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摘要：本文主要从节约能源、提高锅炉热效率出发，对将富氧燃烧技术应用于锅炉运行的可行性进行深入分析。总结出富氧燃烧新技术有三大优势：使排烟热损失尽可能减少、迅速提升炉膛的温度、降低氮氧化物的污染程度。此外，本文还提出了使用富氧燃烧新技术过程中，布置锅炉受热面时要重点关注的问题，为开发锅炉新产品提供借鉴思路。
关键词：炉膛温度；热损失；氮氧化物；热效率
1.前言
随着全球燃料资源不断减少和枯竭，节约能源和合理利用能源已经成为现代经济发展的客观需求。一直以来，人们为了有效提高锅炉运行的热效率作了许多研究，包括一些比较新型的节能型炉型，所采用的材料和工艺都比较先进，例如锅炉内实行原煤分层燃烧技术；微机控制的变频技术；洁净燃烧技术；炉墙硅酸铝材保温技术，主要通过减少散热提高热效应。此外，还通过加强对锅炉房的管理以及炉型的优化等手段，达到节约能源，提高热效应目的。
本文主要从节约能源、提高锅炉热效率出发，对将富氧燃烧技术应用于锅炉运行的可行性进行深入分析。
2.富氧燃烧的含义
富氧燃烧是一项比较高效节能的燃烧技术，主要指利用比普通空气（含氧21%）含氧浓度更高的富氧空气（含氧95%）进行燃烧。富氧燃烧的概念最早在1977年Yaverbaum在其著作《Fluidized bed combustion of coal and waste materials》提出。富氧燃烧之所以成为一项节能技术，可以从以下几点进行论证：（1）主要依靠纯度很高的氧气支持燃烧，能够获得較高浓度的CO2；（2）由于普通中，79%的氮气是不参与燃烧的，因此燃烧产生的热能无法被带走，排烟热损失因此较低。（3）为保持炉内火焰的恒定温度和适宜的传热特性，锅炉内的一部分烟气可实现再循环，由此增加热效率；（4）利于CO2的捕获和压缩，获得节能效果。
虽然富氧燃烧是一项极具发展性的技术，但是很长一段时期以来，因为纯氧较难获得，该项技术尚未得到大范围的推广应用。近年来，随着制氧的水平获得极大改进，纯氧制取技术有了突破性进展，为富氧燃烧创造了应用于实际锅炉运行的条件，其节能优势将会显著提升锅炉的热效率，应用前景广阔。
3.富氧燃烧炉膛温度分析
目前我国计算锅炉炉膛热力值依据是《沸腾燃烧锅炉热力计算方法》。理论上计算锅炉炉膛温度主要将燃烧产物的发热焓值叠加，然后反查出其理论值，通常实际的炉膛温度是低于理论温度的。普通的燃烧技术中，为了令燃料得到充分的燃烧，需要送入大量的空气以消除不完全燃烧造成的损失。这是因为，过量的空气送入炉膛之后，其中79%的氮气会降低炉膛正在燃烧的温度。理论上，富氧燃烧的炉膛温度是可以沿用叠加燃烧产物的发热焓值后反查出理论温度的。因为这时炉膛的燃烧温度会高于理论计算得出的温度。富氧燃烧是将大量纯氧输送到炉膛，氧气中没有79%的氮气的参与，炉膛的温度不会降低，而且能够把一些普通燃烧技术中比较难燃的燃料充分燃烧，因此，炉膛温度会比理论上的温度要高一些。
4.富氧燃烧排烟热损失的计算
目前国内现行的热力计算标准公式中表明，排烟热焓是包含了空气中没有参与燃烧的79%氮气的被加热、放热及热交换的温度，这部分气体是造成富氧燃烧排烟热损失的主要因素。而富氧燃烧是应用高纯度的氧气进行燃烧反应，因此不存在氮气造成排烟热损失的问题。但是因为富氧燃烧能够使许多常规燃烧中不易燃烧的物体获得充分燃烧，而产生Ca2O3、SiO2等气体，这些气体会造成一部分排烟热损失，通常大约只有常规燃烧排烟热损失的一半。
4.富氧燃烧的氮氧化物产物对大气的污染分析
