富氧燃烧技术的经济性与环保性分析.pdf

53燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 9 月第 54 卷第 5 期环境保护与节能减排富氧燃烧技术的经济性与环保性分析刘元德1，2刘开源1，2陈倩1，2兴连祺1，2王汉师1，2（1.中冶焦耐（大连）工程技术有限公司，大连116085；2.辽宁省低碳焦化专业技术创新中心，大连116085）摘要：介绍了富氧燃烧的基本概念和技术原理，并且与空气燃烧技术对比，分析了富氧燃烧技术的经济性和环保性。与空气燃烧技术相比，富氧燃烧技术既能降低燃烧炉排烟量及热损失、运行成本和设备投资，也能降低 CO2、SO2和 NOx的排放量，具有良好的经济性和环保性。关键词：富氧燃烧；废液制酸；经济性；环保性 中图分类号：X784文献标识码：文章编号：1001-3709（2023）05-0053-06Economic and environmental analysis for oxygen-enriched combustion technologyLiu Yuande1，2Liu Kaiyuan1，2Chen Qian1，2Xing Lianqi1，2Wang Hanshi1，2（1.ACRE Coking&Refractory Engineering Consulting Corporation（Dalian），MCC，Dalian 116085，China；2.Low Carbon Coking&Chemical Professional Technology Innovation Center，Liaoning Province，Dalian 116085，China）Abstract:This paper introduces the basic concepts and technical principles of Oxygen-enriched combustion and analyses the economics and environmental friendliness of Oxygen-enriched combustion technology in comparison to air combustion technologyOxygen enriched combustion technology，with good economy and environmental friendliness，can not only reduce the amount of exhaust gas，heat loss，operating cost and investment of combustion furnace，but also minimize the emission of CO2，SO2 and NOxKey words:Oxygen-enriched combustion；Acid-making from waste desulfurization liquid；Economy；Environmental friendliness1前言国外在航空发动机、船舶和工业炉窑燃烧系统中都有富氧燃烧技术的应用，在化学领域、石油化工领域也有富氧燃烧技术的应用，均得出了能节约燃料、提高产量、延长炉龄等结论，取得了较好的经济和环保效益。国内富氧燃烧技术已经在炼铁高炉、玻璃熔炉和工业炉窑上有成功的应用，也取得了不错的经济效益。中冶焦耐在吸收、借鉴国内外各类燃烧技术特点的基础上，于2016年将富氧燃烧技术应用在焦化含硫废液制酸工艺的燃烧炉中，代替了传统的空气燃烧技术，取得了较好的经济与环保效益。目前，富氧燃烧技术已经在焦化含硫废液制酸工艺中得到广泛应用。收稿日期：2023-01-20作者简介：刘元德（1985-），男，高级工程师2富氧燃烧的基本概念富氧燃烧技术是指助燃空气中的氧气浓度超过20.94%的燃烧过程，助燃空气中氧气浓度的极限为纯氧。由于反应物浓度的提高，在单位时间内燃烧强度大，火焰变短，火焰温度更高，能提高反应物的燃尽率，增强内部的辐射传热。3富氧燃烧的技术原理氧气在空气中的体积分数约为20.94%，氮气及少量的惰性气体的体积分数约为79.06%。在燃烧过程中真正参与燃烧反应的只有氧气，因为氮气及惰性气体不但不能助燃，而且还会在燃烧过程中带走大量的热量，所以严重制约了燃烧炉的热效率。