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高温空气燃烧技术及其在我国的应用前景

王  蓉  李茂德 (同济大学机械工程学院,上海  200092)
戴冶艇  赵无非 (上海七一一研究所,上海  200011)

    摘要  高温空气燃烧技术是近10年来高速发展的一种新型燃烧技术,具有高效、节能和低污染等特性,目前正得到越来越广泛的应用。介绍高温空气燃烧技术的由来、工作原理、特点及应用效果,并分析了这种燃烧技术在我国的应用前景。
    关键词:换热器  蓄热器  高温空气燃烧

1  引言
     在冶金、机械、建材等部门所用的许多工业燃烧炉中,排出的废气温度高达600~1100℃。为充分有效地把这部分热量加以利用,许多研究人员在这方面做了大量研究工作。其中利用热回收装置回收烟气带走的余热,加热助燃用空气和燃气,再回送到炉子燃烧室,是一项有效且收益较大的措施。
     早期的回收余热用于空气预热的热回收装置主要是间壁式换热器和蓄热式换热器。间壁式换热器气体流向不变,工作状况稳定,但其预热温度不超过700℃,且寿命较短,热回收率低,排放的烟气仍有较高温度。蓄热式换热器预热温度可达1200℃,而排烟温度较低,可接近300℃,且寿命较长,热回收率最高可达70%。但早期这种蓄热式换热器的蓄热体采用格子砖材料,综合传热系数较低,蓄热体体积庞大、换向时间长、预热温度波动较大。同时,烟气的排出温度仍有300~600℃,换热设备要求既耐热、又气密,使结构复杂、操作不灵活。综合考虑换热器的经济性、材料性能、热效率等因素,目前性能较好的间壁式换热器的受热温度可达1000℃左右,得到的最高预热空气温度达700℃。若再提高预热温度,会出现高NOx问题及因换热器传热面积扩大引起的设备费用增加和换热器本身的寿命问题。而蓄热式换热器因高效节能的特性以及材料工业的发展而又展现出新的活力。

2 高温空气燃烧技术的由来
     1982年英国Hotwork公司和British Gas公司合作,首次研制出了紧凑型的陶瓷球蓄热系统RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系统采用陶瓷球作为蓄热体,比表面积可达240m2/m3,因此蓄热能力大大增强、蓄热体体积显著缩小、换向时间降至1~3min,温度效率明显提高(一般大于80%),而预热温度波动一般小于15℃。在随后几年里,对该蓄热系统又进行了大量的实验研究并作了试用。在不锈钢退火炉、步进梁式炉上的应用均达到了预期的效果,取得了显著的经济效益。
 日本在1985年前后详细考察了RCB的应用技术和实际使用情况后,开始进一步研制。20世纪 90年代初,日本钢管株式会社(NKK)和日本工业炉株式会社(NFK)联合开发了一种新型蓄热器,称为高效陶瓷蓄热系统HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。在蓄热体选取上,采用压力损失小、比表面积更大的陶瓷蜂窝体,以减少蓄热体的体积和重量。为了实现低NOx排放,蓄热体和烧嘴组成一体联合工作,采用两段燃烧法和烟气自身再循环法来控制进气,效果很好。NKK进行了多次试验,对测得的数据进行了分析。结果发现,预加热后进入燃烧器的空气温度已接近废气排放温度。数据显示,空气预热温度达1300℃、炉内O2含量为11%时NOx排放量是40kg/m3 [1]。HRS的开发,不仅实现了烟气余热极限回收及NOx排放量的大幅度降低,而且这种新型燃烧器还引发产生了一种新的燃烧技术——高温空气燃烧技术HTAC(High Temperature Air Combustion)。
 HTAC技术在燃烧条件、反应机理、火焰特征等方面均表现得与传统的燃烧技术不同。它是预热空气温度达到800~1000℃以上,燃料在含氧较低(可低至2%)的高温环境中燃烧。因为是在高温条件下,可燃范围扩大,在含氧大于2%时,就可保证稳定燃烧。燃烧过程类似于一种扩散控制式反应,不再存在局部高温区,NOx在这种环境下生成受到抑制。同时,在这种低氧环境下,燃烧火焰具有与传统燃烧截然不同的特征:火焰体积明显增大,甚至可扩大到整个燃烧室空间;火焰形状不规则,无火焰界面;常见的白炽火焰消失,火焰呈现薄雾状;辐射强度增加,火焰的高度辐射减少。整个燃烧空间形如一个温度相对均匀的高温强辐射黑体,再加上反应速度快,炉膛传热效率显著提高,而NOx排放量大大减少[2]。

