基于燃烧计算研究富氧燃烧对节能与环保的影响

刘 明，罗君帆

（景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333403）

基于燃烧计算研究富氧燃烧对节能与环保的影响

刘 明，罗君帆

（景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333403）

利用Visual Basic编程进行燃烧计算，得出各种燃料在不同富氧量燃烧时的单位产品燃耗、产生的烟气量以及对环境有污染的气体量(CO2、NOX等)，并将计算结果保存到Excel中，运用Excel的图表功能对结果进行比较分析，结果表明富氧燃烧对节能与环保都有明显的作用。

燃烧计算；富氧燃烧；节能；环保

0 引 言

改革开放以来我国经济快速增长，对能源的需求量在不断增加，我国的资源和环境问题也变得越发严峻。目前，在我国存在着环境破坏和环境污染这两类环境问题，并且已十分严重。据统计，我国是世界上环境污染物排放量最大的国家之一，全国污染物的年排放量达4300余万吨，其中烟尘约2800万吨，二氧化硫约1460万吨[1]。

我国陶瓷工业随着产能的快速增长，尽管工艺技术水平的提高，陶瓷产品单位能耗不断降低，但总能耗则呈现不断上升之势；陶瓷生产烧成过程对环境的烟气排放污染也在上升,据相关统计资料，仅2010年我国建筑陶瓷行业燃料燃烧所产生的碳排放对陶瓷砖行业燃料产生CO2排放量为9183.082万吨，卫生陶瓷行业燃料产生CO2排放量为314.880万吨。国家在十一五规划中对陶瓷行业节能减排要求严格，因此节能减排已成为陶瓷产业的重要课题，“低碳”也成为国家对陶瓷产业的要求[2]。

通信联系人：刘明(1965-), 男, 副教授。

通过研究燃烧技术来改进环保与节能一直是科技工作者关注的课题，在我国工业窑炉的应用中，已有蓄热式高温燃烧技术、余热发电技术、高炉煤气余压发电技术、富氧燃烧技术等燃烧技术等。本文从燃烧计算的角度来考察富氧燃烧技术对节能与环保的影响。富氧燃烧技术是指用比通常空气(含氧21%)含氧浓度高的富氧空气进行燃烧的技术，它是一项高效节能的燃烧技术，在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均已有应用。与用普通空气相比，富氧燃烧具有：提高火焰温度和黑度，强化窑内传热；加快燃烧速度，促进燃烧安全；减少燃烧后的烟气量，降低烟气带走热损失等优点[3-5]。

1 计算思路与程序设计

1.1 计算思路

本文通过编程计算在不同富氧量情况下燃烧时产的烟气量及其成分的燃烧计算，以考察它们对节能及环境污染问题。由燃料种类及其成分来计算单位燃料燃烧时的低热值和产生的烟气量及其成分的计算公式是大家熟知的，在此就不列出[6]。

Correspondent author:LIU Ming(1965-), male, Associate professor.

E-mail:573613619@qq.com

为了便于比较在不同富氧量情况下的单位产品燃耗及废气排放量，本文以建筑瓷砖生产为例。据新颁布的国家标准，建筑瓷砖单位产品综合能耗限额为：300 kg标煤/t产品，即：0.3×7000×4.18 kj/ kg=8778 kj/kg产品；一般烧成中窑炉燃料热耗占生产过程总能耗的2/3，则窑炉燃料热耗限额应为5852 kj/kg瓷砖。以此为计算基准，则时每公斤瓷所需燃料用量可简略地用下式计算：

式中：Bo为当用普通空气作助燃空气时每公斤瓷所需燃料用量，Nm3/kg瓷；Qd为燃料的低热值，kj/ Nm3。

富氧燃烧相对正常空气燃烧烟气带走热所减少的百分数(即从燃烧角度看富氧燃烧相对正常空气助燃的节能率)为：

式中：Vgo为当用普通空气作助燃空气时单位燃料燃烧产生的烟气量，Nm3/Nm3；Bi为采用富氧燃烧技术每公斤瓷所需燃料用量，Nm3/kg瓷；Vn为采用富氧燃烧技术单位燃料燃烧产生的烟气量，Nm3/Nm3；Cg为烟气的比热，kj/(Nm3·℃)； tg为离窑烟气温度，℃。