在54燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesSep.2023Vol.54 No.53 4003 2003 0002 8002 6002 4002 2002 0001 8001 6001 400烟气热损失/kW富氧空气中氧气浓度烟气热损失图 2烟气热损失量与富氧空气中氧气浓度的关系20.94%25%30%35%40%26 00024 00022 00020 00018 00016 00014 00012 00010 00020.94%25%30%35%40%18 00016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 000烟气量/（Nm3 h-1）助燃气体/（Nm3 h-1）富氧空气中氧气浓度烟气量助燃气体图 1燃烧炉出口的烟气量与富氧空气中氧气浓度的关系燃烧炉上采用富氧燃烧技术后，不参与反应的氮气量减少，因此由氮气带走的热损失也减小，不仅节省了燃料，而且还从根本上改善了炉膛内部热量的分布及反应物的燃烧状态。4富氧燃烧的经济性分析以焦化含硫废液在燃烧炉中的高温焚烧为研究对象，以科技参考文献1提到的宝钢化工含硫废液的组成及流量为基础计算数据，见表1。分别从降低排烟气量及热损失、降低运行成本和降低设备投资3个方面进行富氧燃烧技术的经济性分析。4.1降低排烟量及热损失燃烧炉出口的烟气成分主要是燃烧产物和过量的空气。如图1所示，在相同的排烟温度（1 170）下，燃烧炉出口的烟气量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，助燃气体（空气）的消耗量为17 707 Nm3/h，燃烧炉出口的排烟量为24 671 Nm3/h。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，助燃气体（富氧空气）的消耗量为5 724 Nm3/h，燃烧炉出口的排烟量为11 833 Nm3/h，和传统的空气燃烧相比，助燃气体消耗量降低了67.7%，排烟量降低了52%。随着燃烧炉出口排烟量降低，由烟气带走的热损失也降低。排烟热损失的计算基准为余热回收后烟气带走的热量。如图2所示，在余热回收后烟气温度（350）相同的前提下，由烟气带走的热损失量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，排烟热损失为3 209 kW；当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，燃烧炉出口的排烟热损失为1 615 kW，和传统的空气燃烧相比，排烟热损失降低了49.7%。4.2降低运行成本运行成本包括原（辅）材料和动力的需求量。原（辅）材料的需求量主要是指制酸催化剂的消耗量；动力的需求量主要是指焦炉煤气、氧气、冷却水、除盐水、蒸汽和电的消耗量。采用富氧燃烧技术后，大幅度降低了燃烧炉排烟量，也就意味着原（辅）材料和动力的消耗量也随之减小，但是氧气的消耗量会增大。这里的氧气消耗是指为提高助燃气体中氧气浓度而补充的纯氧量，不包括空气中已含有的氧气量。4.2.1催化剂焦化含硫废液制酸工艺中，原（辅）材料的需求量主要体现在催化剂的填装量。催化剂是一次性填装，使用寿命为810年。催化剂的年消耗量为催化剂的填装量/使用寿命。本文中催化剂的使用寿命按8年进行计算。如图3所示，催化剂的填装量和年消耗量，均随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，催化剂的填装量为50 m3，年消耗量为6.25 m3；当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，催化剂的填装量为23 m3，年消耗量为2.88 m3。和传统的空气燃烧相比，催化剂的填装量和年消耗量均降低了54%。目前，市场上项目成分质量分数/%质量流量/（kg h-1）S9.68 533.08NH4SCN17.00 936.19(NH4)2S2O318.00 991.26(NH4)2SO45.00 275.35(NH4)2CO30.88 48.46(NH4)2Sx0.44 24.23NH3微量微量H2O49.00 2 698.43合计100.00 5 507表1宝钢化工含硫废液的组成及流量55燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 9 月第 54 卷第 5 期催化剂的价格为40 000元/m3。