富氧燃燒使用比通常空氣含氧濃度高的富氧空氣進行燃燒，是一項低氮節(jié)能的燃燒技術，在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)及熱能工程領域均有應用。富氧燃燒技術能夠降低燃料的燃點，加快燃燒速度、促進燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的煙氣量、提高熱量利用率和降低過量空氣系數(shù)等優(yōu)點。

一、富氧燃燒的特點

1、提高火焰溫度由于富氧燃燒減少的氮氣等不參與燃燒的氣體含量，因此他們吸收的熱量比普通燃燒時要少，從而使火焰溫度較普通燃燒時要高。燃料在氧氣中的火焰溫度均比空氣中的火焰溫度明顯提高。

2、提高火焰的輻射能力同樣由于富氧空氣中氮氣濃度的降低，因此燃燒產(chǎn)物中CO2和H2O等3原子氣體的濃度增加。而只有3原子和多原子氣體具有輻射能力，因此隨著助燃空氣中氧氣濃度的增加，火焰輻射能力也逐漸增強，有利于強化對工件的傳熱，縮短加熱時間。

3、加快燃料燃燒速度，促進燃燒完全燃料在空氣中和在純氧中的燃燒速度相差很大，如氫氣在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4.2倍，天然氣則達到10.7倍左右。故用富氧空氣助燃后，不僅使火焰變短，提高燃燒強度，加快燃燒速度，獲得較好的熱傳導，同時由于溫度提高了，也有利于燃燒反應完全。  

4、降低過量空氣系數(shù)，減少煙氣量用富氧代替空氣助燃，可適當降低過量空氣系數(shù)，減少排煙體積。在普通空氣助燃的情況下，占助燃空氣近4/5體積的氮氣并沒參加燃燒反應，并且在燃燒過程中被同時加熱，帶走大量的熱量。使用含氧量為27%的富氧空氣燃燒與氧濃度為21%的空氣燃燒比較，過量空氣系數(shù)a=1時，則煙氣體積減少20%，排煙熱損失也相應減少而節(jié)能。

  當然，富氧燃燒技術也有一定的缺點，由于火焰溫度的提高，對燒嘴的耐溫性要求更高，可能會減少燒嘴的使用壽命，因此實際生產(chǎn)時，富氧濃度不宜過高。另外較高的火焰溫度也會大大增加NOx的生成，造成煙氣中NOx濃度過高，不符合環(huán)保要求。不過，煙氣中的NOx濃度增加，對于煙氣的脫硝處理卻是有利的。  

二、富氧燃燒的方法：

富氧燃燒有空氣增氧燃燒、吹氧燃燒、全氧燃燒以及空氣-氧氣雙助燃劑等多種強化燃燒方法。

1、空氣增氧燃燒方法就是向助燃空氣中摻入氧氣，這是一種低濃度富氧的方法，一般常規(guī)空氣助燃燃燒器都能適用。為確保充分混合，氧氣經(jīng)散流器注入到助燃空氣中，可以縮短火焰長度并強化燃燒。但如果增氧過多，火焰長度會變得過短，溫度升高后的火焰可能會損壞回轉窯燃燒器或燒嘴磚。 

2、全氧燃燒使用高純氧氣替代助燃空氣，強化加熱的能力提高，但運行成本也提高。空氣-氧氣雙助燃劑燃燒分別由兩個不同的管道通過燃燒器射入空氣和氧氣，實際上它是空氣增氧法的一種變化形式，相當于在常規(guī)燃燒器上增加一個全氧燃燒器。這兩種方法由于運行或改造成本較高，應用并不廣泛。

三、制氧方法：

  富氧燃燒技術需要使用富氧空氣，因此，如何便捷有效低成本的制取氧氣或富氧空氣是富氧燃燒技術的關鍵。目前，適合工業(yè)應用的氧氣制備主要有深冷法、變壓吸附法及膜法等3種方法。

