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膜法富氧局部增氧助燃技术及其在各种锅炉和窑炉中的应用研究沈光林(中国科学院大连化学物理研究所,大连 116023)刘 丁建林(江苏石油勘探局石油工程技术研究院,扬州 225261)李玉林(江苏省阜宁富氧节能环保工程有限公司,盐城 224400)摘 要 膜法富氧局部增氧助燃技术及装置已十分成熟,可用于各种窑炉,如锅炉、加热炉和窑等.如用于玻璃窑炉时,不但平均节约燃料11.8%,增产10.2%,而且玻璃质量提高,窑炉寿命延长,烟尘排放达标等,一般3～11个月就能收回全部投资,故具有显著的社会效益和经济效益.关键词 膜法富氧 局部增氧 助燃 窑炉 节能 环保分类号 TQ028 TK17 TK12 X51 膜法富氧技术,系指利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同,在压力差驱动下,将空气中的氧气富集来获得富氧空气的技术.和深冷法、PSA 法相比,膜法具有设备简单、操作方便和安全、起动快、规模可小可中、不污染环境、投资少、节能效果显著、用途广等.近年来已引起国内外的关注,是一项热门的重要科研及开发项目[1～5].它在制备富氧方面的应用正在迅速增长,并正在取代其他高成本且操作不方便的分离技术[2].工业发达国家称之为“资源的创造性技术”[3].据文献[4]报道:1982年世界气体分离膜销售量为三百万美元,而1992年猛增到一亿零五百万美元,平均年增长率为42.7%.中科院大连化物所自1986年起就开始了卷式富氧膜、组件、装置及其应用和开发的研究,并成功研制了“LTV -PS 富氧膜,用直径100mm ×1000mm 卷式组件及装置Ⅰ型”,1990年成功地用于玻璃窑炉助燃技术,被确认为国家“八五”新技术重点推广项目,膜法富氧助燃装置还被评为1991年度国家级新产品,并多次获国际博览会和展览会金奖等.富氧助燃,一般分为整体富氧和局部富氧两种,前者系指全用富氧来燃烧,所需投资非常大,后者则用约占所需普通空气量的1%～3%的富氧来助燃,故投资要少得多.局部增氧助燃技术包括“局部增氧”、“梯度燃烧”和“对称燃烧”等高新技术,正如同怎样加钢于刀刃上一样.膜法富氧局部增氧助燃技术是膜法富氧技术和局部增氧助燃技术等的有机结合.本文首先介绍膜法富氧局部增氧助燃技术用于燃油、燃煤及燃气锅炉上的一般工艺流程,然后研究其节能和根治污染的机理,最后介绍膜法富氧局部增氧助燃技术在国内外的应用进展.1 工艺流程对于大多数助燃系统,一般推荐使用负压操作 收稿日期:1997-11-10第一作者:男,39岁,硕士,副研究员,课题组长第18卷 第2期膜 科 学 与 技 术V o1.18 No .21998年4月M EM BRAN E SCI EN CE AN D T ECHNO LOG Y Apr .1998流程,由于能耗较低,前处理简单,操作方便和安全,仅机/泵需日常维护,总投资较少等优点,有关流程示意图如图1.经过多年的应用和不断完善,该流程已日趋成熟,并且获得了发明专利.空气→过滤器→通风机→膜装量真空系统富氧空气脱湿系统→稳压系统→增压机→预热系统→喷嘴→窑炉图1 助燃系统流程示意图其中,过滤器:根据通风机量选取,有关指标为:可除去>10μm 的灰尘,阻力<0.980665kPa ;通风机:全压为2～9kPa ,风量约为富氧空气量的7～15倍;膜装置:由空气均配箱、卷式膜组件、真空均分器和外壳等组成;真空系统:包括真空泵和汽水分离器、调节阀、真空表等.真空泵要求在-66～76kPa 范围内有较大的抽气速率;脱湿系统:由L 型多孔气体混合器、水位调节显示器、除雾罩、进水脱湿箱和水位自动控制报警器等组成;稳压系统:由稳压罐、百叶挡板和放水阀等组成;增压机:风量比富氧量稍微大一些(一般不超过10%为宜),风压根据炉子和管路要求,一般在0.981～1.96kPa 之间;预热系统:要求阻力<0.490kPa ,富氧空气预热后温度应大于80℃;富氧喷嘴:与窑炉和燃料种类等匹配;脱湿系统、稳压系统、预热系统和富氧喷嘴根据炉型设计定做.2 膜法富氧局部增氧助燃技术用于节能和根治污染的机理[5～15]2.1 提高火焰温度因氮气量减少,空气量及烟气量均显著减少,故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高.但富氧浓度不宜过高,国内外研究均表明[6～7],富氧浓度在28%左右时为最佳,而这也正是膜法富氧的最佳浓度范围,因为氧浓度较高时,火焰温度增加较少,而制氧投资等费用猛增.2.2 加快燃烧速度,促进燃烧完全,从而根治污染燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大,如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍,天然气则高达10.7倍左右,故用富氧助燃,不仅能提高燃烧强度,加快燃烧速度,获得较好的热传导,而且由于温度提高了,将有利于燃烧反应完全,从而从根本上消除污染.2.3 降低燃料的燃点温度燃料的燃点温度不是常数,如CO 在空气中为609℃,在纯氧中仅388℃,所以用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等.2.4 减少燃烧后的排气量用普通空气助燃,约4/5的氮气不但不参与助燃,还要带走大量的热量.