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膜法富氧助燃技术论证及工程应用
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膜法富氧助燃技术论证及工程应用
【摘要】空气中氧气的含量对燃烧过程影响极大，但考虑到提高含氧量成本太高，所以，普通富氧助燃方式难以普及。文章中论证及应用的膜法富氧助燃技术经过实践证明经取得了良好的经济效益，节约了能源。
【关键词】膜法富氧；燃烧技术；锅炉热效率
膜法富氧技术系指利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同，在压差驱动下将空气中的氧气富集起来获得富氧空气的技术，该技术被发达国家称为“资源的创造性技术”而广泛应用。
大气中的氧气，无色无嗅，约占空气体积的21%，为燃烧过程及动植物呼吸所必需。采取一定方法，提高空气中的氧气含量，对于改善可燃物燃烧状况具有重大意义。
一、提高空气中的含氧量对燃烧过程的影响
空气中氧气浓度的增加，使其它气体含量相对减少，从而减少了燃烧产物的体积，使燃烧温度得以提高。
图1、图2分别表示了空气中含氧量、燃烧产物和理论燃烧温度的关系。图中Vyw表示空气中含氧量为ω%时的理论烟气量，Vy100表示用纯氧作助燃剂时的理论烟气量，tll表示理论燃烧温度。
由上图所示，含氧量的增加可使燃烧产物的体积减小，理论燃烧温度增加。这种影响当ω%≤40时非常显著，ω%＞40时逐渐减弱。这是因为富氧程度过大，温度过高，燃烧产物的离解度增加，相对增加了燃烧产物的体积，又遏制了燃烧温度的增加，见图3（其中，tlj表示考虑燃烧产物的离解时的理论温度。）。因此在工程中，富氧空气的含氧量应≤40%。
二、膜法富氧技术发展简介
早在20年前，工业发达国家就已广泛使用气体分离膜生产富氧空气，且规模逐年扩大。据资料显示，1982年世界气体分离膜销售额为300万美元，至1992年已达1.05亿美元，年平均增长率为42.7%。
日本以膜法富氧技术助燃，取得了显著成效。由国家资助的多家公司及研究所曾以气、煤、油为燃料，在各种条件下进行了大量富氧应用实验，得出如下结论：用23%的富氧助燃可节能10%~25%；用25%的富氧助燃可节能20%~40%；用27%的富氧助燃可节能30%~50%等。但全富氧助燃（即所需空气全用富氧空气代替）投资非常大，影响了推广应用。
中国科学院大连物化所自1986年即开始卷式富氧膜、组件、装置的开发和应用的研究。研制成功的“LTV-PS富氧膜，φ100mmX1000mm卷式组件及装置Ⅰ型”，于1988年获中国科学院科技进步一等奖。
目前，国产膜法富氧助燃技术及装置已日趋成熟。很显然，该技术最关键的部分为富氧膜。富氧膜的技术性能、制造成本与膜法富氧助燃技术的开发价值及推广应用前景息息相关。随着以聚砜为膜材料、硅橡胶为涂层的中空纤维复合膜研究的进展，国内已经能够制备具有一定富氧效果及透气性能的富氧膜，富氧体积分数达30%，富氧透气率为1.0X10-12m3/（m2·s·Pa）。卷式膜组件的价格也在逐步下降，为该技术的大规模推广应用创造了条件。
该技术所使用的富氧量仅为所需空气量的1%~3%，而可使鼓风（引风）量减少20%~50%。中科院大连物化所、江苏油田工程技术研究院、江苏阜宁富氧节能环保工程有限公司等单位研制开发的产品，富氧流量有40、80、12、160、200m3/h，可以为各种炉型提供配套技术服务。
三、膜法富氧助燃系统及其应用
（一）工艺流程
助燃系统工艺流程示意如下：
过滤器：要求除去空气中的灰尘（粒径＞μm）；
鼓风机：克服系统阻力，鼓风量为设计富氧空气量的7~15倍；
膜装置：由空气均配箱、卷式膜组件、真空均分器等组成；
真空系统：由真空泵、汽水分离器等组成。空气经该装置后产出富氧空气。
（二）富氧助燃对于锅炉燃烧过程的影响
1．提高火焰温度（从而提高炉膛温度），减少燃烧后烟气的排放量（详见前述及图1、图2），使有效利用热量显著增加，提高热力系统效率。
2．加快燃烧速度，促进燃烧完全，减少烟尘排放量，有利于环境保护。
3．降低过剩空气系数。显而易见，利用普通空气参与燃烧，过剩空气系数不宜过小，否则会造成燃烧不完全、炉膛温度低、烟囱冒黑烟等不良后果；过大则降低锅炉运行效率。因而，工程实际中，应根据不同情况，采用较为合适的过剩空气系数，对于锅炉来说，一般为1.05~1.30。利用富氧助燃，由于氧气浓度的提高，过剩空气系数可相对较低。此举可使热效率有显著提高。
（三）设计应用
在已经完成的“孤四管理区注气锅炉系统技术改造方案”文本中，设计采用了膜法富氧助燃技术，以提高锅炉系统热效率。