常规的燃烧过程中，锅炉超过900℃温度时，燃烧过程中会产生氮氧化物，这种气体对大气污染的比较明显。具体的氮氧化物产物有一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）等。其中NO、NO2统一称为NOx，这类产物的毒性都非常明显，NO浓度过高时，会使得人体、动物的血液严重缺氧，导致神经中枢麻痹等问题；NO2则会严重危害人体或者动物的呼吸系统、脏器、血液系统等，尤其是对哮喘病人危害更加显著。通常常规燃烧中为了降低NOx的产生，主要采取降低温度燃烧措施。而在富氧燃烧中，N2的含量较少，一般较少参与燃烧，因此燃烧的产物非常少量的氮氧化物不会对大气构成威胁。
5.富氧燃烧中锅炉受热面的设计布置及注意要点
富氧燃烧时其烟气的体积显著减小，然而富氧燃烧的炉膛温度比常规炉膛还要高，这表示，富氧燃烧的炉膛容积热强度相对更高。因此进行炉膛容积设计时，以炉膛容积热强度为主要考虑因素。一般设计和布置富氧燃烧的炉膛时，要注意几个问题：（1）富氧燃烧时，锅炉燃烧产物的容积大约比常规减少一半，因此设计炉膛烟囱出口时，其流通的截面也要相应缩小，以免造成渗漏事故。（2）使用煤粉、油、气等燃烧器需要耐氧化、耐高温的性能较强，对新材料的开发要求较高。
6.富氧燃烧锅炉的设计改进建议
由于目前富氧燃烧技术中，高温度的烟气经过炉胆回到燃室时，其烟气的温度可达到900～1100℃。在如此高温度的环境中，对流换热、辐射热都非常强烈。因此需要采取措施降低辐射热和对流换热，可有效改善烟气的温度回到燃室的受热情况。具体的改进建议有：（1）在回燃室的管束区添加一层耐火混凝土层，大约为50mm厚。耐火混凝土层能够直接阻隔高温度烟气的辐射热，又因为混凝土的导热系数较低，能够显著保护燃室管板，避免出现过冷沸腾等事故。然而添加耐火混凝土层之后，由于燃在室丧失了原辐射受热面，所以在计算锅炉热力时，要对此部分辐射受热面忽略不计。（2）管束的端部增设耐热钢衬管，管端的角焊缝得到有效保护，此处的对流换热还能显著转移到耐热钢衬管中去，保护焊缝的缝隙中尽量不出现过冷沸腾情况。（3）改善锅炉内回燃室的管板水循环最有效也是最重要的改进方式。回燃室的管板在水强制循环的强力冲刷下，冷沸腾也不易出现。通常是在回燃室的管板沿管束大约200 mm的位置，设置一个隔板，呈圆周封闭，强迫水冲刷管束，以提升水循环的流速，这时，锅炉回燃室管板的温度大大降低，也降低了冷沸腾的出现。
7.结语
笔者在参考了大量锅炉事故资料的基础上，提出上述的三种改善锅炉回燃室管板的受热情况的建议，经过试验验证，措施实施的效果是非常显著的。尤其是在应用富氧燃烧的过程中，使得锅炉回燃室管板的使用寿命大大延长，此外也使得锅炉的热效率有效提高，锅炉的生命周期延长，降低锅炉本体的事故发生率。
参考文献：
[1]刘兴家.提高锅炉热效率的新技术——富氧燃烧[J].工业锅炉，2007，1（101）：10-14.
[2]徐承立，马洪亭，姚洪娥.富氧燃烧技术用于链条燃煤蒸汽锅炉的合理性和可行性[J].节能.2009，04（06）：237-238.
[3]王沛法，杨新宇，王学深，郭鲁阳.富氧燃烧技术在燃煤电站锅炉中的应用分析[J].山东电力技术.2007，1（06）：110-113.
[4]米翠丽，阎维平，孔凡卓.富氧燃烧技术在锅炉节能方面的应用探讨[J].洁净煤技术.2009，09（01）：32-33.
[5]王政伟，吕宏伟，张光斌.富氧燃烧技术及其节能环保特性分析[J].化工机械.2011，10（03）：45-48.
[6]蔡灿稳，金晶，路遥，何丹丹.O2/CO2混合富氧燃烧技术探讨[J].能源研究与信息.2011，09（02）；56.
[7]凌荣华，谢建文，李英，王宝良，王辉，范卫东.电站锅炉富氧燃烧技术研究和应用现状综述[J].神华科技.2011，07（05）：108-109.