与传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧燃烧后催化剂的运行成本降低了13.48万元/a。氧气能源折算为109.4 kgce/h。与传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧燃烧后，综合焦炉煤气和氧气两方面，能源消耗降低了574 kgce/h。4.2.3冷却水冷却水包含循环冷却水和低温冷冻水。循环冷却水的供水温度以32、回水温度以45 为基准计算循环冷却水的需求量；低温冷冻水的供水温度以18、回水温度以25 为基准计算低温冷冻水的需求量。根据GB 213422013焦炭单位产品能源消耗限额，焦炉煤气折标准煤系数为0.571 4 kgce/Nm3，氧气折标准煤系数为0.080 2 kgce/Nm3，空气折标准煤系数取为0。以此为依据进行能源折算，1 196 Nm3/h的焦炉煤气能源折算为683.4 kgce/h；1 364 Nm3/h的4.2.2焦炉煤气和氧气如图4所示，焦炉煤气的消耗量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低；而氧气的消耗量，随着富氧空气中氧气浓度的提高而升高。当采用传统的空气燃烧时，焦炉煤气的消耗量为1 460 Nm3/h，空气的消耗量为17 707 Nm3/h，氧气的消耗量为0。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，焦炉煤气的消耗量为264 Nm3/h，空气的消耗量为4 360 Nm3/h，氧气的消耗量为1 364 Nm3/h。和传统的空气燃烧相比，焦炉煤气的消耗量降低了1 196 Nm3/h，空气的消耗量降低了11 983 Nm3/h，氧气的消耗量增加了1 364 Nm3/h。1 6001 4001 2001 0008006004002001 4001 2001 0008006004002000-20020.94%25%30%35%40%焦炉煤气消耗量/（Nm3 h-1）氧气消耗量/（Nm3 h-1）富氧空气中氧气浓度焦炉煤气消耗量氧气消耗量图 4焦炉煤气的消耗量和氧气的消耗量与富氧空气中氧气浓度的关系图 3催化剂的填装量和年消耗量与富氧空气中氧气浓度的关系富氧空气中氧气浓度504540353025206.56.05.55.04.54.03.53.02.5催化剂填装量/m3催化剂年消耗量/（m3 a-1）催化剂填装量催化剂年消耗量20.94%25%30%35%40%图 5循环冷却水和低温冷冻水的需求量与富氧空气中氧气浓度的关系富氧空气中氧气浓度20.94%25%30%35%40%800750700650600550500450400350200180160140120100806040200循环冷却水用量/（t h-1）低温冷冻水/（t h-1）循环冷却水用量低温冷冻水如图5所示，循环冷却水的需求量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低，仅在空气燃烧时需要低温冷冻水，富氧燃烧时不需要。当采用传统的空气燃烧时，循环冷却水的需求量为750 t/h，低温冷冻水的需求量为170 t/h。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，循环冷却水的需求量为435 t/h。与传统的空气燃烧相比，循环冷却水的需求量降低了315 t/h（42%），低温冷冻水的需求量降低了170 t/h（100%）。焦化厂循环冷却水折标准煤系数为0.143 kgce/t，低温冷冻水折标准煤系数为0.757 kgce/t，以此为依据进行能源折算。315 t/h的循环冷却水，能源折算为45 kgce/h；170 t/h的低温冷冻水，能源折算为128.69 kgce/h。与传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧燃烧后，在冷却水方面能源消耗降低了173.69 kgce/h。4.2.4除盐水和蒸汽采用废热锅炉回收炉气的余热产生中压蒸汽。自产的中压蒸汽，一部分用于除盐水的热力除氧，一部分用于加热进燃烧炉的富氧空气，剩余的外送。