富氧燃烧技术研究

富氧燃烧学的研究历史久远，随着国民经济的发展，生态环境的严格要求，富氧燃烧技术正在不断深化。

1）煤粉富氧燃烧特性

研究者［25］采用NETZSCH STA 409PC型热重分析仪对神木煤（Vad^[3]35.61%）和蒲白煤（Vad16.9%）3种不同粒度下的煤样在不同体积氧浓度下（20%、30%、40%、60%、100%）的燃烧行为进行观察。实验结果表明（见表4-17），随着氧浓度的增大，煤样燃烧分布曲线向低温区移动，煤样的着火温度及燃尽温度均呈下降趋势，着火时间提前且燃烧时间缩短，煤粉的综合燃烧特性指数有较大提高。

表4-17　两煤样的燃烧时间和失重率（d=63～74 mm）

（续表）

随着氧浓度增加，煤粉燃烧热重曲线向低温区移动，最大燃烧速率增大且出现得早，煤粉的着火温度和燃尽温度均降低，煤粉越易着火燃烧，氧浓度对燃尽温度的影响越大；表征煤粉综合燃烧特性的指数S随不同煤种粒径的变化而变化，蒲白煤的燃烧特性指数随粒径的增大而减小。粒径越大，氧浓度对煤样的平均燃烧速率的影响就越大（见图4-18）。

图4-18　燃烧特性指数S与氧浓度的关系

2）褐煤富氧燃烧

研究者［26］采用德国STA 409PC型热重分析仪在含氧量分别为21%、30%、40%、80%条件下，对3种褐煤进行燃烧特性测定。样本选用内蒙古东部霍林河、大唐和元宝山三个地区的褐煤，研磨筛分至80μm以下。

在升温速率一定的情况下，提高氧气浓度可以使煤的挥发分初析点、着火点、燃尽点及最大失重速率点提前，燃烧时间缩短，燃烧速率加快，最大燃烧速率增加，燃烧过程更易进行（见图4-19）。

不同的褐煤表现出不尽相同的燃烧特点，对氧浓度的变化敏感度存在差异。在同等条件下，霍林河褐煤燃烧最剧烈，最易进行，元宝山褐煤次之，大唐褐煤燃烧速度最慢。从工业分析数据可看出，各煤样之间工业成分差异不大，影响煤样燃烧速度的主要因素是煤样的组织结构及孔隙度。实际应用中，宜根据不同褐煤种类、综合制氧成本和燃煤经济性，选择合适的富氧浓度。

图4-19　褐煤富氧燃烧特征值指示图

3）煤粉富氧燃烧模拟研究

研究者［27］以600 MW四角切圆燃烧锅炉为研究对象，应用FLUENT计算流体动力学软件，选取合适的数学物理模型和几何结构，对不同工况下炉内的流动、传热与燃烧过程进行了数值模拟。先进行炉膛网格划分、模型选取以及边界条件设定，对燃烧器区域横截面采用Paving方法进行非结构四边形网格生成。对锅炉炉内煤粉燃烧进行三维稳态数值计算，基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程。富氧气氛下炉内温度场和壁面热负荷的分布特征如图4-20所示。

图4-20　氧浓度升高工况下的壁面热负荷变化

在O2/CO2氛围下，随着氧浓度提高，壁面平均热负荷与最大热负荷逐渐增高；炉内温度升高，炉内高温区变大，火焰中心逐渐下移。由于三原子气体的增加，在相同氧煤比下辐射能力加强，烟气量减少，烟气密度和热容增加，改变了对流换热工况。

4）燃机富氧燃烧应用研究

CO2排放的捕捉分离系统主要有三类：燃烧后捕捉、燃烧前捕捉和富氧燃烧（oxy-fuel combustion，即O-F燃烧）。

O-F燃烧是指用纯氧代替空气做氧化剂，将排气中的CO2/H2O回注到燃烧室控制火焰温度，剩余的CO2则通过简单的物理过程便可以被分离出来，加压之后进行商业应用或封存。

研究者［28］利用Chemkin-Pro软件分析CH4/O2/H2O在典型燃气轮机运行条件下的燃烧特性：对层流火焰传播速度、自点火延迟时间和化学反应特征时间进行数值研究，并与传统CH4/air燃烧特性进行对比，寻找O-F燃烧室的设计依据。

为避免燃烧产物在扩散燃烧高温火焰锋面处分解，采用预混燃烧方式，数值计算机理为GRI-Mech3.0。(www.xing528.com)

燃烧室运行的四个关键为吹熄、回火、燃烧不稳定和自动点火。吹熄、回火与局部层流火焰传播速度及局部气流速度之间的匹配相关。图4-21给出了层流火焰的燃烧温度T=610 K，压力p=17 atm时，CH4/air和CH4/O2/H2O两种混合物的层流火焰传播速度。可见，为了尽量保证与原来CH4/air相近的火焰传播速度特性，O2的体积分数应保持在24%～26%附近。

图4-21　O2体积分数和当量比对层流火焰传播速度的影响

当O2体积分数为26%～27%时，CH4/O2/H2O与CH4/air的化学特征时间值近似相等，此时二者的吹熄特性也相近。增加O2体积分数，CH4/O2/H2O化学反应特征时间会小于CH4/air，火焰比CH4/air稳定（见图4-22）。

图4-22　CH4/O2/H2O与CH4/air化学反应特征时间的比较

由此可见：

（1）对于不带有CCS的O-F燃烧系统，需要同时考虑CO和O2的排放量，宜选取合适的中间当量比值（Φ=1.0）。当量比增加，O2排放量虽然会减少，但CO排放量增多。

对于带有CCS的O-F燃烧系统，O2的排放量为首要考虑对象，可以适当增加当量比降低O2的排放量。平衡计算可知，当量比增加2%时，产物中的O2摩尔分数可降低50%。

（2）CH4/O2/H2O混合物的点火延迟时间要略小于CH4/air混合物，这是因为H2O参与了某些化学反应，使得点火延迟时间显著降低，但总体相差不大，设计CH4/air所用的自点火延迟时间的经验或准则也同样适用于CH4/O2/H2O。

（3）综合考虑绝热火焰温度、层流火焰传播速度以及化学反应特征时间，当CH4/O2/H2O中O2的体积分数为26%～27%时，O-F燃烧室的回火、吹熄以及出口温度特性与以CH4/air为燃料的燃气轮机最相近，对原型燃烧室的结构改动最少。

5）75 t/h循环流化床模拟研究

研究者［29］以75 t/h循环流化床锅炉为对象，采用富氧燃烧的模拟计算进行性能预测。利用工厂制氧站剩余氧气供富氧燃烧，氧气纯度达99.6%。图4-23、图4-24分别为O2/N2、O2/CO2气氛下送风含氧量变化对核心区炉膛温度分布和含碳量的影响。图中h/H表示测点高度与炉膛高度的比值。

图4-23　送风含氧量与炉膛高度的温度分布

图4-24　送风含氧量与炉膛内含碳量的分布

同样，图4-25、图4-26分别为送风含氧量变化与对流、辐射传热系数的关系，其变化量小，显然受多因素的综合影响。

图4-25　送风含氧量对对流传热系数的影响

图4-26　送风含氧量对辐射传热系数的影响

由图4-27、图4-28可见，不同气氛下排烟热损失q2、固体不完全燃烧损失q4，气体不完全燃烧损失q3、灰渣物理热损失q6差别较小。随含氧量提高，燃烧效率、锅炉热效率逐渐增加。

图4-27　送风含氧量与锅炉热损失q2、q3、q4及q6的影响

图4-28　燃烧效率、锅炉热效率与送风氧量的关系