引言工业副产煤气（包括高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等）占钢铁企业总能耗的12%，直接将其排放至空气中，不仅浪费能源，还会影响生态环境。我国在副产煤气资源合理化利用方面研究起步晚，发展较缓，钢铁企业对煤气回收利用技术的重视情况参差不齐；但已由原来单一的用于发电和燃烧，向多元化合理化发展。目前大量应用于用于热风炉、焦炉、烧结和加热炉等设备，还有很多企业将其通入锅炉中燃烧，但作为锅炉燃料，在运行中实际值与设计值存在着较大差异。此外，许多大型钢铁集团长期存有多余的氧气，如果能将此类能源合理利用到燃气锅炉中，不仅能够减少能源浪费，在一定程度上可以提高锅炉燃料的利用率［1］。如今空分技术逐步提高，使得制氧成本大大降低，因此采用比空气中含氧浓度更高的空气来助燃，在工业发展中越来越得到关注，被众多学者认为是目前行之有效的节能燃烧方式之一［2-6］。该方式具有能耗较低的优势，并且可在温和条件下实现分离，可连续分离且易于其他分离过程结合，装置简单且操作简便［7-11］。目前我国许多高校和学者对富氧燃烧中传热过程、污染物生成以及锅炉热效率等几个方面展开了研究，对不同煤气成分随富氧程度变化的对比研究较少。此外，煤气的成分和流量对燃烧过程有着重要影响，当其波动较大时，会导致炉内温度、燃料着火及火焰传播速度不稳定，造成锅炉的安全隐患问题。因此，对不同燃料燃烧特性的对比分析具有重要意义［12］。以河北某动力厂220 t/h燃气锅炉提供煤气数据为案例，针对锅炉实际运行中存在水平烟道烟气氧含量不足的问题，采用助燃空气富氧增容的手段，在解决燃气锅炉现存问题的基础上，分析对比不同煤气在燃烧特性中的影响，以更好地利用工业副产煤气，改善锅炉低负荷稳定燃烧以及提高锅炉的运行性能，1理论分析燃烧反应计算是按照燃烧中的可燃物分子与氧化剂分子进行化学反应的反应式，根据物质平衡和热量平衡的原理［13］，确定燃烧反应的各参数，其中包括：单位数量燃料燃烧所需要的空气量、燃烧产物的数量、燃烧产物的成分、燃烧温度和燃烧完全程度等［14］。该方法属于燃烧静力学计算，即不涉及气流混合或扩散速度等动力学问题，仅就化学反应的平衡状态进行计算。根据燃烧产物的组成，可以把燃烧分为完全燃烧和不完全燃烧两大类。现以燃气锅炉提供的燃料成分及热值为例，按完全燃烧时进行燃烧反应的计算。针对高炉煤气、转炉煤气以及按9∶1混合的混合煤气进行助燃空气富氧燃烧特性的分析。助燃空气中O2浓度按多次改变，少量递增的原则，O2浓度分别取21%、24%、27%、30%、33%、36%和39%，通过对比3种煤气在不同O2浓度中燃烧特性的变化，研究助燃空气氧浓度改变对空气量、烟气量、烟气成分、空气系数以及燃烧温度的影响。燃料成分及热值如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.T001表1燃料成分及热值项目高炉煤气转炉煤气混合煤气H2含量/%1.901.501.86N2含量/%56.9429.5054.20O2含量/%1.6601.49CO含量/%24.0045.5026.15CO2含量/%15.5022.0016.15CH4含量/%01.500.15低位发热量Q/(kJ/m³)3 1926 3843 511.202研究结果分析2.1氧气浓度对理论空气量及烟气量的影响根据燃烧反应基本理论可得，富氧后所需理论富氧空气量FL0、理论干烟气量FV0与氧浓度r之间的关联式如下：FL0=0.21L0/r (1)FV0=V0-0.79L0+0.21L0(1-r)/r (2)式中：L0——常氧态空气下的理论空气量； V0——常氧态空气下的理论干烟气量。氧气浓度对空气量以及干烟气量的影响如图1所示。图1氧气浓度对空气量以及干烟气量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F001（a）氧气浓度对理论空气量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F002（b）氧气浓度对理论干烟气量的影响由图1可知，随着氧气浓度r增加，理论富氧空气量FL0和理论干烟气量FV0均减少，且变化速率先增加后减少：即在低氧气浓度下（21%~30%），FL0和FV0的减少速率显著；而在高氧气浓度（30%~39%）区间内，其减少速率变缓。另外，随着氧气浓度r增加，煤气热值越高，其理论干烟气量FV0下降速率越快，变化显著。2.2氧气浓度对烟气成分的影响燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算。气体燃料完全燃烧时，空气系数n按1.15计算3种煤气产生的烟气成分，各组分含量与氧浓度r之间的关联式如下：Vco2=mCO+∑nmCnHm+mCO2-1100 (3)VH2O=mH2+∑m2mCnHm+mH2O-1100 (4)VN2=mN2-1100+79100×n×FL0 (5)Vo2=21100n-1FL0 (6)计算结果如图2所示。