引言国内富氧燃烧技术研究多集中于煤粉炉的燃烧，内容主要集中在燃烧产物中NOx和硫化物的排放特性研究以及煤粉的燃烧与气化等几个方面，并且经过大规模试验，逐渐趋于成熟。对于循环流化床富氧燃烧技术的研究，还处于实验室阶段。气体燃料富氧燃烧技术可以实现排烟损失及污染物排放极限最低，具有巨大的节能、减排技术优势。气体燃料富氧燃烧的研究较少且多集中在工业炉方面，故有待进一步研究。选取LNG、COG、LDG、BFG等4种常见气体燃料作为研究对象。研究计算4种气体燃料在应用富氧燃烧（O2/N2）后，2个基本变量αF与ΔF对不同气体燃料的燃烧特性参数的影响。1富氧燃烧富氧燃烧是助燃气体中氧气体积分数高于常温下空气中氧气体积分数（约21%）的含氧气体进行燃烧，直至纯氧燃烧。富氧燃烧技术是一种高效节能燃烧技术，局部增氧技术所配富氧量仅为所需助燃气量的1%~3%[1]，大幅度节省了成本。富氧燃烧节能效果显著，能有效延长炉龄，有利于提高产品产量、质量，环保效果突出。2不同气体燃料富氧燃烧技术应用效果对比分析2.1常见气体燃料及成分特点富氧燃烧计算选取燃料工业上最常用的4种气体燃料：LNG、COG、LDG、BFG。其成分、低位发热量和高位发热量如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T001表1气体燃料成分成分LNGCOGLDGBFGCH4/%87.6225.60——CnHm/%12.012.40——CO/%—5.5058.1021.80H2/%—58.001.604.25N2/%0.375.9020.4050.65CO2/%—2.1019.7023.10O2/%—0.500.200.20可燃成分/%99.6391.5059.7026.05低位发热量/（kJ/m3）40 75822 2057 6453 554高位发热量/（kJ/m3）45 03919 8007 5483 297惰性气体含量对比1.0023.00109.00200.00低位发热量对比11.476.252.151.00与普通空气助燃类似，本研究富氧燃烧计算在O2/N2气氛下进行，预混条件下气体燃料完全燃烧，空气分级燃烧，燃料不做分级处理。试验参数以及变量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T002表2试验参数及变量组别氧气体积分数富氧度ΔF对照组210A组2652873093211B组40196039805910079%考虑过量氧气系数的变化，选取5组αF，分别为1.00、1.05、1.10、1.15、1.20。富氧空气与燃气入炉温度都按20 ℃计算，氧气体积分数符号设为COX。2.2ΔF与αF对4种气体燃料燃烧特性参数的影响2.2.1富氧空气量与单位富氧度空燃比降低率（1）在O2/N2燃烧方式下，每1 m3气体燃料燃烧所需的理论富氧空气量VOEA如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F001图1富氧空气量VOEA,LNGVOEA,COGVOEA,LDGVOEA,BFG。随COX增加，4种气体燃料的富氧空气量都是减少的。VOEA的变化范围为：LNG为2.37~11.27 m3/m3；COG为0.94~4.48 m3/m3；LDG为0.31~1.48 m3/m3；BFG为0.14~0.64 m3/m3。（2）单位富氧度空燃比降低率βΔ即每提高1%的富氧度，燃料富氧空气量的降低率，如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T003表3βΔ数值COX分区βΔCOX分区βΔ21~253.85033~402.50026~283.57041~601.67029~303.33061~801.25031~323.12581~1001.000%2.2.2烟气量与单位富氧度烟燃比降低率单位富氧度烟燃比降低率βΔ*类比βΔ定义即可，4种气体燃料的理论烟气量和βΔ*变化如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F002图2理论烟气量与βΔ*由图2可知，4种气体燃料的理论烟气量：Vn,LNGVn,COGVn,LDGVn,BFG，随ΔF的增大，理论烟气量减少，实质是OEA中惰性气体N2和水分的减少量。2.2.3理论燃烧温度本研究计算的理论燃烧温度是指燃料在炉膛内燃烧时（完全燃烧）所产生的热量加上助燃热风含有的热量全部传给燃烧产物时达到的温度。计算如下[2]：TLi=Qdw+Qair+Qfuel+QfVn⋅Cp (1)式中：TLi——理论燃烧温度，℃；Qdw——燃料的低位发热量，kJ/m3；Qfuel——燃料带入物理热，kJ；Qf——气体燃烧产物中CO2和H2O分解热，kJ；Qair——富氧空气代入物理热，kJ；Vn——1 m3气体燃料燃烧所产生的烟气量，m3/m3；Cp——燃烧产物比热容，J/(kg·℃)。（1）每提高1%富氧度，燃料理论燃烧温度增加量称为单位富氧度温差TΔ，αF=1.05。同一ΔF下，理论燃烧温度的关系：TLi,COGTLi,LNGTLi,LDGTLi,BFG。LNG和COG的TLi一直保持快速上升的趋势；COX60%，LDG和BFG的TLi随ΔF增大增幅变小，曲线趋于平缓，即对于中低热值的LDG和BFG，ΔF39%时，ΔF对TLi的增加更有利。4种燃料的TΔ随ΔF的增大逐渐减小，且COX40%，TΔ值几乎呈直线减少，∆F的影响效果迅速下降。