富氧燃烧在三废焚烧及钢铁行业的应用

富氧燃烧是指在助燃空气中，人为增加氧气浓度（通常从空气中约21%的氧气含量提高到22%-95%不等），减少或替代部分氮气，从而优化燃烧过程的技术。它与使用普通空气的常规燃烧有本质区别。
      钢铁行业中的富氧燃烧技术。是一项对现代钢铁工业至关重要的节能、增产和减排技术。而在三废焚烧行业的应用与钢铁行业的应用目的大不相同，其核心目标从“冶炼和加热”转向了 “彻底销毁有害物质、减少二次污染、并实现能量回收”。

• 提高火焰温度和热效率：

  
  

• 氮气不参与燃烧，但会吸收大量热量并被排放掉。减少氮气比例，意味着热量更集中地用于加热物料，火焰温度可显著提高（通常可达100-200°C）。
• 这使得钢水、钢坯等被加热物体能更快达到目标温度，缩短冶炼或加热时间。

  
  

• 增强燃烧强度与产量：

  
  

• 更高的氧气浓度加速了燃料的氧化反应，燃烧更剧烈、更充分。
• 对于炼钢电炉或转炉，富氧可以强化炉内反应，提高生产效率，增加单位时间产量。

  
  

• 大幅节能降耗：

  
  

• 由于热效率提高和燃烧时间缩短，达到同样生产目标所需的燃料（如煤粉、天然气）消耗量降低，节能效果显著，通常可达3%-15%。
• 烟气量因氮气减少而大幅下降（可减少20%-70%），排烟热损失也相应减少。

  
  

• 改善燃烧产物，利于环保：

  
  

• 减少氮氧化物排放：由于氮气总量减少，在高温下生成的Nox（热力型NOx）源头被抑制，有利于满足更严格的环保标准。
• 提高烟气中CO浓度：烟气体积变小，CO浓度显著增高。这为后续的碳捕集、利用与封存（CCUS） 创造了有利条件，是钢铁行业实现碳中和的关键技术路径之一。

  
  

• 提高燃料适应性和燃烧稳定性：

  
  

• 对低热值燃料（如高炉煤气、转炉煤气）的燃烧有良好的助燃效果，能使原本难以稳定燃烧的废气得到高效利用。

  
  

02 、在钢铁生产中的主要应用环节

• 高炉炼铁：

  
  

• 高炉富氧喷煤：这是最经典、最广泛的应用。向高炉风中加入氧气，可以提高炉缸温度，从而允许喷入更多的煤粉来替代昂贵的焦炭，显著降低生产成本。同时，富氧能强化冶炼，提高高炉利用系数（即产量）。

  
  

• 电弧炉炼钢：

  
  

• 通过炉壁或炉门喷枪向熔池内喷吹氧气，用于助燃、切割废钢、加速脱碳和造泡沫渣。富氧能缩短冶炼周期，降低电耗，是现代高效电炉的标配技术。

  
  

• 转炉炼钢：

  
  

• 顶吹或底吹富氧甚至纯氧，是LD（氧气顶吹转炉）工艺的核心。它强烈氧化铁水中的碳、硅、磷等元素，是现代钢铁生产的主流工艺。

  
  

• 轧钢加热炉：

  
  

• 在板坯、方坯等轧制前的加热炉中采用富氧燃烧，可以加快加热速度，提高炉温均匀性，减少氧化烧损，从而提高轧材质量和产量。

  
  

03、在钢铁行业中的主要挑战与实施要点

• 成本问题：

  
  

• 氧气的制备（通过空分设备）需要消耗大量电能，制氧成本是实施富氧燃烧技术最主要的运行成本。必须在节能效益和制氧成本之间找到最佳经济平衡点（最佳富氧率）。

  
  

• 安全与设备要求：

  
  

• 氧气是强氧化剂，对输送管道、阀门、燃烧器的材料和密封性要求极高，需严格防止泄漏和回火，确保安全。
• 高温对炉衬耐火材料的寿命可能产生不利影响，需要选择合适的耐火材料。

  
  

• 工艺控制复杂性：

  
  

• 富氧改变了炉内热力学和动力学条件，需要精确控制氧气浓度、流量和喷吹方式，否则可能导致温度分布不均、局部过烧或污染物生成模式改变等问题。

  
  

04、富氧燃烧在钢铁行业中未来技术发展趋势

• 与CCUS深度结合：

  
  

• 富氧燃烧产生的高浓度CO烟气，使其成为钢铁厂最经济可行的碳捕集技术之一。未来“富氧燃烧+CCUS”将是钢铁行业实现深度脱碳的重要技术组合。

  
  

• 全氧燃烧：

  
  

• 在部分对烟气要求极高的特殊热处理环节，使用接近纯氧的助燃气体，实现近乎零氮氧化物排放和极高的热效率。

  
  

• 智能化控制：

  
  

• 结合大数据和人工智能模型，根据实时生产状态动态优化富氧率和燃料配比，实现效益最大化。

  
  

