第五节　膜法富氧强化燃烧技术

一、富氧燃烧的基本概念

进入锅炉内燃料中的可燃质与空气中的氧气发生氧化反应，实现燃料的燃烧。空气中通常含有21％的氧气，若通过提高助燃空气中氧气浓度所完成的燃烧过程称为富氧燃烧。富氧燃烧是一项高效燃烧技术，更是一项燃煤最有效的强化燃烧技术。随着制氧技术的发展，尤其是膜法制氧技术的开发应用，降低了小容量制氧成本。富氧燃烧技术应用于工业锅炉和工业窑炉，可取得显著的节能减排效果。

二、富氧强化燃烧机理及应用效果

（1）提高火焰温度　用富氧空气取代全部或部分供燃烧的空气时，可以减少空气总量，使空气中占70％以上不参与燃烧的氮气相应减少，这就减少了这部分氮气的吸热。另外随着氧气浓度的增加，强化了氧化反应，从而提高了火焰温度，增强了辐射传热效果。氧浓度在26％～30％为提高火焰温度的最佳值，而这也正是膜法制氧的氧浓度范围。膜法制氧可以减少资金的投入，运行经济且可以获得最佳的燃烧效果。

（2）降低燃料着火温度，提高燃烧速度，促进完全燃烧　燃料的燃点温度不是一个常数，随燃烧条件变化而变化，随着助燃气体中氧浓度的增加，燃料着火温度降低。同时燃料在富氧环境下燃烧速度和燃烧强度显著提高，有利于燃料的燃尽，降低灰渣可燃物，并从根本上消除燃烧黑烟污染。

（3）降低空气系数，减少排烟量　利用富氧空气可以减少空气总量即降低空气系数。用普通空气助燃时，约占4/5的氮气不但不参加燃烧反应，而且还要吸收热量加热到排烟温度，增大排烟热损失。用富氧空气助燃，氮气量减少，排烟量相应减少。使用含氧量为27％的富氧空气燃烧，与氧浓度为21％的空气燃烧比较，空气系数α=1时，烟气体积减小20％，富氧燃烧技术可有效降低排烟热损失，提高锅炉热效率。

（4）膜法富氧助燃技术适用于包括燃气、燃油、燃煤的所有工业锅炉，它既能提高劣质燃料的应用范围，又能充分发挥优质燃料的性能。如用26.7％富氧空气燃烧褐煤，所得到的理论燃烧温度T与普通空气燃烧重油得到的T相当，说明应用富氧空气燃煤可代替用空气烧油，开辟了一条燃油的替代途径，具有重要意义。

三、富氧燃烧的种类

富氧空气中氧的浓度不同，可以分为工业全氧燃烧，氧气浓度达95％；低浓度富氧燃烧，氧气浓度在26％～30％。两种方式在工业生产中均有应用，但从制氧、锅炉设备改造费用等因素综合效益考虑，采用膜法局部富氧助燃技术最为有利。

局部富氧燃烧技术，一般是把燃烧所需全部空气量1％～3％的富氧空气，用于对改善燃烧最为有效的部位，也就是把好钢用在刀刃上。

四、膜法富氧制备工艺及设备

1.工业制氧方法

（1）深冷法（低温法）　安全性好，噪声低，技术成熟，产氧浓度高，可同时生产氧气和氮气。但制备系统复杂，产量调节性差，适用于较大生产规模，生产量低时成本偏高。

（2）变压吸附法（PSA法）　利用分子筛生产氧气，方法简单，可靠性高，产量调节性好，适用于中等生产规模、氧气浓度小于95％的场合。

（3）膜法分离法　设备简单，操作方便、安全、启动快，不污染环境，生产规模可小可中，损益少，应用灵活，工业发达国家称之为“资源的创造性技术”。当氧浓度在30％左右，生产规模小于15000m3（标况）/h时，膜法投资、维修及操作费用之和仅是深冷法和PSA法的2/3～3/4，而且规模越小膜法越经济。

2.膜法局部增氧助燃技术

①膜法富氧技术原理是利用空气中的氧气和氮气透过高分子膜时的渗透速率不同制氧的。各种气体在高分子膜的透过速率由难至易依次为：氮气、甲烷、一氧化碳、氩气、氧气、二氧化碳、氦气、氢气、水蒸气。可见氧气渗透速率高，易通过；而氮气渗透速率最低，不易通过。在压力差的驱动下，空气通过高分子膜后，在低压侧将氧气富集起来，可获得富氧份额达27％～30％的富氧气体。

②膜法富氧气体的制备有正压法和负压法两种。工业锅炉系统多采用负压法，典型工艺流程如图3-44所示。空气经过过滤器除去大于10μm的灰尘后，由风机（全压为1～5kPa，风量约为富氧空气量的7～10倍）送入膜富氧分离装置，利用真空泵产生的压差，使氧气在膜的低压侧富集成为富氧空气，高压侧的富氮气体排空。富氧空气经汽水分离和除湿处理，之后经稳压系统并预热后（应大于100℃）经富氧喷嘴送入炉膛中。因富氧气体所占空气量的比例有限，故将其以最佳的方式（速度、分布）送入炉内最需要的地方，是实现经济、有效地富氧强化燃烧的基本原则。

③富氧空气通过布置在炉膛不同位置的富氧喷嘴，以二次风的形式送入，构成α型燃烧、四角燃烧、推迟燃烧和分级燃烧，分别适用于煤粉炉、抛煤机炉、沸腾炉、循环流化床炉和链条炉等。

五、膜法富氧燃烧技术应用实例

①南阳油田一台4t/h燃煤锅炉应用膜法富氧燃烧技术，平均节煤率29.7％，热效率平均提高15.96％，最高17.44％，平均负荷提高17.69％，蒸汽压力提高39％。

②江西阜宁化肥厂，1998年6月在国内首次将膜法富氧燃烧技术应用于20t/h燃煤蒸汽锅炉，配用富氧空气量为200m3（标况）/h。经测试炉膛温度提高了90℃，空气系数下降0.3，灰渣含碳量下降5.32个百分点，排烟林格曼黑度小于1级，热效率提高11.04％，已稳定运行近10年，综合效益十分显著。

③1995年，济南某医院在4t/h燃煤锅炉上应用膜法富氧燃烧技术，自行安装、调试设备，配用富氧空气量为50m3（标况）/h，结果不仅解决了排烟污染问题，而且平均节煤14％以上。

④瓦轴集团2001年在两台35t/h抛煤机锅炉上应用膜法富氧燃烧技术，富氧空气中氧浓度为27％～30％，压头1000～1200Pa，10只喷嘴布置在两侧墙，出口流速60～90m/s。经测试，排烟林格曼黑度由3～4级降低到1级以下，结束了10年冒黑烟被罚款的历史。锅炉热效率达到75.62％，较应用前提高了9.35个百分点，且出力增加，可达额定负荷。