单位富氧度温差如表4、图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T004表4单位富氧度温差气体燃料COX分区/%21~2526~2829~3031~3233~4041~6061~8081~100LNG/℃40.2029.2526.0024.0019.2910.846.184.43COG/℃35.4028.5025.0021.0017.8810.706.454.63LDG/℃24.4019.0015.5014.009.815.003.381.63BFG/℃17.0013.0011.7510.508.194.832.401.5810.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F003图3单位富氧度温度图（2）COX一定时，αF每增加0.05，TΔ增幅为0.025~0.8 ℃，增幅较小，αF对TΔ值影响小。TΔ=10 ℃，COX≈34%，TΔ=5 ℃，COX≈60%。随αF的增加，COX≈28%增大至30%；TΔ=10 ℃的等温差线，COX=60%~70%。αF每增加0.05，COX40%，TΔ值的增加幅度较大，最大增幅为2.9 ℃；COX40%，TΔ值略有增加，增加范围为0.04~0.79 ℃；COX40%，αF的大小对LNG的TΔ值影响较小。天然气和高炉煤气TΔ图如图4、图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F004图4天然气TΔ图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F005图5高炉煤气TΔ图2.3ΔF与αF对4种气体燃料热特性参数的影响2.3.1辐射热与对流热的分配比例（1）同一ΔF下，COG辐射热占比最大，LNG次之，LDG低于LNG，高于BFG。ΔF每提高1%，LNG、COG、LDG、BFG辐射热占比分别增加0.02%~0.56%、0.01%~0.27%、0.01%~0.42%、0.04%~0.72%。COX40%，LNG、COG与LDG辐射热占比增加幅度小，最大增幅为0.15%、0.08%、0.12%；COX60%，BFG辐射热占比增幅度小，最大增幅约0.26%。辐射热与对流热分配比例如表5、如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T005表5辐射热与对流热分配比例（αF=1.05）气体燃料COX2126283032406080100LNG辐射热89.7792.5893.2293.7394.1795.3396.5397.0597.36对流热10.237.426.786.275.834.673.472.952.64COG辐射热93.9595.3295.6895.9796.1996.88597.5997.9498.15对流热6.054.684.324.033.813.152.412.061.85LDG辐射热88.4890.5891.1491.5791.9392.8693.8794.4594.71对流热11.529.428.868.438.077.146.135.555.29BFG辐射热74.4778.0879.0779.9380.6782.7985.4686.6187.31对流热25.5321.9220.9320.0719.3317.2114.5414.3912.69%10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F006图6辐射热占比与对比（2）αF的影响：同一ΔF下，αF每增加0.05，LNG、COG、LDG、BFG的辐射热占比分别减小0.06%~1.06%；0.04%~0.42%；0.05%~0.71%；0.12%~1.0%。实质是烟气量增多导致理论燃烧温度的降低的结果。2.3.2火焰黑度与火焰辐射力燃油燃气时，火焰有发光和不发光部分之分，火焰黑度[2]计算：ah=mafg+(1-m)aq (2)式中：ah——火焰黑度；afg——火焰发光部分的黑度；aq——火焰不发光部分的黑度，由三原子气体CO2和H2O的辐射特性决定；m——与炉膛容积热负荷有关的平均系数。火焰中悬浮的炭黑粒子的辐射减弱系数kth计算[2]：kth=0.03(2-n)(1.6T1"1 000-0.5)CyHy (3)式中：n——炉膛过量的空气系数，n2时，Kth=0；Cy/Hy燃料应用基碳、氢含量比值，对气体燃料Cy/Hy=0.12∑(n/m)CnHm，m，n——化合物中碳和氢的原子数。4种气体燃料的碳、氢含量比值Cy/Hy与炭黑粒子辐射减弱系数kth如表6所示，火焰黑度与火焰辐射力如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.T006表6Cy/Hy与kth气体种类LNGCOGLDGBFGCy/Hy3.131.48217.9030.78kth0.150.0710.051.4210.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F007图7火焰黑度与火焰辐射力对比随ΔF增加，H2O和CO2浓度迅速增长，且LNG和COG的Cy/Hy和kth很小，导致LNG和COG的火焰黑度分别由0.43增至0.60、0.45增至0.62。火焰黑度与燃烧温度的增加导致LNG和COG的火焰辐射力几乎呈线性增强。随ΔF增加，虽LDG与BFG的三原子气体浓度增加，但LDG与BFG的Cy/Hy和kth极大，综合影响导致LDG的火焰黑度由0.416减少至0.403，BFG的火焰黑度以约0.000 1增加，基本维持在0.365的水平。