在工业节能领域内，有许许多多动力装备需要富氧空气助燃，如各行业的工业炉窑、工业锅炉、内燃机、大型煤粉锅炉以及点火装置和稳定燃烧装置等。富氧燃烧技术的大量应用，大大提高了装备热效率，有利于节能减排，有效降低GDP能源消耗指标。
图4-12 富氧度、过程空气系数与火焰温度的关系
图4-13 富氧度与燃尽率及燃尽时间的关系
4.3.2.1 富氧炉窑
1）水泥窑
2012年，某水泥公司在5 000 t/d水泥回转窑上成功投运“MZYR-12000膜式富氧助燃节能装置”。该装置输出富氧流量为24 000 m3/h，配备自清洁式PLC控制的空气过滤器。
在同比条件下实测：炉窑火焰温度提高200℃，二次风温提高100℃，节煤率达到8.18%～10.73%；水泥窑排放烟气中NOx浓度降低15.64%，二氧化硫浓度降低7.71%，烟气流速降低2.28%［18］。
2）加热油炉
局部增氧助燃技术在少量助燃风量（1%～5%）下既节能环保，又解决了整体增氧投资大等问题［19］。
天津大港油田在2 500 kW燃油加热炉上应用膜法富氧局部增氧技术，经市节能监测站测试，空气过剩系数下降了0.88个百分点，排烟温度降低了7℃，节能率达10.85%（见表4-12）。
表4-12 膜法富氧局部增氧案例
大庆富氧燃烧技术应用情况见图4-14、表4-13、图4-15。
表4-13 膜法富氧助燃装置投用前后供热标定指标对比
（续表）
图4-15 触摸屏显示膜法富氧助燃系统工艺流程
3）链条炉排锅炉
在燃煤链条炉排锅炉同比条件下，测试负荷在24.5 MW以上时，富氧燃烧的节能率为6.15%；炉膛温度由原来的1 180℃上升到1 214℃；燃烧效率由71.6%提高到83.50%；飞灰含量绝对值下降10.16%；锅炉出力提高了1.25 MW；锅炉热效率达到82.59%，上升了5.14%。
4）循环流化床上的应用
近二十年来，大容量的循环流化床（CFB）燃煤锅炉取得了迅速的发展。但CFB也存在许多不足：飞灰含碳量高于煤粉炉；磨损设备及耐火材料；烟、风系统阻力大，需要高压鼓风机，存在风机电耗高、噪声大等问题；燃烧控制系统比较复杂；产出毒性更大的二次污染物N2O。然而，应用富氧技术之后，大大改善了CFB的节能减排性能。
山西潞安集团4×150 t/h循环流化床锅炉燃用屯留贫煤掺烧煤矸石，热值大于27.17 MJ/kg，原煤颗粒小、煤粉多、燃点高，属典型难燃煤种。飞灰含碳量一直高达30%左右，有时甚至达到40%～45%。多次改造收效甚少后改用富氧（制氧站3.5 MPa、99.9%的富余纯氧）掺入燃烧方法，局部增氧方式，将氧气送入缺氧区域。喷嘴设在前后二次风管处，双层布置。改造后，排烟温度由140～150℃下降了5～10℃，炉内供风量减少了11 286 m3/h，下降了15%～20%，排烟热损失q2减少了20%，燃料燃尽率提高了50%左右，锅炉效率提高了2%。折算每炉节煤节电效益约500万元/年［20］。
4.3.2.2 富氧在煤粉炉上的应用
研究者［11］以北京锅炉公司制造的150 t/h四角切圆燃烧、固态排渣中压煤粉锅炉为对象，在浓淡燃烧、分级送风的基础上，借助计算流体力学（CFD）技术，分析局部富氧助燃对煤粉炉水冷壁处的气体氛围，形成向火侧面欠氧、背火侧面富氧的分级燃烧，以实现安全、高效、低NOx的运行效果。
1）特点
（1）提高燃烧温度。在绝热情况下，空气含氧量从23%增加到25%时，火焰温度增加100℃；空气含氧量从25%增加到27%时，火焰温度仅增加30℃。
（2）提高燃烧反应速度。燃烧反应速度与温度、浓度的公式为
式中，
为燃气和空气中氧气的浓度。
由此可见，对于固体、液体，提高氧气浓度可大大提高燃烧反应速度。(www.xing528.com)
（3）燃烧后的排气量减少。富氧燃烧与纯空气燃烧相比，降低了混合气体中的氮气份额，减少了排放烟气余热（见表4-14）。
表4-14 燃料在常态（氧量为21%）与富氧（氧量为27%）燃烧中的空气及烟气流量
说明：
；
。
（4）降低燃料的燃点温度。燃料的燃点温度不是常数，用富氧助燃能提高火焰强度、增加释放热量等，如CO在空气中燃点为609℃，在纯氧中仅为388℃。
2）锅炉运行特性
对比改造前后锅炉运行的情况可知，原炉具有燃烧不良、冒黑烟、热效率较低、低负荷需投助燃油等缺点；后者富氧燃烧可减少烟气量，提高出力，减少飞灰含碳量。富氧燃烧与分级燃烧组合可减少热力氮NOx的浓度，有利于合理组织炉内气体流场和温度场，减少炉内结渣和高温受热面的高温腐蚀。