尽管Bi比B0略小，但富氧燃烧的烟气温度会比正常燃烧的烟气温度略高，所以可近似认为BiC'gt'g≈B0Cgtg，所以富氧燃烧相对正常燃烧烟气带走热的减少量百分数约为：

又据热平衡计算经验，对连续窑烟气带走热占总热耗的15-40%，本文取20%来考虑，故从燃烧计算角度来看富氧燃烧与正常空气助燃燃料消耗的节能率有：

从上式即可推出在燃烧计算中计算富氧燃烧时的单位产品燃耗：

1.2 程序设计

本文用VB编程进行燃烧计算，为方便对燃料种类、成分以及对助燃空气含氧量进行更改，在窗体中设置了两大框架，一个用于输入各项参数，一个用于输出计算结果；并与Excel做了链接，使之既可以从Excel表中读入参数，又可将计算结果写入其中。窗体上运用了VB的标签、文本框、命令按钮等控件，用户可以直观地看到各参数（用户还可根据需要进行必要修改）及计算后的结果，保证了程序的通用性。图1即为所设计的气体燃料燃烧计算窗体的窗口界面图，图2是固液燃料开始进行燃烧计算的用户界面。

以天然气计算为例，程序运行之后的界面为如图3，单击“从Excel读入燃料成分”，输入空气富氧量，单击“计算”，再单击“将计算结果写入Excel”后，依次改变空气富氧量，由21、21.5、22、22.5······25，反复操作，最后单击“结束”，程序运行结束后就可得到该种燃气燃烧计算所要结果的Excel电子表格。

图2-1 气体燃料燃烧计算窗体的窗口界面Fig.1 The interface for the combustion calculation of gas fuel

图2 固液燃料燃烧计算的运行界面Fig.2 Solid liquid fuel combustion calculation operation interface

图3 天然气燃烧计算的运行界面Fig.3 Natural gas combustion calculation operation interface

2 燃烧计算结果与分析

本文用上述程序对陶瓷工业窑常用的固、液、气三种燃料进行了燃烧计算(重点为当前常用的气体燃料)，并将所得存放在电子表的结果整理，以下对这些结果分类作一分析。

2.1 富氧燃烧对节能的影响

当今占陶瓷窑炉的主流燃料为气体燃料，表1为各种气体燃料在不同富氧量情况下用本程序运行计算所得到的结果。从表中可以看出，对同一气体燃料而言，随着助燃空气中富氧量的增加单位产品燃耗由于烟气带走热减少而明显降低，因此富氧燃烧技术对陶瓷工业窑的节能有着美好的前景。

2.2 富氧燃烧对排烟量的影响

表2为各种气体燃料在不同富氧量时每生产1公斤建筑瓷砖时窑炉排出的烟气量，从中可以看出：对同一气体燃料而言，随着助燃空气中富氧量的增加，向外排出的烟气量都会明显减少。而在同一含氧量情况下，天然气、液化石油气、焦炉煤气相对其它气体燃料产生的烟气量较小，由于天然气和液化石油气在获取过程中不像生产发生炉煤气等气体燃料那样会产生二次污染，加上天然气和液化石油气的热值较大，发热量高，并且含杂质极少，燃烧时火焰洁净度很高，能够提高产品质量，因此是陶瓷工业窑首选的环保气体燃料。

表1 各种气体燃料在不同富氧量的单位产品燃耗 (Nm3/kg瓷)Tab.1 The consumption of various fuel gases with different oxygen content for per unit product (Nm3/kg porcelain)

表2 各种气体燃料在不同富氧量的烟气量 (Nm3/kg瓷)Tab.2 The amounts of flue gas produced from the combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