如图6所示，除盐水的消耗量和蒸汽的外送量均随富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传56燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesSep.2023Vol.54 No.5统的空气燃烧时，除盐水的消耗量为12 352 kg/h，蒸汽的外送量为9 628 kg/h。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，除盐水的消耗量为6 127 kg/h，蒸汽的外送量为5 155 kg/h。和传统的空气燃烧相比，除盐水的消耗量降低了6 225 kg/h，蒸汽的外送量降低了4 473 kg/h。根据GB 213422013焦炭单位产品能源消耗限额，除盐水折标准煤系数为0.189 kgce/t，中压蒸汽折标准煤系数为0.103 8 kgce/kg，以此为依据进行能源折算。6 225 kg/h的除盐水能源折算为1.18 kgce/h，4 473 kg/h的中压蒸汽能源折算为464.3 kgce/h。与传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧燃烧后，在除盐水和蒸汽两方面外供的能源共减少了463.12 kgce/h。4.2.5用电量焦化含硫废液制酸工艺中，SO2风机的用电量最大，占设备用电消耗总量的比重最高。如图7所示，SO2风机的用电量和设备用电消耗总量均随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，SO2风机的用电量为450 kW，设备用电消耗总量为1 045 kW。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，SO2风机的用电量为220 kW，设备用电消耗总量为525 kW。和传统的空气燃烧相比，SO2风机的用电量降低了230 kW（51.11%），设备用电消耗总量降低了520 kW（49.76%）。根据GB 213422013焦炭单位产品能源消耗限额，电力折标准煤系数为0.122 9 kgce/（kWh），以此为依据进行能源折算，520 kW的用电量能源折算为63.9 kgce/h。与传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧燃烧后，在用电量方面能源消耗降低了63.9 kgce/h。4.3降低设备投资采用富氧燃烧技术后，燃烧炉的排烟量大幅度降低，也就意味着设备的规格也随之减小。本文选取燃烧炉作为典型设备，以燃烧炉的炉膛体积为研究对象，然后再研究设备总投资。如图8所示，在烟气停留时间（4 s）相同的前提下，燃烧炉的炉膛体积随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，燃烧炉的炉膛体积为144.8 m3。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，燃烧炉的炉膛体积为69.5 m3。和传统的空气燃烧相比，燃烧炉的炉膛体积降低了52%，大幅度降低了燃烧炉的设备投资。图 6除盐水的消耗量和蒸汽的外送量与富氧空气中氧气浓度的关系富氧空气中氧气浓度13 00012 00011 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 00012 00011 00010 0009 0008 0007 0006 0005 000除盐水消耗量/（kg h-1）蒸汽外送量/（kg h-1）除盐水消耗量蒸汽外送量20.94%25%30%35%40%富氧空气中氧气浓度50045040035030025020015020.94%25%30%35%40%1 2001 1001 000900800700600500SO2风机功率/kW设备用电消耗总量/kWSO2风机功率设备用电消耗总量图 7SO2风机的用电量和设备用电消耗总量与富氧空气中氧气浓度的关系综上所述，和传统的空气燃烧相比，采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，原（辅）材料的消耗量降低了13.48万元/a，动力消耗量降低了348.47 kgce/h，表明富氧燃烧技术可以有效降低运行成本。