（1）富氧风喷嘴位置的确定 由炉内速度场和温度场的数值仿真及多次冷态和热态工业试验确定了富氧风喷嘴的形状和安装位置。富氧风喷嘴安装在炉膛四角，每角布置两层，上层位于燃烧器顶上11.5 m标高处，下层位于中二次风喷口9.3 m处。下层富氧风喷嘴出口与炉墙成25°夹角，按逆时针方向形成切圆，作为贴壁风，在水冷壁处形成氧化性气氛，实现炉膛向火侧面欠氧、背火侧面富氧；上层富氧风作为燃尽风，以降低飞灰碳含量。
（2）热态对比试验的效率增益大 当富氧率在25%左右时，飞灰碳含量、炉渣含碳量明显降低，固体未完全燃烧，热损失小于2%，锅炉热效率达到91.9%，超过性能保证值和设计值，比常规运行效率提高3.6%，燃烧效率在97%以上。
系统运行一年后进行了锅炉性能考核试验，采用GB10184—1988《电站锅炉性能试验规程》，考核工况锅炉效率超过性能保证值为91.40%。在150 t/h负荷下，锅炉的实际排烟温度高于烟气的酸露点128℃。在接近BMCR负荷情况下，锅炉的飞灰及其炉渣的含碳率均较低，机械不完全损失q4可以保持在小于2%的水平上，锅炉的燃烧效率可保持在98%左右。
锅炉富氧助燃技术改造后一年多，燃煤的硫含量基本在2%以上。其间对锅炉做过多次检查，未发现炉膛水冷壁和高温过热器上有结渣现象，也未在水冷壁等高温受热面上发现高温腐蚀迹象；管壁厚度和管材检查均未发现异常情况；空气预热器正常，未发现堵灰、低温腐蚀迹象。
燃烧器未改造前，在相同工况、相同位置的壁面烟气成分测量值O2为0，CO为4.03%～6.78%。改造后，试验中测点处水冷壁壁面附近的含氧量远高于2%，CO含量很低，呈现明显的氧化性气氛，有利于防范水冷壁高温腐蚀和严重结渣现象的发生（见表4-15）。
表4-15 水冷壁附近烟气成分测试结果
（续表）
（3）低负荷稳燃 在燃用挥发份Var[1]=12.21%、Aar[2]=26.14%贫煤时，可在50%额定负荷（75 t/h、1台磨煤机运行）下断油稳燃。整个试验期间不投油，炉膛负压稳定，煤粉着火迅速，燃烧稳定，火焰明亮，锅炉各项参数正常。
（4）经济效益明显 该机组采用富氧燃烧方式后，燃油费用大幅度降低，可节约油2 t/d；燃煤量降低，按锅炉效率增加3%，计算节煤5 215.68 t/a；高温腐蚀造成的人工及材料费用将明显降低：三项每年节约费用总和为334.08万元。
加装富氧装置后，需配富氧量约4 200立方米，总投资约163万元，电费取0.50元/度，设备按10年折算，维护费取0.2万元/月，仅节能一项大约半年就能收回全部投资。
4.3.2.3 柴油机应用富氧燃烧技术
以6L20/27型柴油机为模拟样机，通过GT-POWER软件，模拟了柴油机缸内燃烧情况。结果表明，当进气氧浓度为23%时，6L20/27型柴油机具有比较好的性能［21］。
1）柴油机富氧燃烧
在L195型柴油机上进行了富氧燃烧试验，结果表明：①油耗率一般下降4%～7%；②烟气黑度一般小于1波许值；③超负荷工作能力大增。当转速达到2 000 r/min、富氧为25%时，最大功率从8.8 kW上升到11.06 kW，增幅达25.9%。
国内外研究者在自然吸气汽油机和柴油机上应用富氧燃烧技术进行了大量的探索性研究。然而膜法富氧燃烧技术缺乏在柴油机上的应用研究。目前船艇柴油机一般都采用增压中冷技术。
2）富氧改善滞燃现象
柴油机的燃烧过程可分为四个阶段：滞燃、速燃、缓燃及后燃烧阶段。滞燃阶段包括燃料的雾化、加热、蒸发、扩散与空气混合等物理准备阶段以及着火前的化学准备阶段。当进气氧浓度约为24%时，富氧空气将大大改善滞燃阶段气液相的混合，为良好燃烧创造必要条件。由此，柴油机试验过程中将进气富氧浓度选为23%较佳。
3）富氧的效果
研究者［22］通过对6L20/27型柴油机分别进行系泊试验和试航试验，考察柴油机的燃烧过程、动力性、经济性和排放性能。当进气氧浓度为23%、柴油机转速为800 r/min时，循环功为66.22 kJ，最高爆炸压力为85.77 bar，最高温度为1 827.76℃，有效功率提高约2.2%，燃油消耗率降低1.2%，显著减少了碳烟、一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放，但NOx排放明显增大到1 020 ppm。
据美国阿贡试验研发中心的试验表明，25%的富氧气体随燃料一起喷射入柴油机，可减少NOx的生成，且减少70%固体粒子的排放，降低燃耗5%～7%。
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