如用富氧助燃,氮气量要减少,故燃烧后的排气量亦减少,从而能提高燃烧效率等.2.5 增加热量利用率富氧助燃,对热量的利用率会有所提高,如用普通空气助燃,当加热温度为1300℃时,其可利用的热量为42%,而用26%(体积分数,以下同)的富氧空气助燃时可利用热量为56%,增加33%,而且富氧浓度越大,加热温度越高,所增加的比例就越明显,因此节能效果就越好.2.6 降低空气过剩系数用富氧代替空气助燃,可适当降低空气的过剩系数,这样,燃料消耗就相应减少,从而节约能源.日本节能中心技术部长小西二郎在工业窑炉节能措施中,着重于降低空气过剩系数的研究.如他在一台热处理炉中经多次试验,将空气过剩系数从1.7降到1.2,平均节能达13.3%.3 膜法富氧用于助燃进展[1～15]膜法富氧用于助燃,对所有燃料(包括气体、液体和固体)和绝大多数工业窑炉如锅炉、加热炉等均实用.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%的富氧空气燃烧褐煤或用21.8%的富氧空气燃烧无烟煤所得到的理论燃烧温度T 与用普通空气燃烧重油得到的T 相当,说明用富氧烧煤可代替用空气烧油,这在我国煤多油少的情况下特别具有重要意义.下面分别介绍国内外膜法富氧用于助燃的进展.3.1 国外膜法富氧助燃进展早在80年代初,许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术,特别是日本,其通产省就资助组织了旭硝子等七家公司和研究所参加的第2期 沈光林等:膜法富氧局部增氧助燃技术及其在各种锅炉和窑炉中的应用研究·51 ·“膜法富氧燃烧技术研究组”.由于能源紧张,日本先后有近20家公司推出膜法富氧装置.该国曾在以气、油、煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验,得出如下结论: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%的富氧助燃则节能高达30%～50%等.联邦德国在一座马蹄型蓄炉上用27%的富氧试验,使熔化率增加56.2%,能耗则下降20%,而熔化温度提高了100℃.瑞典、英国、德国在滚轧和铝熔炉装置上采用膜法富氧浓度25%～27%,节约燃料12%～28%,而原设备生产率提高17%～39%,美国WOLVERINE铜冶炼厂,采用29%的膜法富氧可节约燃料大于30%.文献[9～10]均报道:用30%的富氧助燃时可节约大约40%的天然气.此外前苏联、英国、法国、捷克等国均有膜法富氧用于助燃的报道.值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧来助燃,即所需空气全用富氧空气来代替,投资非常大,故国外还没有推广应用.还需说明的是国外已出现“全氧”,即用100%的纯氧来助燃,目的是消除氮氧化物.国内也有人想用“全氧”,但我们认为除非特殊领域非用不可一般锅炉使用很不现实.下面以10t燃煤锅炉为例来说明,如用我们的高新技术,仅需配富氧约140Nm3/h(标方/时),配电约13kW,占地约5m2,总投资才十五六万元,一般8至9个月就能收回全部投资.若用“全氧”来替代,需2500Nm3/h,配电约1700kW,占地约300m2,投资至少一千多万元.除非是特殊工艺需要,否则是决不能使用的.3.2 国内膜法富氧助燃进展早在1989年我国科学家就创造性地开发出“局部增氧”、“梯度燃烧”和“对称燃烧”等高新技术即局部增氧助燃技术.使用富氧量仅为所需空气量的1%～3%,而原来鼓风量和引风量均要下降20%～50%,这里包括机泵的选择和匹配,膜装置的优化组合,循环水的自动调节、控制和报警,常压富氧空气的除湿,富氧系统的稳压和增压,预热器和富氧喷嘴的设计、加工、安装和调试等关键技术,哪个环节出问题都会影响综合效果.经过8年多的不断完善,有关技术和系统等均已十分成熟,目前已推广20余家,包括燃油、燃煤和燃气窑炉,社会效益和经济效益十分显著.平均节约燃料11.8%,增产10.2%,产品质量均有提高,窑炉寿命也相应延长.由于燃料充分燃烧,显著改善环境状况,不少单位用富氧前曾因冒黑烟受到过环保部门的黄牌警告或罚款.用富氧后烟气排放全部低于国家环保标准,一般半年左右就能收回全部投资.表1是膜法富氧局部增氧助燃装置在北京玻璃六厂一号池炉运行五个月后的测试结果.表1 北京玻璃六厂一号炉试验结果测试项目有富氧助燃无富氧助燃差 值燃油耗量/kg·t-1130.13152.87-22.74熔化池火、空间温度/℃1660 1560 +100 烟气排气温度/℃320393-73全炉效率/%46.5538.65+7.95热损失/kJ·h-137490184858556-1109538玻璃熔化率/t·m-2·d-12.11.80.3玻璃质量等级B-C烟气排放标准低于国家排放标准冒黑烟增产率/%16.67节能率/%15对于工业锅炉,亦可使用膜法富氧局部增氧助燃技术,1997年10月13日在江苏油田的4t燃油锅炉上成功地进行了富氧节能试验,仅用40Nm3/h 的富氧空气.由江苏油田节能监测站监测,平均吨蒸汽节油为16.64%,通富氧后炉膛温度提高了约50℃,全炉热效率提高8.3个百分点,而且烟囱基本不冒黑烟.我们还分别在4t燃煤锅炉和30吨燃油锅炉上试验.前者是济南传染病医院的4t链条炉,仅用富氧量60Nm3/h,当时上富氧主要是解决排烟污染,用户根据我们提供的流程自行安装和调试,平均节煤在15%以上,烟气排放达标.后者是大连油脂化学厂,配富氧量约为300Nm3/h,设备于1996年1月末安装完毕,因当时没装重油流量计,仅做了初步试验.