1.简介

很多工业加热过程都需要消耗大量能源，一般通过燃烧碳氢燃料（如油、天然气）获得，大部分燃烧过程使用空气作为助燃剂，在一些情况下，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安全使用。

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，和上面第一种方法一样，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。第一种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，氧气和燃料在烧嘴内部是分开的，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，纯氧燃烧最具潜力，同时成本最高。

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，这是富氧最具吸引力的地方；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最小体积流量，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至于熄火，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。

4潜在的问题

当富氧燃烧系统设计不合理时，由于局部高温，也有潜在的问题。

4.1耐材损坏

4.1.1过热

如前所述，富氧燃烧会大大增加火焰温度，因此如果分配不合理，局部火焰辐射会损坏耐材，目前富氧烧嘴的设计需要考虑均匀分配热量以避免烧嘴附件的耐材被烧坏，烧嘴连同烧嘴砖一起安装在炉墙上，烧嘴砖一般都使用牌号较高的耐材。如果烧嘴位置和燃烧速率选择不合理，耐材就容易被烧坏，例如当富氧火焰直接冲刷耐材时，大部分耐材很快就会被烧坏，这可以通过合理布置设计和布置烧嘴来避免，火焰长度也需要考虑。

4.2.2侵蚀

富氧另一个潜在的问题是会增加易挥发成分的浓度，例如在玻璃行业，玻璃生产过程会产生带腐蚀性的易挥发成分，使用富氧后，这些成分的浓度增加了，就更容易引起耐材的腐蚀。

4.2不均匀加热

富氧燃烧强度增加了，会改变传热特性。由于火焰温度升高，火焰辐射热流增加，如果辐射传热集中在局部，就会在坯料上出现过热点，这会导致过烧，目前的富氧烧嘴设计都会规避这个问题。另外，由于富氧燃烧的烟气量减少了，烟气对流换热量降低，但它的另一个重要问题是影响传质，有些热过程需要使挥发分挥发，烟气量的减少就会影响传质，要解决这个问题，这可以通过增加喷嘴来加强烟气循环。

4.3火焰干扰

近些年，富氧烧嘴有往低动量火焰设计的趋势，低动量火焰更长、更亮，但问题是更容易受气流干扰，其中一个例子是当低动量火焰和高动量火焰同时用于一个炉子时，低动量火焰很容易受高动量火焰的影响，尤其是高动量火焰布置在它的对面时，另外当低动量火焰烧嘴位于炉尾时，也容易受到来流烟气的影响，要解决这个问题，应该从合理布置烧嘴、合理选择烧嘴火焰动量和烧嘴操作条件等方面考虑。

4.4增加污染物排放

4.4.1NOx

富氧增加了火焰温度，可能会带来NOx的升高。

4.4.2噪音

如前所述，富氧燃烧需要较高的气流喷射速度，这就会带来噪音，以前的富氧烧嘴在在敞开空间燃烧时噪音巨大，当烧嘴置于燃烧室内时，噪音被炉墙包裹住，并且虽然气流速度高，但气流量较小，这也能够减缓一部分噪音，近些年，低动量富氧烧嘴的噪音已比常规烧嘴噪音低。

4.5回火

由于氧气活性更高，富氧烧嘴存在回火的风险，回火是由于气流速度低于火焰传播速度，火焰前端会向烧嘴内移动，火焰会在烧嘴内燃烧，随着氧气浓度的增加，火焰传播速度更快。因此一般富氧烧嘴的设计都不会使燃料和氧化剂预混。

因此，富氧燃烧优点突出，也存在潜在问题，需要合理选择和使用。

本文参考《Industrial Burners Handbook》。