燃烧温度的增加减轻了火焰黑度减少的影响，LDG与BFG的火焰辐射力随ΔF增加而增加。ΔF每增加1%，LNG、COG、LDG、BFG的火焰辐射力增加23.43~53.32 kJ、33.12~75.91 kJ、2.01~23.34 kJ、0.99~6.83 kJ。2.3.3排烟热损失与单位富氧度排烟热损失降低率单位富氧度排烟热损失降低率βresun：每提高1%的富氧度，排烟热损失降低的百分率。（1）排烟热损失关系：q2,LNGq2,COGq2,LDGq2,BFG，ΔF每增加1%，LNG、COG、LDG、BFG排烟热损失减小分别为6.76~90.38 kJ、2.70~36.98 kJ、0.88~11.90 kJ、0.35~4.83 kJ。排烟热损失在COX40%时下降较快。对于LNG和COG，COX60%，βresun1%；对于LDG，COX40%，βresun1%；对于BFG，COX28%，βresun1%。αF=1.05的4种气体排烟热损失如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F008图8排烟热损失（2）针对αF和COX对βresun的影响，选取LNG分析，如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F009图9天然气的βresun同一ΔF下，βresun随αF的增加而略有增加。COX=60%~70%，βresun减小至1%。αF每增加0.05，βresun增加0.02%~0.11%，αF对βresun的影响要小于ΔF。2.3.4热效率（1）随ΔF的增加，LNG与COG的斜率变化基本一致，LDG和BF斜率变化基本一致。ΔF相同的情况下，ηCOGηLNGηLDGηBFG。相较于普通的空气助燃，纯氧条件下的LNG、COG、LDG、BFG的η提高为4.66%、3.46%、3.24%、2.78%。反平衡法计算4种气体燃料的热效率η如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F010图10热效率（2）ΔF相同时，αF每增大0.05，LNG、COG、LDG、BFG的η减少0.06%~0.27%、0.05%~0.20%、0.04%~0.19%、0.04%~0.17%。2.3.5能耗分析加热炉能耗公式[3]：N=Q0Qin×η×3 600 (4)式中：N——加热炉能耗，m3/h；Q0——总热负荷，kW；Qin——总输入热量，kJ/m3。设LNG的N为1，4种气体燃料的加热炉能耗对比如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.07.017.F011图11燃料的加热炉能耗对比LNG加热炉能耗最低，COG、LDG和BFG的加热炉能耗约是LNG加热炉能耗的1.82倍、5.4倍、12倍。4种燃料的N随ΔF的增加是逐渐降低的。ΔF每增加1%，LNG、COG、LDG、BFG能耗降低量分别为0.008~0.121 m3/h、0.011~0.160 m3/h、0.032~0.451 m3/h、0.062~0.892 m3/h。2.4ΔF与αF对气体燃料烟气中H2O和CO2浓度的影响LNG与COG的含氢量远高于LDG与BFG，而LDG与BFG本身含有大量CO2，故LDG与BFG烟气中CO2浓度要高于LNG与COG，H2O浓度则小于LNG与COG。随ΔF增加，LNG与COG的CO2和H2O浓度基本呈线性增长，纯氧时CO2和H2O浓度增加2倍左右；LDG的CO2浓度由35.6%快速增至76.8%，浓度增加1倍多，H2O浓度由2.32%减小至2.30%，变化很小；COX40%，BFG烟气中的CO2浓度由29.7%增至37.2%；COX40%，CO2浓度增长变慢；COX=100%时，CO2浓度达到44.7%，整个过程H2O浓度由3.8%缓慢增至4.2%[4-7]。3结语将富氧程度分为4个区域，经理论计算，得出αF和ΔF对4种气体燃料（LNG、COG、LDG、BFG）的燃烧特性参数在不同富氧区域的影响结果[8-10]：（1）ΔF≤7%，αF与ΔF对各参数均表现出明显的效果，辐射热与TLi增加迅速，但排烟热损失较大，热效率较低。7%ΔF≤19%时，综合考虑TLi与辐射热，ΔF对LNG、COG与LDG的TLi和辐射热占比增加更有利，ΔF≤19%也是LDG的βresun1%的临界区域。排烟热损失快速下降，ΔF每提高1%，LNG、COG、LDG、BFG的βresun最大减少率为2.94%、2.82%、1.99%、1.24%；该区域内LNG、COG、LDG、BFG的η提高明显，ΔF每提高1%，η最高分别增加0.22%、0.16%、0.15%、0.13%；最大能耗降低量可达0.121 m3/h、0.160 m3/h、0.451 m3/h、0.892 m3/h。ΔF≤39%，是BFG的TLi和辐射热占比快速增加区；ΔF一定时，αF每增加0.05，BFG的TΔ增加幅度为0.025~0.8 ℃，故αF可根据情况选择。ΔF≤39%也是LNG和COG的βresun1%的区域。ΔF39%，αF与ΔF对各参数均影响较小。（2）αF对η、βresun和能耗的作用与ΔF相反，应控制αF的大小接近于1.00。（3）ΔF增加，LNG与COG的CO2浓度基本呈线性增长，纯氧时CO2浓度增加2倍左右；LDG的CO2浓度由35.6%快速增至76.8%，增加1倍多；COX40%，BFG烟气中的CO2浓度由29.7%增至37.2%，COX40%，CO2浓度增长变慢，纯氧时，CO2浓度达到44.7%。