[8]王志平，曾雄伟，赵恩录，张文玲.富氧燃烧节能效率理论计算及富氧燃烧技术关键[J].玻璃.2009，34（04）：12.
关键词：炉膛温度；热损失；氮氧化物；热效率
1.前言
随着全球燃料资源不断减少和枯竭，节约能源和合理利用能源已经成为现代经济发展的客观需求。一直以来，人们为了有效提高锅炉运行的热效率作了许多研究，包括一些比较新型的节能型炉型，所采用的材料和工艺都比较先进，例如锅炉内实行原煤分层燃烧技术；微机控制的变频技术；洁净燃烧技术；炉墙硅酸铝材保温技术，主要通过减少散热提高热效应。此外，还通过加强对锅炉房的管理以及炉型的优化等手段，达到节约能源，提高热效应目的。
本文主要从节约能源、提高锅炉热效率出发，对将富氧燃烧技术应用于锅炉运行的可行性进行深入分析。
2.富氧燃烧的含义
富氧燃烧是一项比较高效节能的燃烧技术，主要指利用比普通空气（含氧21%）含氧浓度更高的富氧空气（含氧95%）进行燃烧。富氧燃烧的概念最早在1977年Yaverbaum在其著作《Fluidized bed combustion of coal and waste materials》提出。富氧燃烧之所以成为一项节能技术，可以从以下几点进行论证：（1）主要依靠纯度很高的氧气支持燃烧，能够获得較高浓度的CO2；（2）由于普通中，79%的氮气是不参与燃烧的，因此燃烧产生的热能无法被带走，排烟热损失因此较低。（3）为保持炉内火焰的恒定温度和适宜的传热特性，锅炉内的一部分烟气可实现再循环，由此增加热效率；（4）利于CO2的捕获和压缩，获得节能效果。
虽然富氧燃烧是一项极具发展性的技术，但是很长一段时期以来，因为纯氧较难获得，该项技术尚未得到大范围的推广应用。近年来，随着制氧的水平获得极大改进，纯氧制取技术有了突破性进展，为富氧燃烧创造了应用于实际锅炉运行的条件，其节能优势将会显著提升锅炉的热效率，应用前景广阔。
3.富氧燃烧炉膛温度分析
目前我国计算锅炉炉膛热力值依据是《沸腾燃烧锅炉热力计算方法》。理论上计算锅炉炉膛温度主要将燃烧产物的发热焓值叠加，然后反查出其理论值，通常实际的炉膛温度是低于理论温度的。普通的燃烧技术中，为了令燃料得到充分的燃烧，需要送入大量的空气以消除不完全燃烧造成的损失。这是因为，过量的空气送入炉膛之后，其中79%的氮气会降低炉膛正在燃烧的温度。理论上，富氧燃烧的炉膛温度是可以沿用叠加燃烧产物的发热焓值后反查出理论温度的。因为这时炉膛的燃烧温度会高于理论计算得出的温度。富氧燃烧是将大量纯氧输送到炉膛，氧气中没有79%的氮气的参与，炉膛的温度不会降低，而且能够把一些普通燃烧技术中比较难燃的燃料充分燃烧，因此，炉膛温度会比理论上的温度要高一些。
4.富氧燃烧排烟热损失的计算
目前国内现行的热力计算标准公式中表明，排烟热焓是包含了空气中没有参与燃烧的79%氮气的被加热、放热及热交换的温度，这部分气体是造成富氧燃烧排烟热损失的主要因素。而富氧燃烧是应用高纯度的氧气进行燃烧反应，因此不存在氮气造成排烟热损失的问题。但是因为富氧燃烧能够使许多常规燃烧中不易燃烧的物体获得充分燃烧，而产生Ca2O3、SiO2等气体，这些气体会造成一部分排烟热损失，通常大约只有常规燃烧排烟热损失的一半。
4.富氧燃烧的氮氧化物产物对大气的污染分析
常规的燃烧过程中，锅炉超过900℃温度时，燃烧过程中会产生氮氧化物，这种气体对大气污染的比较明显。具体的氮氧化物产物有一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）等。其中NO、NO2统一称为NOx，这类产物的毒性都非常明显，NO浓度过高时，会使得人体、动物的血液严重缺氧，导致神经中枢麻痹等问题；NO2则会严重危害人体或者动物的呼吸系统、脏器、血液系统等，尤其是对哮喘病人危害更加显著。通常常规燃烧中为了降低NOx的产生，主要采取降低温度燃烧措施。而在富氧燃烧中，N2的含量较少，一般较少参与燃烧，因此燃烧的产物非常少量的氮氧化物不会对大气构成威胁。