二、在三废焚烧中的应用01、应用的核心目标与优势

• 确保彻底销毁，提升破坏去除效率：

  
  

• 对于难分解的持久性有机污染物或高浓度废气/液，需要极高的温度和足够的停留时间。富氧燃烧产生的高温火焰（通常可比空气燃烧高100-300°C）能确保有毒有害物质被完全热分解，达到99.99%以上的破坏去除效率，满足最严格的环保法规。

  
  

• 扩大处理能力，应对高峰负荷：

  
  

• 在现有焚烧炉结构不变的情况下，使用富氧空气可以大幅提高炉膛的热处理能力。这对于处理量突然增加或处理高热值废物时非常有效，无需扩建设备。

  
  

• 显著节能与能量回收：

  
  

• 大幅降低辅助燃料消耗：由于燃烧温度高、效率高，为维持炉温所需的天然气、燃油等辅助燃料用量可减少20%-50%，运行成本显著下降。
• 烟气量大幅减少：这是最突出的优势之一。氮气量减少可使烟气体积减少达30%-70%。这意味着：

  
  

• 后续烟气处理系统（如急冷塔、洗涤塔、布袋除尘器、风机等）的规模可以缩小，投资和运行成本降低。
• 排烟热损失小，若配备余热锅炉，产生的蒸汽品质更高、更稳定。

  
  

• 改善排放特性，利于环保达标：

  
  

• 抑制热力型NOx生成：原理同前，通过减少氮气来从根本上抑制高温下N与O的反应。这对于需要低温尾气处理的焚烧炉尤其重要。
• 减少二噁英风险：更高的温度和更充分的燃烧能有效避免不完全燃烧，减少二噁英前驱物的生成。同时，烟气量减少也提高了急冷塔的降温效率，帮助快速穿越二噁英再合成的温度区间（250-450°C）。
• 提高CO浓度，利于碳捕集：同样，对于有碳减排要求的大型化工园区危废焚烧中心，富氧焚烧产生的高浓度CO烟气为后续实施碳捕集封存提供了便利。

  
  

02、 在三废焚烧行业中主要应用场景

• 高浓度有机废液焚烧：

  
  

• 化工、制药、农药行业产生的废溶剂、废母液等，往往热值高但成分复杂。富氧焚烧能确保其完全分解，同时回收大量热能。

  
  

• 化工/石化工艺尾气处理：

  
  

• 含有HS、有机硫、苯系物、卤代烃等有毒成分的尾气。富氧环境能实现更彻底的氧化，将硫转化为SO以便后续脱除，将有机物彻底矿化为CO和HO。

  
  

• 危险废物焚烧：

  
  

• 处理医疗废物、实验室废物、沾染物等。富氧技术能更好地应对进料成分和热值的波动，保证焚烧室温度始终维持在法规要求的高温（如1100°C以上），确保无害化。

  
  

• 废气热氧化系统：

  
  

• RTO（蓄热式热氧化炉）和TO（直燃式热氧化炉）处理低浓度VOCs时，采用富氧技术可以应对浓度波动，在VOCs浓度不足时减少辅助燃料消耗，提高系统经济性。

  
  

03、 实施模式与关键技术

• 富氧添加方式：

  
  

• 整体富氧：将氧气混入助燃空气中，整体提高进入燃烧器的氧浓度。这是最常见的方式。
• 局部富氧/氧气喷枪：在焚烧炉的关键区域（如火焰根部、二次燃烧室入口）增设氧气喷枪。用于强化局部混合与燃烧，更灵活，氧气利用率高。

  
  

• 关键技术要点：

  
  

• 燃烧器设计：必须使用专为富氧环境设计的燃烧器。普通空气燃烧器直接用于富氧环境会导致火焰过短、温度过高，损坏燃烧器本身或炉墙。富氧燃烧器需优化燃料与氧气的混合速率和流场。
• 炉衬材料：更高的火焰温度和辐射热通量对耐火材料提出了更高要求，需选用更高等级的耐火砖或浇注料。
• 自动化控制：需要更精密的控制系统，实时监测炉温、烟气含氧量，动态调节氧气和燃料的配比，确保安全、高效、稳定运行。

  
  

04、 面临的挑战与考量

• 经济性平衡：

  
  

• 核心矛盾：氧气成本 vs. 燃料节省和系统规模减小带来的收益。项目的经济性高度依赖于当地电价（制氧成本）、燃料价格以及环保要求。通常在高燃料成本或严格的排放限值地区更具吸引力。

  
  

• 安全风险：

  
  

• 氧气系统的泄漏风险、回火风险极高。需要严格的工程规范、高品质的材料（如不锈钢管道、铜基合金阀门）和完善的安全联锁系统。

  
  

• 系统集成复杂性：

  
  

• 对现有焚烧炉进行富氧改造时，需要全面评估炉体结构、耐火材料、燃烧系统、控制系统和尾气处理系统的匹配性，可能是一项复杂的系统工程。

  
  

三、总结