3 HTAC技术的工作原理及特点
HTAC的技术关键是采用高效蓄热式燃烧系统[3]。该系统由燃烧室、2组结构相同的蓄热式燃烧器和1个四通阀组成。燃烧器可对称布置,亦可集中布置。图1为2组燃烧器对称布置时的原理图。当烧嘴A工作时,加热工件后的高温废气经由烧嘴B排出,以辐射和对流方式迅速将热量传递给蓄热体。烟气放热后温度降至200℃以下,经四通阀排出。经过一定时间间隔后,切换阀使助燃空气流经蓄热体B,蓄热体再将热量迅速传给空气,空气被预热至800℃以上,通过烧嘴B完成燃烧过程。同时,烧嘴A和蓄热体A转换为排烟和蓄热装置。通过这种交替运行方式,可以实现烟气余热极限回收和助燃空气的预热。新型的陶瓷蜂窝状蓄热体可以达到排气温度与被预热空气温度之间相差50~150℃。

 

     为了降低NOx生成量,采用两段燃烧法和烟气自身再循环法。图2是蓄热式燃烧器烧嘴的原理图。烧嘴中心是空气流道,喉部周围切线方向上供给一次燃料,喉部出口处和空气流道平行方向上供给二次燃料。一次燃料(比二次燃料少得多)的燃烧属于富氧燃烧,在高温条件下会很快完成。燃烧后的烟气在流经优化设计的喷口后,形成高速气体射流和周围卷吸回流运动,渗混后炉
内含氧浓度可达到5%~15%。大量燃料通过二次燃气通道平行喷入炉内,与炉内含氧浓度较低的烟气混合、燃烧。此时,炉内不再存在局部炽热高温区,形成温度分布比较均匀的火焰。因此,NOx排放量大大降低。

 

HTAC技术主要是通过高效蜂窝式蓄热系统来实现,其特点如下:
(1) 蓄热体传热速度快,蓄热能力强,切换时间短,动态换热好,压力损失少。
(2) 进入炉内的空气和燃气气流速度快,炉内燃料裂解、自燃等燃烧过程加速进行,化学反应速率和燃烧效率提高。
(3) 火焰不是在燃烧器中而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧,燃烧噪音低。
(4) 在高温条件下,只要燃料混合物进入可燃范围,就可保证炉内稳定燃烧。
(5) 在高温低氧环境中燃烧产生大量裂解,形成大量C2,从而引发强烈的热辐射效应,辐射力增强。
(6) 炉膛温度分布均匀,燃烧时最高温度降低,平均温度大大提高,传热效率明显增大。
(7) NOx和二恶英的生成受抑制,排放量大大减少。
(8) 除蓄热式燃烧器和炉体外,其他设备都在低温端运行。