通富氧后烟囱黑烟立即消失,风机风门关闭1/3,蒸汽流量从28t/h增加到31t/h,而油压从2.1MPa降到1.9M Pa.本想春节后进行验收,后因市政府要求该厂动迁而搁浅.据文献[16]介绍,全国年产原油约140M t,每吨原油的总耗能约600MJ,其中1/3能耗用于原油蒸馏的加热炉,故全国每年仅炼油一项耗能相当于8Mt重油,若用我们的膜法富氧燃烧节能装置及技术来助燃,每年不仅能节约数亿元的燃料,而且能消除污染和延长炉龄等. ·52 ·膜 科 学 与 技 术 第18卷目前我国的富氧燃烧节能装置及技术均已十分成熟,并均受专利保护,在应用方面亦取得不少进展,相信不久的将来膜法富氧燃烧节能技术及装置在各种燃油、燃煤和燃气锅炉、加热炉及窑炉等的应用方面将取得更大的经济效益和社会效益.参考文献1 王学松.膜分离技术及其应用.北京:科学出版社,1994.68～982 Weber W F ,Bowman W .M embranes replacing other sepa -ration technologies Chem Eng Prog ,1986,82(11):23～283 孙本惠.应用膜技术的经济效益.化工新型材料,1994,22(10):1～64 朱长乐,朱长铨,刘茉娥.化学工程手册:第18篇.薄膜过程.北京:化学工业出版社,1987.7～855 沈光林,李新培,赵宝泉.膜法富氧用于助燃的理论研究.膜科学与技术,1994,14(3):47～536 卫德沛.膜法富氧燃烧节能技术———在玻璃熔炉上的应用.中国日用玻璃协会,1993.87 毛月波,祝明星,刘益芳,等.富氧在有色冶炼中的应用.北京:冶金工业出版社,1988.4～3298 Sulpizio T E .O xy gen enrichment ———marke ts and processeconomics .In :1985Membrane T echnology /P lanning Con -ference .Cambridge :M assachusetts Oct ,1985.209 Kimura S G ,Bro wall W R .M embrane oxy gen enrichmentⅠ.Demonstration of membrane oxyg en enrichment fo r nat -ural g as combustion .J M embrane Sci ,1986,62:71～7910 Baker R W ,Cussller E L ,Ey kamp W ,et al .M embraneseparation systems :recent development .A nd future direc -tions .U S A .N oyes Data Corporation ,1991.207～24111 V onesh F A J R ,Watts C W .Fuel savings with o xygen en -richment for fo rging furnaces :Ⅱ.Industrial Heating ,1984,16～3512 张海涛.工业锅炉膜法富氧燃烧技术探讨.节能,1992(6):12～1513 钱锦棠.膜式富氧化燃烧系统.化工新型材料,1985,13(9):11～1514 沈光林.膜法富氧技术用于节能研究.化工进展,1996(5):45～4715 沈光林.膜法富氧技术及其应用研究.化工进展,1996(5):45～4716 中国炼油技术编委会.中国炼油技术.北京:中国石油出版社,1991.70～666Technology for the oxygen enrichment by membrane and the local increasing -oxygen supporting -combustion and its use in various furnacesShen Guanglin(Dalian Institute of Chemical Phy sics ,the Chinese Academy of Sciences ,Dalian 116023)Liu S u ,Ding Jianlin(Institute of Petroleum Engineering ,Jiangsu Petroleum Exploratio n Bureau ,Jiangsu Yangzhou 225261)Li Y ulin(Jiangsu Funing Rich Ox ygen Consevation of Energy &Environmental Protection Corp .,Yancheng 224400)A bstract Technology for membrane oxygen enrichment and local increasing -oxygen suppo rting -combustion has very matured and can been used various furnaces e .g .boilers ,kilns ,heating furnaces .For example ,w hen it is used for glass melting furnace ,it can not only reduce fuel consumption by 11.8%,increase the output of products by 10.2%,but also improve the