富氧空气中氧气浓度1501401301201101009080706020.94%25%30%35%40%1.000.950.900.850.80炉膛体积/m3设备总投资（相对值）炉膛体积设备总投资图 8炉膛体积和设备总投资与富氧空气中氧气浓度的关系设备总投资以传统空气燃烧时的设备总投资为基准，采用富氧燃烧时的设备总投资为相对值。如图8所示，设备总投资随着富氧空气中氧气浓度的57燃 料 与 化 工Fuel&Chemical Processes2023 年 9 月第 54 卷第 5 期由于焦炉煤气的消耗量随富氧空气中氧气浓度的提高而降低，因此燃烧产生的CO2总量随着焦炉煤气消耗量的减少而降低。如图9所示，燃烧过程中产生的CO2总量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低；但烟气中CO2浓度随着富氧空气中氧气浓度的提高而升高。当采用传统的空气燃烧时，燃烧炉排烟中CO2的总量为867 Nm3/h，烟气中CO2气体的体积分数为4.8%。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，燃烧炉排烟中CO2总量为391 Nm3/h，烟气中CO2气体的体积分数为5.8%。和传统的空气燃烧相比，排烟中CO2的总排放量降低54.9%，同时排烟中CO2的体积分数提高了20.8%。5.2降低SO2气体的排放含硫废液燃烧过程中产生的SO2大部分来源于含硫废液中单质硫和铵盐的燃烧分解，小部分来源于焦炉煤气中H2S和有机硫的燃烧分解。在此可以将焦炉煤气中H2S和有机硫燃烧分解产生的SO2量忽略不计。不管是采用传统空气燃烧技术还是富氧燃烧技术，在相同的排烟温度下，燃烧过程中产生的SO2总量基本没有变化。由于燃烧炉出口排烟量随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低，因此尾气排放量也会随着排烟量的减少而降低。在相同的排放浓度要求下，SO2气体的排放量会随着尾气排放量的减少而降低。本文以GB 16171炼焦化学工业污染物排放标准中SO2的特别排放限值30 mg/Nm3为基准，计算尾气中SO2的排放量。如图10所示，尾气排放总量和SO2排放量均随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，尾气排放总量为17 783.9 Nm3/h，其中SO2的排放量为533.5 g/h。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，尾气排放总量为8 111.5 Nm3/h，其中SO2的排放量为243.3 g/h。和传统的空气燃烧相比，尾气排放总量和SO2的排放量均大幅度降低了54.4%。来源产生量/（Nm3h-1）NH4SCN277.3NH4CO311.4焦炉煤气578.4小计867.1表2空气燃烧时CO2 的总产生量富氧空气中氧气浓度90080070060050040020.94%25%30%35%40%5.82%5.58%5.33%5.05%4.82%CO2排放量/（Nm3 h-1）CO2的体积浓度CO2排放量CO2的体积浓度图 9CO2的排放量和体积分数与富氧空气中氧气浓度的关系富氧空气中氧气浓度18 00016 00014 00012 00010 0008 00020.94%25%30%35%40%533.5401.9320.1272.7243.3尾气排放总量/（Nm3 h-1）SO2排放量/（g h-1）尾气排放总量SO2排放量图 10尾气排放总量和 SO2的排放量与富氧空气中氧气浓度的关系提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，设备总投资为1.0。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，设备总投资为0.81。和传统的空气燃烧相比，设备总投资降低了19%。如果将焦化含硫废液的原料预处理过程也纳入设备总投资，则设备总投资能降低14.6%。综上所述，富氧燃烧技术可以有效降低设备投资。5富氧燃烧的环保性分析本文以焦化含硫废液在燃烧炉中的高温焚烧为研究对象，仍以科技文献1提到的宝钢化工含硫废液的组成及流量（表1）为基础数据，分别从降低CO2、SO2、NOx气体的排放3个方面进行富氧燃烧技术的环保性分析。