1、深冷法：深冷法是利用氧氮的沸點溫度不同（在大氣壓下氧的沸點為-182.98℃，氮的沸點為-195.8℃），先將空氣壓縮，再膨脹降溫冷卻后液化，然后在一定的設備——精餾塔內，通過溫度較高的蒸氣和溫度較低的液體的相互接觸，蒸氣中有較多的氧被冷凝，液體中有較多的氮被蒸發(fā)，通過多次接觸，以實現(xiàn)把空氣中的氧、氮分離，從而制取氧氣。

 這種方法一般投資較大，運行成本高，需要連續(xù)生產(chǎn)，適合大規(guī)模制氧。而富氧燃燒所需的氧氣量并不多，因此這種制氧方法不適合用于富氧燃燒。當然，對于一些大型的鋼鐵廠等，一般會有專門的大型深冷制氧設備，此時用這些設備制取的部分氧氣進行富氧燃燒又另當別論。

2、變壓吸附法：變壓吸附制氧是利用吸附劑對空氣中的氧氣和氮氣的吸附容量不同來實現(xiàn)分離氧、氮的目的。吸附劑具有選擇吸附性，在高壓下將空氣通過吸附劑，其中一種組分被吸附，另一種組分排出，再降低壓力解吸，釋放出被吸附的組分，從而實現(xiàn)分離氧、氮以制取氧氣。使用多塔切換可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，并且全部生產(chǎn)過程可實現(xiàn)自動控制。變壓吸附制氧法流程簡單，運行穩(wěn)定，生產(chǎn)靈活，且投資較小，運行成本低，比較適合用于富氧燃燒。

3、膜法制氧

 膜法氣體分離的基本原理是根據(jù)混合氣體中各種成分氣體在壓力的推動下透過膜的傳遞速度不同（通常稱傳遞速度快的為“快氣”，傳遞速度慢的為“慢氣”）而達到分離氣體的目的。目前膜法可制取30%左右氧氣濃度的富氧空氣，可直接用于富氧燃燒，且生產(chǎn)成本較低，目前也有不少應用實例。

四、經(jīng)濟性分析

下面以某鍛造加熱爐為例，粗略計算該爐增加一套變壓吸附制氧設備，改造成富氧燃燒的投資回收期。該爐年產(chǎn)量20000噸，使用天然氣為燃料，平均每噸鋼耗天然氣60m3，根據(jù)經(jīng)驗，假設使用富氧燃燒后，富氧空氣的氧含量為28%，綜合節(jié)能率為25%。

改造前該爐每年消耗天然氣：20000×60=1200000m3   

改造后每年消耗天然氣：1200000×（1-25%）=900000m3   

助燃所需的富氧空氣量為：900000×2/28%≈6428570m3   

可計算出需要額外增加的純氧量為：569620m3   

按制氧設備每年工作300天，每天24小時計算，需增加的變壓吸附制氧設備的生產(chǎn)能力為：569620/300/24≈80 m3/h該規(guī)模的變壓吸附制氧設備需要的總投資大約為90萬元。   

變壓吸附制氧的平均成本約為0.5元/m3，工業(yè)用天然氣的價格按2元/m3計算，每年的設備維護費用按總投資的2.5%計算，則改造為富氧燃燒后每年節(jié)省的費用為：1200000×25%×2-569620×0.5-900000×2.5%=29.27萬元   

因此，該設備的靜態(tài)投資回收期為：90/29.27=3.07年。

五、結語

綜上分析，富氧燃燒技術可提高火焰的溫度和輻射能力，加快燃料的燃燒速度，并且可以有效的減少煙氣量，從而提高爐窯的傳熱效率和能源利用率。變壓吸附制氧技術作為一種投資較小，運行成本較低，生產(chǎn)靈活且簡單的制氧技術，很適用與作為富氧燃燒的氧氣來源。采用變壓吸附制氧的富氧燃燒技術對傳統(tǒng)燃燒方式的爐窯進行改造，投資回收期較短，具有明顯的經(jīng)濟效益。