富氧燃燒技術和有色火法冶金“碳達峰”

華志宇，楊云冬，王 斌

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.昆明華潤燃氣有限公司，云南 呈貢 650000)

0 引 言

習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話當中表示，中國將提高我國自主貢獻，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳力爭“2030排放達到峰值、2060年努力爭取碳中和”。

目前，中央把“碳達峰、碳中和”工作列為八項重點任務之一。習近平總書記在2021年4月22日“世界地球日”領導人氣候峰會視頻會議上發表了《共同構建人與自然生命共同體》的講話，“2030碳達峰、2060碳中和”是基于推動構建人類命運共同體和實現可持續發展做出的重大戰略決策。

與歐洲相比，其在20世紀90年代就達到峰值，是一個自然而然的過程，是在事后才知道碳達峰，并經歷了一個長期過程后才開始二氧化碳排放緩慢下降，開始走向碳中和。

然而，石化能源在我國總能源占比高達80 %，二氧化碳排放仍在攀升，至今沒有看到峰頂；同時，我國的單位GDP碳強度是世界平均水平的3倍多，是歐盟的6倍；故我國需參照國外相關的政策、市場、技術等方面，來實現具有中國特色的“碳達峰、碳中和”目標。

要實現“碳達峰、碳中和”戰略目標，能源是主戰場，加快石化能源低碳轉型需要對現存的能源消費和利用方式進行重塑，在消費、供給、輸送、儲存、市場機制等環節均面臨著技術挑戰，需要開展技術創新，以提供高效的解決方案。

提高石化能源的使用效率，是目前我國激發更多創新活力、從根本上支撐碳達峰愿景實現的有力措施之一，而富氧燃燒技術則是一種有色火法冶金實現“碳達峰”可靠的技術手段。

1 富氧燃燒技術

近20年，隨著國際能源供應趨緊和能源價格的日益高漲，許多發達國家都投入了大量的人力物力研究富氧燃燒技術，均得出節能、增產、提高品質、減少煙塵排放、減少二氧化碳排放、延長設備使用壽命的結論。我國在工業窯爐、火力發電方面就富氧燃燒進行助燃、節能，也取得了一定的技術進步，目前主要應用于火力發電廠燃煤鍋爐、玻璃行業、水泥爐窯等方面，在富氧度23 %～30 %情況下，可節能10 %～45 %。

1.1 富氧燃燒理論

在標準狀態下，空氣中氧氣的體積含量約為20.93 %，氮氣約為79 %，另外存在極少量惰性氣體；真正參與燃燒有用的氧氣只占空氣總量的五分之一，占了空氣總量五分之四的氮氣不但不助燃，反而在燃燒排放還帶走了大量的熱能，嚴重制約了各種工業與民用爐窯的熱效率。在燃燒爐使用了富氧燃燒后，通過減少無用氣體含量來降低熱損失外，同時也改善了爐膛內部的熱場分布。富氧助燃通過增強燃料的燃燒強度、加快燃料的燃盡速度、提高燃料的熱量釋放效率，具有明顯的“碳達峰、碳減排”效益。

在爐窯內的氧含量增加4 %～5 %，爐窯內火焰溫度一般可升高200～300 ℃。也就是說，當爐窯內氧含量為20.93 %時，一般爐窯，如回轉窯，工作溫度1 250 ℃，當富氧度達到25 %～26 %時，窯內工作溫度可達到1 400 ℃，大大提高爐窯的工作效率。

1.2 富氧燃燒種類

富氧燃燒目前按照富氧形式，可分為以下4類。

1.2.1 氧氣噴槍噴吹燃燒

氧氣噴槍噴吹燃燒就是利用氧氣噴槍直接在燃燒室內局部注入氧氣進行燃燒的技術。

這種技術起源于鋼鐵企業煉鋼工藝，目前也有用于銅冶煉的艾薩爐或側吹爐、錫冶煉的奧斯邁特爐等。氧氣噴槍噴吹燃燒系統要求氧氣純度高、工作壓力大，適用于冶煉強度高的冶金裝置；缺點是一般使用深冷制氧系統，因冷卻液化制取純氧，而導致制氧電耗成本高，除非生產必須使用，在其他裝置當中不建議運用。

1.2.2 微富氧燃燒

微富氧燃燒系在爐外將氧氣和空氣按一定富氧度混合，呈微富氧狀態，之后進入燃燒器燃燒。

這種技術主要運用于燃燒區域內工作壓力不超過20 kPa的爐窯，氧氣可以是純氧，也可以是富氧空氣。

微富氧燃燒在爐外通過可靠的混均裝置可以將氧氣、空氣充分混均，爐內燃料燃燒完全、熱場分布均勻，如使用膜法富氧，獲得富氧空氣能耗更低，故此運用較廣。

1.2.3 空-氧燃燒

空-氧燃燒方式是空氣和氧氣同時進入燃燒器，在燃燒器內混合后燃燒。

因這種方式空氣和氧氣混合不均勻，爐窯內熱場分布不均，且燃燒器制造難度大，故除特殊需要外，一般不使用。

1.2.4 純氧燃燒

純氧燃燒就是利用氧氣直接取代空氣進行的燃燒方式，是目前在可封閉爐窯上，可大力推廣使用的燃燒方式。這種方式需要二氧化碳進行回流，但燃燒熱效率最高，同時可以進行“碳捕捉”，進而可以進行“碳固定”。