5.富氧燃烧中锅炉受热面的设计布置及注意要点
富氧燃烧时其烟气的体积显著减小，然而富氧燃烧的炉膛温度比常规炉膛还要高，这表示，富氧燃烧的炉膛容积热强度相对更高。因此进行炉膛容积设计时，以炉膛容积热强度为主要考虑因素。一般设计和布置富氧燃烧的炉膛时，要注意几个问题：（1）富氧燃烧时，锅炉燃烧产物的容积大约比常规减少一半，因此设计炉膛烟囱出口时，其流通的截面也要相应缩小，以免造成渗漏事故。（2）使用煤粉、油、气等燃烧器需要耐氧化、耐高温的性能较强，对新材料的开发要求较高。
6.富氧燃烧锅炉的设计改进建议
由于目前富氧燃烧技术中，高温度的烟气经过炉胆回到燃室时，其烟气的温度可达到900～1100℃。在如此高温度的环境中，对流换热、辐射热都非常强烈。因此需要采取措施降低辐射热和对流换热，可有效改善烟气的温度回到燃室的受热情况。具体的改进建议有：（1）在回燃室的管束区添加一层耐火混凝土层，大约为50mm厚。耐火混凝土层能够直接阻隔高温度烟气的辐射热，又因为混凝土的导热系数较低，能够显著保护燃室管板，避免出现过冷沸腾等事故。然而添加耐火混凝土层之后，由于燃在室丧失了原辐射受热面，所以在计算锅炉热力时，要对此部分辐射受热面忽略不计。（2）管束的端部增设耐热钢衬管，管端的角焊缝得到有效保护，此处的对流换热还能显著转移到耐热钢衬管中去，保护焊缝的缝隙中尽量不出现过冷沸腾情况。（3）改善锅炉内回燃室的管板水循环最有效也是最重要的改进方式。回燃室的管板在水强制循环的强力冲刷下，冷沸腾也不易出现。通常是在回燃室的管板沿管束大约200 mm的位置，设置一个隔板，呈圆周封闭，强迫水冲刷管束，以提升水循环的流速，这时，锅炉回燃室管板的温度大大降低，也降低了冷沸腾的出现。
7.结语
笔者在参考了大量锅炉事故资料的基础上，提出上述的三种改善锅炉回燃室管板的受热情况的建议，经过试验验证，措施实施的效果是非常显著的。尤其是在应用富氧燃烧的过程中，使得锅炉回燃室管板的使用寿命大大延长，此外也使得锅炉的热效率有效提高，锅炉的生命周期延长，降低锅炉本体的事故发生率。
参考文献：
[1]刘兴家.提高锅炉热效率的新技术——富氧燃烧[J].工业锅炉，2007，1（101）：10-14.
[2]徐承立，马洪亭，姚洪娥.富氧燃烧技术用于链条燃煤蒸汽锅炉的合理性和可行性[J].节能.2009，04（06）：237-238.
[3]王沛法，杨新宇，王学深，郭鲁阳.富氧燃烧技术在燃煤电站锅炉中的应用分析[J].山东电力技术.2007，1（06）：110-113.
[4]米翠丽，阎维平，孔凡卓.富氧燃烧技术在锅炉节能方面的应用探讨[J].洁净煤技术.2009，09（01）：32-33.
[5]王政伟，吕宏伟，张光斌.富氧燃烧技术及其节能环保特性分析[J].化工机械.2011，10（03）：45-48.
[6]蔡灿稳，金晶，路遥，何丹丹.O2/CO2混合富氧燃烧技术探讨[J].能源研究与信息.2011，09（02）；56.
[7]凌荣华，谢建文，李英，王宝良，王辉，范卫东.电站锅炉富氧燃烧技术研究和应用现状综述[J].神华科技.2011，07（05）：108-109.
[8]王志平，曾雄伟，赵恩录，张文玲.富氧燃烧节能效率理论计算及富氧燃烧技术关键[J].玻璃.2009，34（04）：12.