成本不高。

图4 空气-氧气/燃料富氧

2.5低纯度氧气

有些情况下，使用VSA或PSA制氧的成本比低温制氧要低得多，单位氧气的能耗也要低很多，但氧气纯度低，通常只有90-95%，与100%纯氧相比，几乎具有所有的优势，主要的问题是NOx排放较高，但可以大大降低成本。

3.富氧燃烧的益处

空气中有21%的氧气和79%的氮气，其中只有氧气参与燃烧，通过取消氮气，带来的益处包括：热效率，调节比，火焰稳定性，减少烟气量和污染物排放，以下逐一介绍。

3.1增加产量

对于高温热过程，火焰辐射是主要的传热方式，热量辐射与温度成四次方关系，富氧的火焰温度更高，能够有效提高火焰对工件的辐射加热，通过增加加热速率来提高单位时间的工件加热量，因此，对于现有的系统，能够加热更多的坯料，对于新建系统，给定产量时炉子可以做得更小，这一点尤其重要，建造炉子需要的材料和能耗更少了。为了能充分利用增加的产能，后续工艺的处理能力也应调整。

通过富氧对现有系统的改造，与单纯地扩大产能或使用其他新技术增加产量相比，成本要低得多，从应用经验来看，这是富氧Z具吸引力的地方；富氧的另一个优势是它能满足周期性增加产能的需求，例如夏天时对饮料消费的增加会提高铝制品的需求量，但冬天又会降低，这种短期或周期性的需求凸现了富氧的成本优势。

3.2提高热效率

通过使用氧气替代空气，更多的热量传递给了坯料，而不是被氮气带走，因此单位产量的能耗降低了，在有些应用案例中，制氧成本可通过节约的燃料来弥补，如使用电加热的过程成本较高，可使用富氧+燃料供热来补充；有时候可以使用替代方式，如在玻璃行业，一般使用油或气作为燃料，同时用电予以辅助加热，这就可以通过富氧来替代成本较高的电耗。

使用富氧的主要原因是可以降低单位产品的燃料消耗，近些年随着燃料成本的日益增加，而制氧成本在不断降低，这就使得富氧燃烧技术更加具有吸引力。

3.3提高火焰性能

3.3.1更高的调节比

富氧能够扩大燃料的可燃极限，从而提高燃烧系统的调节比，火焰能够在一个更宽的条件下存在，例如空气/CH4的火焰存在的化学当量比范围为1.3-3.8，而O2/CH4火焰存在的化学当量比为0.7-18.

3.3.2增加火焰稳定性

富氧燃烧的火焰传播速度更快，因此需要更高的气体喷出速度来避免回火和熄火。Lewis和von Elbe定义了圆管内的临界速度梯度：g=4V/(π*R^3)，其中V是燃料和富氧气混合后的体积流量，R是管半径，回火时，V就是由于回火导致熄火的Z小体积流量，圆管中CH4的临界速度梯度通过实验测量，在化学当量比条件下，空气和纯氧的临界速度梯度分别为2100S^-1和510000S^-1，这说明富氧可采用较高的气体喷出速度而不**于熄火，更高的速度产生更稳定的火焰，并且气流受炉膛内烟气影响较小。

3.3.3更好的点火性能

富氧的另一个优势是可在较低的温度下采用较少的能量点火，表明富氧的点火性能更好，但缺点是富氧系统容易被无意点燃，因此需要配备合理的预防措施。富氧的点火性能对于固体和液体燃料的系统而言尤其重要，因为固液燃料比气体燃料难点燃。

3.3.4火焰形状控制

对于现有的空气/燃料系统，富氧可用于控制火焰形状，例如预混的空气富氧可用于缩短火焰长度，火焰下方氧枪喷射氧气可增加火焰长度，控制火焰形状可用来避免指定区域耐材的过烧，或改变炉膛内的热流和温度分布。

3.4减少烟气量

采用富氧可大大减少烟气量，具有以下几个益处：减小烟道尺寸，或者在同等烟气量下增加产量，另一个好处是可以增加烟气处理系统的效率，这是因为烟气中的污染物浓度增加了，后处理设备的尺寸可以降低，节省了空间、材料、能耗和成本。由于富氧燃烧系统的的烟气量减少，因此烟气流速大大降低，较低的烟气流速会降低粉尘的卷吸量，从而减少烟气中颗粒物含量，另外，烟气流速的降低意味着炉膛内烟气停留时间增加，这对于焚烧炉而言，增加烟气停留时间能够更好的分解有机物。

3.4提高加热效率

对于富氧燃烧火焰能够增加给坯料的传热速率还有一些争议。对于不发光的火焰，由于富氧燃烧烟气中CO2和H2O的含量高，因此火焰辐射率更高。

3.6降低成本

由于富氧强化了燃烧并且减少了烟气量，炉膛和配套的设备尺寸都可以减小，从而降低建设成本和空间，富氧还能够减少烟气处理系统的成本。在某些案例中，由于富氧燃烧的烟气量大大减少，烟气流速降低，烟气中卷吸的粉尘量减少，后续除尘的设备也可减少，如在玻璃行业中，色素用来给玻璃上色，采用富氧后每年可节约2万美元，因为烟气中带走的色素原料减少了。

3.7增加灵活性

富氧燃烧增加了炉子的灵活性，一方面能够加热更多规格的坯料，另一方面当需要更高炉温时也可采用富氧燃烧，例如生产陶瓷和耐材产品需要1900K以上的高温，这对于空气/燃料燃烧是很难达到的；另外富氧能够使加热系统迅速达到操作条件，例如富氧用于加热炉时能够实现快速升温和降温。富氧燃烧由于加热强度高，因此系统响应速度快，便于控制生产节奏。

3.8提高操作性能

富氧能够提高产品质量，这在以下行业中得到证实：有色冶炼、玻璃、化学焚烧、搪瓷烧结、陶瓷、石灰窑等等。使用富氧燃烧后，火焰长度会缩短，对于有些热过程，缩短火焰长度能够强化局部加热或适应特定的炉膛形状，同时能够避免火焰直接冲刷耐材，但不合理使用富氧燃烧也会因为局部温度过高而烧坏耐材。