這種方法目前在有色冶金行業研究尚未起步，尤其是氧化鋁行業，值得進行深入研究。

1.3 氧氣或富氧空氣的來源

目前，可用于富氧燃燒的氧氣或富氧空氣主要有以下4個來源。

1.3.1 液氧

系深冷制氧機制取，純度99.5 %以上。

1.3.2 變壓吸附分子篩制氧

利用專用分子篩選擇性吸附空氣中的氮氣、二氧化碳和水等雜質，從而取得純度較高的氧氣(～93 %)。

1.3.3 膜法富氧

膜法富氧是利用空氣中各組分透過膜時的滲透速率不同，在壓力差驅動下，使空氣中氧氣優先通過膜而得到富氧空氣。用這種膜進行多氣體分離，即可以得到含30 %以上氧氣的富氧氣空氣。

1.3.4 磁效應富氧

磁效應富氧磁致氣流助燃技術是利用氧氣分子和氮氣分子的不同的順磁性和逆磁性，在2種氣體分子經過高磁磁場時，發生不同方向的偏轉，而得到富氧空氣。

液氧和變壓吸附制氧主要應用于高強度冶煉的轉爐、艾薩爐、奧斯邁特爐等；而膜法富氧主要運用于玻璃爐窯、水泥窯、電站鍋爐等；磁效應富氧系近年內研究成果，運用還較少。

2 有色冶金行業富氧燃燒的案例簡介

2.1 純氧-空氣微富氧燃燒系統

回轉窯超音速富氧旋流噴吹試驗系統見圖1。就某甲公司進行的回轉窯超音速富氧旋流噴吹試驗，和某乙公司進行的富氧燃燒試驗，目前，成功完成了窯內富氧度25 %～27 %的生產試驗。

圖1 回轉窯超音速富氧旋流噴吹試驗系統圖Fig.1 Diagram of supersonic oxygen-enriched cyclone injection test system of rotary kiln

該試驗設置一座純氧-壓縮空氣混合混均站，純氧流量1 200 Nm3/h，工作壓力0.6 MPa；壓縮空氣流量5 000 Nm3/h，工作壓力0.14 MPa；混合混均站富氧空氣出口富氧度最高35.5 %；回轉窯窯內計算富氧度25 %～27 %；屬于微富氧燃燒技術形式。

在27 %富氧度燃燒時，回轉窯窯內高溫區工作溫度提高至1 410 ℃，較原工作溫度提高160 ℃；焦比由原50 %降低至42 %，節約焦炭2.25 t/h，減少CO2排放8.27 t/h，年減少CO2排放量65 498 t/y，“節能碳減排”效益明顯。

2.2 富氧膜微富氧燃燒系統

膜法富氧系統示意圖見圖1，某甲公司進行的膜法富氧系統富氧空氣增壓燃燒技術在16 t天然氣鍋爐上獲得了良好的效果。

系統設置空氣過濾器、鼓風機、富氧膜組堆組件、真空泵、富氧空氣脫水穩壓裝置，富氧空氣經過增壓風機進入16 t天然氣鍋爐進行富氧燃燒，富氧度26 %。

富氧燃燒前，天然氣耗量81.4 Nm3/t蒸汽；富氧燃燒后，天然氣耗量75.9 Nm3/t蒸汽；節約天然氣5.5 Nm3/t蒸汽；按燃燒1 Nm3天然氣，產生CO21.964 kg/Nm3天然氣，年減少CO2排放量1 368.8 t/y；“節能碳減排”效益明顯。

圖2 膜法富氧系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of membrane oxygen-enriched system

3 結 語

結合我國的“碳達峰、碳中和”戰略目標，富氧燃燒技術在當前能源格局條件下，盡管不能使化石能源退出有色冶金行業實際生產，但可以大幅提高爐窯設備的熱效率，減少碳排放，尤其是純氧燃燒技術，可以進行高效的“碳捕集”，進而可以進行“碳固定”，比如氧化鋁廠的煅燒爐方面可以全力推進純氧燃燒技術，既然我無法進行碳中和，那么我來碳固定，簡單粗暴可靠；另外，如在類似回轉窯生產設備方面進行超音速富氧燃氣旋流噴吹，更是可以形成類似“天然氣燃氣輪機高效聯合發電”的效果。