5.1降低CO2气体的排放富氧燃烧技术是应对CO2排放造成全球温室效应的技术之一，含硫废液燃烧过程中产生的CO2，一小部分来源于含硫废液中NH4SCN与NH4CO3的燃烧分解，大部分来源于焦炉煤气中CH4、CO与C2H4的燃烧分解。采用空气燃烧时，含硫废液燃烧过程中产生的CO2总量见表2。58燃 料 与 化 工Fuel&Chemical ProcessesSep.2023Vol.54 No.55.3降低NOx气体的排放含硫废液在高温氧化分解过程中生成NOx，按其形成机理主要分为燃料型NOx和热力型NOx。富氧燃烧技术的应用主要改变的是热力型NOx的生成量。热力型NOx的形成主要有2个竞争性的因素：火焰温度和氮气浓度。火焰温度越高，热力型NOx的生成量越大；氮气浓度越低，热力型NOx的生成量越小。采用富氧燃烧技术后，火焰温度升高，但氮气的浓度降低，两种因素都影响着热力型NOx的生成量。富氧燃烧时，热力型NOx生成的峰值点仍需要进一步的理论研究和实践检验。为研究富氧燃烧过程中的NOx生成与控制，游卓等2在一维沉降炉上进行了煤的分级富氧燃烧试验，燃烧温度为1 1001 200，并利用Matlab和Cantera软件建立了一维沉降炉反应模型并进行分析。试验和模拟结果表明：和传统的空气燃烧相比，富氧燃烧时NOx生成量更低。不采用分级燃烧时，富氧燃烧时NOx生成量是传统空气燃烧时的77%；采用分级燃烧和烟气再循环等方法时，可进一步降低NOx生成量。为了进一步降低富氧燃烧时产生的NOx，富氧燃烧技术结合烟气再循环技术。通过富氧空气高速引射作为动力源，把部分烟气从燃烧炉的抽烟区卷吸到燃烧区，使富氧空气与部分烟气相混合，降低富氧空气中的氧气浓度后再与燃料混合燃烧，从而增加火焰长度，降低火焰温度。再循环烟气中的NOx也会对热力型NOx的生成起到重要的抑制作用3。研究表明，采用富氧空气燃烧时，如果氮气浓度降低7%，而火焰的温度保持不变，热力型NOx将降低4。目前，已投产的焦化含硫废液焚烧制酸项目，不管是采用空气燃烧还是富氧燃烧，燃烧炉出口烟气中NOx的含量均没有化验过，但是烟气经过相同的制酸工艺后，排放尾气中NOx的含量均100 mg/Nm3 5-6。由于燃烧炉出口排烟量随着富氧空气中氧气浓度的升高而降低，所以尾气排放量会随着排烟量的减少而降低。在相同的排放浓度要求下，NOx气体的排放量也会随着尾气排放量的减少而降低。本文以GB 16171炼焦化学工业污染物排放标准中NOx的特别排放限值150 mg/Nm3为基准，计算尾气中NOx的排放量。如图11所示，NOx的排放量均随着富氧空气中氧气浓度的提高而降低。当采用传统的空气燃烧时，NOx的排放量为2 667.5 g/h。当采用氧气浓度为40%的富氧空气燃烧时，NOx的排放量6结论（1）富氧燃烧技术具有良好的经济性。在焦化含硫废液制酸工艺中，和传统的空气燃烧技术相比，采用富氧燃烧技术可降低燃烧炉排烟量及热损失，降低运行成本和降低设备投资。（2）富氧燃烧技术具有较好的环保性。在焦化含硫废液制酸工艺中，与传统的空气燃烧技术相比，采用富氧燃烧技术可有效降低CO2、SO2和NOx的排放量，同时提高烟气中CO2的体积分数，为高效捕集CO2提供了良好的基础。另外，富氧燃烧技术和烟气再循环技术相结合，可有效降低火焰温度，避免产生局部高温，降低NOx的生成量，具有良好的环保效益。参考文献1张青.宝钢化工35 kt/a含硫废液制酸装置设计简介J.硫酸工业，2013（1）：4-8.2 游卓，周志军，王智化，等.分级富氧燃烧控制NOx的一维模型和试验研究J.中国电机工程学报，2014，34（26）：4462-4468.3 刘彦，张少华，徐江荣.富氧燃烧技术研究现状及发展J.能源工程，2013（6）：50-56.4 罗国民，温志红.富氧燃烧技术应用中几个关键问题的探讨J.工业炉，2013，33（6）：15-17.5 朱晓渊，颜长青.硫浆制酸尾气的深度治理J.燃料与化工，2019，50（3）：61-62.6 刘宏，刘元德，韩磊，等.“浆液进料、富氧燃烧”制酸工艺技术特点及其应用J.燃料与化工，2021，52（2）：5-8.甘李军编辑为1 216.7 g/h。和传统的空气燃烧相比，NOx的排放量降低了54.4%。富氧空气中氧气浓度2 8002 6002 4002 2002 0001 8001 6001 4001 20020.94%25%30%35%40%NOx排放量/（g h-1）NOx排放量图 11NOx的排放量与富氧空气中氧气浓度的关系