孤四管理区注气站锅炉房于1995年投产，共设SF23-17.2-YQ型高压注汽锅炉2台，为上海四方锅炉厂生产，蒸发量为23t/h，额定蒸汽温度为354℃，额定蒸汽压力17.2MPa。
锅炉房所有系统均为程序化控制，燃烧器、鼓风机、柱塞泵、软化水装置、热力除氧器（后改为过滤式除氧器）均作为锅炉配套，由厂家提供。运行一段时间后，测试发现锅炉外表面温度过高、过剩空气系数较大，造成锅炉热效率偏低。针对以上情况，自1996年起，孤四区对该锅炉房已经完成了以下改造：
锅壳内壁涂刷远红外隔热涂料，减小了辐射热损失，降低了锅炉外表面温度。
采用超声波吹灰装置，提高了对流段的换热系数，有利于降低排烟温度。
采取以上措施后，注汽锅炉运行热效率较高时为84%，而设计要求为90%，本次改造拟采用“膜法富氧助燃技术”，提高锅炉热效率。
采用“膜法富氧助燃技术”，须采取有效措施控制过剩空气系数。由于空气中氧气含量增加，改善了炉膛燃烧状况，因而，可以使过剩空气系数降低到1.10%~1.15%（原设计要求为1.15%~1.20%），从而进一步提高锅炉热效率。加装烟气含氧量检测装置，鼓风机变频控制，以含氧量控制鼓风机的运行，可以有效降低由空/燃比不匹配引起的排烟热损失。
2003年7月，该技术在孤四管理区注气站进行了实际应用。经测定，孤四区注汽锅炉热效率由84%提高至92.3%，提高幅度达8.3%，年节油计453.6t，经济效益十分显著。
四、膜法富氧助燃技术的应用前景
随着人们对于环保、节能要求的不断提高及膜法富氧技术本身应用研究的进一步发展，该项技术必将在锅炉房设计中得到越来越广泛的应用，创造出更加显著的经济效益和良好的社会效益。
【参考文献】
[1]章熙民，梅飞鸣，任泽霈，王中铮．传热学[M]．中国建筑工业出版社，北京．
[2]沈光林著“膜法富氧助燃技术在石油化工中的应用”[J]．石油化工，1998，（11）．
【作者简介】梁世川（1953- ），男，山东东营人，胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司工程师，研究方向：热能工程；马景树（1966- ），男，山东东营人，胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司高级工程师，研究方向：热能工程。
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助燃
论证
工程
技术
膜法富氧
2022/0612/64706
【摘要】空气中氧气的含量对燃烧过程影响极大，但考虑到提高含氧量成本太高，所以，普通富氧助燃方式难以普及。文章中论证及应用的膜法富氧助燃技术经过实践证明经取得了良好的经济效益，节约了能源。
【关键词】膜法富氧；燃烧技术；锅炉热效率
膜法富氧技术系指利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同，在压差驱动下将空气中的氧气富集起来获得富氧空气的技术，该技术被发达国家称为“资源的创造性技术”而广泛应用。
大气中的氧气，无色无嗅，约占空气体积的21%，为燃烧过程及动植物呼吸所必需。采取一定方法，提高空气中的氧气含量，对于改善可燃物燃烧状况具有重大意义。
一、提高空气中的含氧量对燃烧过程的影响
空气中氧气浓度的增加，使其它气体含量相对减少，从而减少了燃烧产物的体积，使燃烧温度得以提高。
图1、图2分别表示了空气中含氧量、燃烧产物和理论燃烧温度的关系。图中Vyw表示空气中含氧量为ω%时的理论烟气量，Vy100表示用纯氧作助燃剂时的理论烟气量，tll表示理论燃烧温度。
由上图所示，含氧量的增加可使燃烧产物的体积减小，理论燃烧温度增加。这种影响当ω%≤40时非常显著，ω%＞40时逐渐减弱。这是因为富氧程度过大，温度过高，燃烧产物的离解度增加，相对增加了燃烧产物的体积，又遏制了燃烧温度的增加，见图3（其中，tlj表示考虑燃烧产物的离解时的理论温度。）。因此在工程中，富氧空气的含氧量应≤40%。
二、膜法富氧技术发展简介
早在20年前，工业发达国家就已广泛使用气体分离膜生产富氧空气，且规模逐年扩大。据资料显示，1982年世界气体分离膜销售额为300万美元，至1992年已达1.05亿美元，年平均增长率为42.7%。
日本以膜法富氧技术助燃，取得了显著成效。由国家资助的多家公司及研究所曾以气、煤、油为燃料，在各种条件下进行了大量富氧应用实验，得出如下结论：用23%的富氧助燃可节能10%~25%；用25%的富氧助燃可节能20%~40%；用27%的富氧助燃可节能30%~50%等。但全富氧助燃（即所需空气全用富氧空气代替）投资非常大，影响了推广应用。
中国科学院大连物化所自1986年即开始卷式富氧膜、组件、装置的开发和应用的研究。研制成功的“LTV-PS富氧膜，φ100mmX1000mm卷式组件及装置Ⅰ型”，于1988年获中国科学院科技进步一等奖。