2.3 富氧燃烧对碳排放的影响

表3为各种气体燃料在不同富氧量时单位产品的CO2排放量，从表中可看出不论何种气体燃料，CO2的排放量都是随着助燃空气中富氧量的增加而减少。

2.4 富氧燃烧对NOx排放的影响

表4为各种气体燃料在不同富氧量时单位产品的NOx排放量，从表中可看出不论何种气体燃料，NOx的排放量也都是随着助燃空气中富氧量的增加而减少。

2.5 固、液、气燃料在不同富气量下燃烧排放物对环境影响的比较

图4-图6是应用本文程序对固、液、气三种陶瓷窑炉常用燃料在不同富气量下进行燃烧计算，并将Excel电子表格中的结果数据用Excel绘图功能所制成的图，分别是燃料燃烧后产生的烟气量、CO2生成量、NOX生成量与助燃空气中含氧量的关系图。从这些图可以看出：对同种燃料而言，随助燃空气中氧气浓度的增加，烟气量、CO2生成量和NOX生成量都会逐次减少，说明富氧燃烧有利于减少对环境污染物的排放。

图4 各种燃料烟气生成量与助燃空气含氧量的关系Fig.4 The Relation of flue gas generation from different fuel gases with oxygen content of combustion air

表3 各种气体燃料在不同富氧量的CO2排放量 (Nm3/kg瓷)Tab.3 CO2emissions from combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

表4 各种气体燃料在不同富氧量的NOx排放量（Nm3/kg瓷）Tab.4 NOxemissions from combustions of various fuel gases with different oxygen content (Nm3/kg porcelain)

图5 各种燃料CO2排放量与助燃空气含氧量的关系Fig.5 The Relation of CO2generation from different fuel gases with oxygen content of combustion air

图6 各种燃料NOX生成量与助燃空气含氧量的关系Fig. 6 The Relation of NOXgeneration from different fuel gases with oxygen content of combustion air

3 结 论

(1)对同种燃料而言，随助燃空气中氧气浓度的增加，燃料的烟气生成量、烟气中CO2生成量与NOX生成量均会逐次减少，说明富氧燃烧有利于环境保护。

(2)对同种燃料而言，随着助燃空气中富氧量的增加，单位产品燃耗由于烟气带走热减少会明显降低，说明富氧燃烧有利于陶瓷工业窑的节能。

(3)天然气、液化石油气相对其它气体燃料无论在节能方面还是在对环境保护方面均具有特出的优点，是陶瓷工业窑首选的节能环保气体燃料。

[1] 李一帆, 刘鑫. 浅谈我国环境现状及治理问题[J]. 现代企业文化, 2009, (32)∶ 127, 132.

LI Y F, LIU X. Modern Enterprise Culture, 2009 (32)∶ 127, 132.

[2] 景红梅. 环境问题与经济发展关系研究[J]. 华章, 2013, (5)∶363.

JING H M. Huazhang, 2013 (5)∶ 363.

[3] 戴树业, 韩建国, 李宏. 富氧燃烧技术的应用[J]. 玻璃与搪瓷, 2000, 28(2)∶ 26-29.

DAI S Y, HAN J G, LI H. Glass & Enamel, 2000, 28(2)∶ 26-29.

[4] 郑晓峰, 冯耀勋, 贾明生. 富氧燃烧的节能特性及其对环境的影响[J]. 节能, 2006, 25(7)∶ 26-28, 34.

ZHENG X F, FENG Y X, JIA M S. Energy Conservation, 2006, 25(7)∶ 26-28, 34

[5] 刘庆才, 陈淑荣. 富氧燃烧的主要环境影响因素概述[J]. 节能与环保, 2004, 5∶ 26-28.

LIU Q C, CHEN S R. Energy Conservation and Environmental Protection, 2004, 5∶ 26-28.

[6]韩昭沧. 燃料及燃烧[M]. 北京∶ 冶金工业出版社, 2007.

Observation of the Effect of Oxygen-enriched Combustion on Energy Conservation and Environmental Protection from the Combustion Calculation

LIU Ming, LUO Junfan
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Visual Basic was used for programming combustion calculations for various fuels with different oxygen volumes. The fuel consumption of unit product, the produced quantities of flue gas and pollutants like CO2, NOX, etc. were obtained. The results were saved in Excel and then analyzed by its chart function. The analysis revealed that oxygen-enriched combustion has obvious effect on energy saving and environmental protection.

combustion calculation; energy saving; oxygen-enriched combustion; environmental protection

date: 2016-03-19. Revised date: 2016-05-13.

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.05.016

TQ174.6

A

1000-2278(2016)05-0536-05

2016-03-19。

2016-05-13。