图2氧浓度对烟气中各组分体积分数的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F003（a）高炉煤气烟气各组分含量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F004（b）转炉煤气烟气各组分含量变化10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F005（c）混合煤气烟气各组分含量变化由图2可知，随着O2浓度增加，高炉煤气烟气中水蒸气浓度减少，混合煤气烟气中水蒸气缓慢增加；而转炉煤气烟气中水蒸气浓度呈明显上升趋势，这是由各种煤气自身成分引起的差异。O2浓度增加，干烟气量减少，因此烟气中O2和CO2的浓度含量均提高。随着O2浓度的增加，N2浓度含量都明显降低，其中，高炉煤气降低约7%，转炉煤气降低约15%，混合煤气降低8%。综上烟气各组分含量只与燃料成分有关，燃料中的可燃成分含量越高，发热量越高，则理论烟气量FV0也越大。2.3氧气浓度对空气系数及烟气残氧的影响助燃空气中氧浓度升高，完全燃烧所需空气量减少，根据空气系数n= Ln/L0，如果送风机额定风量不变，那么空气系数将会增加。据燃烧学基本理论可得，富氧后烟气中含氧体积分数VO2与氧浓度r以及空气系数n之间的关联关系如下：VO2=(n-1)rFL0 (7)氧浓度与烟气中氧含量以及空气系数之间的影响如图3所示。由图3（a）可知，不同空气系数下，随着O2浓度升高，烟气中氧含量均增加；空气系数越大，烟气中氧含量增加越多。为保证各煤气完全燃烧，减少氮氧化物含量占比，保障锅炉低负荷时平稳运行，要求烟气中氧含量达到2%。以空气系数1.10为例，在助燃空气O2浓度为33%时，烟气中氧含量可达到2%，能够满足平稳运行。同理以转炉煤气和混合煤气为燃料时，助燃空气O2浓度增至27%、29%时，烟气中氧含量也可达到2%，满足运行规程要求。图3氧浓度与烟气中氧含量以及空气系数之间的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F006（a）不同空气系数对烟气中含氧量的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F007（b）氧气浓度变化对空气系数的影响由图3（b）可知，在送风量不变的前提条件下，空气系数会随着O2浓度的增加而降低，当提高助燃空气O2浓度至38%时，空气系数会降低6%～7%。2.4氧气浓度对理论燃烧温度的影响燃烧温度升高在理论上会影响污染物排放，在实际条件下的燃烧温度与燃料种类、燃料成分、燃烧条件和传热条件等各方面的因素有关，假设燃料在绝热系统中燃烧，分析燃烧过程的热量平衡，富氧后理论燃烧温度T理与氧浓度r之间的关联关系如下：T理=Q1+Q2+Q3-Q4V0-0.79L0+0.21L01-rrC1+C2n-10.21L0r (8)式中：Q1——燃料的化学热，kJ/m³；Q2——空气带入的物理热，kJ/m³；Q3——燃料带入的物理热，kJ/m³；Q4——燃烧产物达到1 800 ℃时热分解反应消耗的热量，kJ/m³。富氧浓度对燃料理论燃烧温度的影响如图4所示。由图4可知，随着O2浓度的增加，3种燃料理论燃烧温度升高速度均先增加后降低，但其拐点不一样，其中热值高的转炉煤气的理论燃烧温度升高速度比高炉和混合煤气高。一般来说，当理论燃烧温度达到1 800 ℃时，要考虑燃烧产物的分解热。当混合煤气在O2浓度为33%时，理论燃烧温度已经达到1 800 ℃以上。考虑其产物分解所消耗的热量后，其理论燃烧温度缓慢上升。即混合煤气在O2浓度21%～32%范围内，理论燃烧温度升高速度快；随着O2浓度进一步增加，理论燃烧温度升高速度缓慢，存在明显拐点。而转炉煤气在O2浓度为21%～27%范围内，理论燃烧温度升高速度快，O2浓度进一步增加，理论燃烧温度升高速度降低。因此对于以提高燃烧温度为目的的富氧燃烧，混合煤气最佳O2浓度为32%，而转炉煤气最佳O2浓度为27%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.001.F008图4富氧浓度对燃料理论燃烧温度的影响3结语采用助燃空气富氧增容方案，在解决某动力厂220 t/h燃气锅炉现存问题的基础上，分析对比不同煤气在燃烧特性中的影响，包括空气量和烟气量、烟气氧含量、空气系数等，对数据进行系统分析与研究，得到以下结论：（1）不同燃料富氧燃烧后，其空气量和烟气量均减少，但燃料热值不同，下降速率也有所差异；控制烟气中氮气含量，能够有效降低污染物生成，O2浓度增加到38%时，高炉煤气、转炉煤气以及混合煤气中N2浓度含量降低约7%、15%和8%；热值越高的燃料经助燃空气富氧后，产生的影响越大。（2）高炉煤气、转炉煤气以及混合煤气在送风机额定风量不变的情况下，助燃空气分别富氧至33%、27%、29%时，可提高锅炉水平烟道烟气氧含量，使氧含量达到2%左右，基本满足锅炉运行要求。（3）燃气锅炉采用助燃空气富氧燃烧的技术方案，不仅能够减少排烟量与空气量，还能够提高燃气锅炉水平烟道含氧含量，在有效利用工业副产的同时减少了污染物的排放。但从结果分析来看，倘若一味地通过增加O2浓度来达到提高烟气氧含量的目标，超过一定范围后，只会降低反应速率，并且增加额外的投入成本，造成不必要的资源浪费。因此，采用助燃空气富氧应该综合考虑技术成本与效率收益之间的平衡关系，使经济利益达到最大化。