quality of products ,prolong furnace life ,reduce atmospheric contaimination fo r environmental pro tection ,the all capital outlays are recouped usually in 3～11months ,and social and economical benefits are bo th notable .Key words membrane oxy gen -enriched air local increasing -oxygen suppo rting combustion furances en -ergy -saving environmental protection第2期 沈光林等:膜法富氧局部增氧助燃技术及其在各种锅炉和窑炉中的应用研究·53 ·。
增大氧气浓度促进燃烧的例子
1.工业熔炼：
-钢铁冶炼过程中，高炉、转炉等设备中，为了加速铁矿石的还原和碳氧反应，会使用鼓风装置向炉内喷吹富氧空气或直接注入氧气。
这样可以大大提高燃料（如煤粉、焦炭）的燃烧效率，使高温热源更加强烈，从而加快冶炼速度。
2.燃气轮机发电：
-在燃气轮机中，天然气或其他燃料与压缩过的空气混合后点燃，而这种压缩空气中往往含有比正常大气更高的氧气浓度。
通过这种方式增加氧气含量有助于提高燃烧温度，进而提升能源转化效率和功率输出。
3.民用燃具调整：
-家用煤气灶具或烧烤设备可以通过调节供氧量来控制火焰大小和热度。
打开煤气阀门的同时适当调大进风口，可以增加进入燃烧区域的氧气浓度，使得火焰更加旺盛，烹饪效率更高。
4.医疗领域：
-在一些医疗场合，比如高压氧舱治疗，虽然不是直接用于燃烧过程，但病人吸入氧气浓度远高于常压下的氧气含量，以支持身体组
织修复、抑制厌氧菌生长等目的，这从侧面说明了高氧气环境对氧化反应有显著促进作用。
5.火箭发动机：
-火箭推进剂在火箭发动机燃烧室内燃烧时，通常会预先将氧化剂（通常是液态氧）与燃料混合，或者提供一个纯氧环境，确保燃料得到充足的氧化剂进行高效燃烧，产生强大推力。
文章编号:1009-671X (2003)01-0051-04国内局部增氧助燃技术研究及应用进展沈光林,牛正东,陈 勇(中国科学院大连化学物理研究所膜技术国家工程研究中心,辽宁大连 116023)摘 要:局部增氧助燃技术能用于各种燃料和大多数工业炉窑。
介绍了局部增氧助燃技术的基本概念;然后通过国内有关典型应用实例说明:局部增氧助燃技术用于节能和环保时具有显著的综合效益;最后通过实测数据证明:用富氧助燃时,能明显降低燃料的燃点和燃尽温度,并大大缩短燃尽时间。
①关 键 词:局部增氧;助燃技术;机理;工业炉窑;节能;环保中图分类号:O643.21 文献标识码:AStudy and Application of Local Oxygen 2increasing T echnologyfor Combustion 2supporting in ChinaSHEN Guang 2lin ,N IU Zheng 2dong ,CHEN Y ong(National Engineering Research Centre of Membrane Technology ,Dalian Institute of Chemical Physics ,Chinese Academy Sci 2ence ,Dalian 116023,China )Abstract :Technology of local oxygen 2increasing for combustion 2supporting can be used for different kinds of fuel and the majority of industrial furnaces and kilns.Basic concepts were firstly introduced in this paper ,then it was shown by typical examples in China :it created a well 2marked social and economical benefit when technology of local oxygen 2increasing for combustion 2supporting was used for energy 2saving and envi 2ronmental protection.Data measured finally demonstrated clearly reducing ignition point and burn 2out tem 2perature of fuels and greatly shortening burn 2out time of fuels with oxygen 2enriched combustion 2supporting.K ey w ords :local oxygen 2increasing ;combustion 2supporting technology ;industrial furnace and kiln ;energy -saving ;environmental protection.0 引 言局部增氧助燃技术是经过十多年的国家重点科技攻关开发成功的适用于各种燃料和大多数工业炉窑的一系列高新技术,是局部增氧技术和助燃技术两者的有机结合。