目前，国产膜法富氧助燃技术及装置已日趋成熟。很显然，该技术最关键的部分为富氧膜。富氧膜的技术性能、制造成本与膜法富氧助燃技术的开发价值及推广应用前景息息相关。随着以聚砜为膜材料、硅橡胶为涂层的中空纤维复合膜研究的进展，国内已经能够制备具有一定富氧效果及透气性能的富氧膜，富氧体积分数达30%，富氧透气率为1.0X10-12m3/（m2·s·Pa）。卷式膜组件的价格也在逐步下降，为该技术的大规模推广应用创造了条件。
该技术所使用的富氧量仅为所需空气量的1%~3%，而可使鼓风（引风）量减少20%~50%。中科院大连物化所、江苏油田工程技术研究院、江苏阜宁富氧节能环保工程有限公司等单位研制开发的产品，富氧流量有40、80、12、160、200m3/h，可以为各种炉型提供配套技术服务。
三、膜法富氧助燃系统及其应用
（一）工艺流程
助燃系统工艺流程示意如下：
过滤器：要求除去空气中的灰尘（粒径＞μm）；
鼓风机：克服系统阻力，鼓风量为设计富氧空气量的7~15倍；
膜装置：由空气均配箱、卷式膜组件、真空均分器等组成；
真空系统：由真空泵、汽水分离器等组成。空气经该装置后产出富氧空气。
（二）富氧助燃对于锅炉燃烧过程的影响
1．提高火焰温度（从而提高炉膛温度），减少燃烧后烟气的排放量（详见前述及图1、图2），使有效利用热量显著增加，提高热力系统效率。
2．加快燃烧速度，促进燃烧完全，减少烟尘排放量，有利于环境保护。
3．降低过剩空气系数。显而易见，利用普通空气参与燃烧，过剩空气系数不宜过小，否则会造成燃烧不完全、炉膛温度低、烟囱冒黑烟等不良后果；过大则降低锅炉运行效率。因而，工程实际中，应根据不同情况，采用较为合适的过剩空气系数，对于锅炉来说，一般为1.05~1.30。利用富氧助燃，由于氧气浓度的提高，过剩空气系数可相对较低。此举可使热效率有显著提高。
（三）设计应用
在已经完成的“孤四管理区注气锅炉系统技术改造方案”文本中，设计采用了膜法富氧助燃技术，以提高锅炉系统热效率。
孤四管理区注气站锅炉房于1995年投产，共设SF23-17.2-YQ型高压注汽锅炉2台，为上海四方锅炉厂生产，蒸发量为23t/h，额定蒸汽温度为354℃，额定蒸汽压力17.2MPa。
锅炉房所有系统均为程序化控制，燃烧器、鼓风机、柱塞泵、软化水装置、热力除氧器（后改为过滤式除氧器）均作为锅炉配套，由厂家提供。运行一段时间后，测试发现锅炉外表面温度过高、过剩空气系数较大，造成锅炉热效率偏低。针对以上情况，自1996年起，孤四区对该锅炉房已经完成了以下改造：
锅壳内壁涂刷远红外隔热涂料，减小了辐射热损失，降低了锅炉外表面温度。
采用超声波吹灰装置，提高了对流段的换热系数，有利于降低排烟温度。
采取以上措施后，注汽锅炉运行热效率较高时为84%，而设计要求为90%，本次改造拟采用“膜法富氧助燃技术”，提高锅炉热效率。
采用“膜法富氧助燃技术”，须采取有效措施控制过剩空气系数。由于空气中氧气含量增加，改善了炉膛燃烧状况，因而，可以使过剩空气系数降低到1.10%~1.15%（原设计要求为1.15%~1.20%），从而进一步提高锅炉热效率。加装烟气含氧量检测装置，鼓风机变频控制，以含氧量控制鼓风机的运行，可以有效降低由空/燃比不匹配引起的排烟热损失。
2003年7月，该技术在孤四管理区注气站进行了实际应用。经测定，孤四区注汽锅炉热效率由84%提高至92.3%，提高幅度达8.3%，年节油计453.6t，经济效益十分显著。
四、膜法富氧助燃技术的应用前景
随着人们对于环保、节能要求的不断提高及膜法富氧技术本身应用研究的进一步发展，该项技术必将在锅炉房设计中得到越来越广泛的应用，创造出更加显著的经济效益和良好的社会效益。
【参考文献】
[1]章熙民，梅飞鸣，任泽霈，王中铮．传热学[M]．中国建筑工业出版社，北京．
[2]沈光林著“膜法富氧助燃技术在石油化工中的应用”[J]．石油化工，1998，（11）．
【作者简介】梁世川（1953- ），男，山东东营人，胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司工程师，研究方向：热能工程；马景树（1966- ），男，山东东营人，胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司高级工程师，研究方向：热能工程。
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技术
膜法富氧
2022/0612/64706
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