4 HTAC技术的应用效果
4.1 结构紧凑,初投资少
 HRS系统的蓄热体和炉体部分均因换热能力大大增强,使体积可大幅度缩小。从蓄热体排出的废气(温度只有200℃左右)通过引风机抽出,去除了需耐火材料内衬的较长烟道和烟囱。简化了设备,且用地面积减小,从而使初投资较少。除建造新炉外,HTAC技术也适合于旧炉改造。蓄热式燃烧器是采用蓄热体与烧嘴相结合的构造,它可以外挂蓄热式烧嘴的形式与旧炉炉型相结合进行改造。只需在炉子原有基础上,对炉体稍加改动即可。
4. 2 温差小,加热质量好
 应用HTAC技术后,燃烧炉内温度分布均匀,温差达±5℃,加上炉内较低的含氧环境,对加热工件极为有利。既提高了加热速度和加热质量,又减少了工件氧化烧损率,大大提高了炉子产量。此外,通过调节流量,可方便而精确地对炉温进行调节和控制,达到均衡的炉膛温度,以满足不同的加热要求。
4. 3 布置灵活,操作方便
 HRS系统结构紧凑,体积小,布置比较灵活。它可根据工艺要求和炉体形状确定烧嘴的位置和数量。烧嘴的位置可设在侧面、顶面和轴向(需要炉鼻段)。成对烧嘴可独立换向,也可多对烧嘴分段集中换向,控制比较灵活[4]。四通阀和控制系统均处于低温端,因此,操作方便且安全、可靠性高。
4. 4 节能效果显著
 采用蜂窝式陶瓷蓄热体实现了烟气余热的极限回收,烟气的余热回收率可达85%以上。同时,在较高空气预热温度及混合均匀的低氧环境下,燃料与O2分子一经接触,便能迅速燃烧。因此,实现完全燃烧的过剩空气系数可接近1,大大减少炉子进出流量及排烟损失,进一步提高了燃料节约率。实际应用情况表明,燃料节约率可达55%以上。
4. 5 污染物排放少
 HTAC技术的应用,对环境保护的积极作用有:(1) HTAC燃烧器的高效节能以及燃烧过程的充分性大大减少了烟气中CO、CO2和其他温室气体的排放;(2) 高温低氧的燃烧环境以及烟气回流的掺混作用,大大抑制了NOx的生成,使NOx排放量下降到100 mg/m3以下;(3) 高温环境抑制了二恶英的生成,排放废气迅速冷却,有效阻止了二恶英的再合成,故二恶英的排放大大减少;(4) 火焰在整个炉膛内逐渐扩散燃烧,燃烧噪音低。
4. 6 工业炉燃料范围扩大
 HTAC技术的开发,大大扩展了工业炉燃料的适用范围。它可以很好地燃用低热值燃料而不存在点火困难和脱火问题,而且燃料品种也不局限于气体或液体。随着高温空气相关技术的发展,煤、工业垃圾等固体燃料也可以使用。目前,日本已开发出高温空气燃气化的多段焓提取技术,它能处理多种热值的原料,包括各类废弃物和生物质可燃物。固体燃料的使用通常是先用高温空气气化成燃气,净化处理后,再用于高温空气燃烧。
4. 7 适用性强,应用范围广
 HTAC技术优良的特性使它的适用范围较宽,它能用于多种不同工艺要求的工业炉。目前可使用该技术的炉型有大中型推钢式及步进式轧钢加热炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等等。范围涉及冶金、金属加工、化工、陶瓷和纺织等行业。此外,HTAC技术也适用于生产不稳定、产量波动较大的企业。

5 HTAC技术在我国的应用前景
 我国是世界燃料消耗大国。从我国能源现状来看,HTAC技术在我国将有广阔的应用前景。
 我国工业炉是能耗大户。“七五”期间,窑炉能耗占全国工业总能耗的1/4,占工业能耗的40%。而工业炉平均热效率较低,只有20%左右。产品平均单耗比发达国家高出40%。据统计,窑炉大部分能量归结为排烟损失,估计全国每年这部分能量相当于超过5000万t的标准煤。针对这种情况,提高我国工业炉燃料利用率及烟气余热回收率从而达到节能的潜力是很大的。
 长期以来,大气有害物超标排状况在我国相当严重。世界10个大气环境污染最严重的城市,我国就占了7个。为降低大气污染物排放量,首先要降低能耗,其次是控制排放量。而这2点正好符合HTAC的技术特征,即高效、节能和低污染。因此,HTAC技术在我国的应用势在必行。
 从我国能源结构来看,煤等固体燃料占的比重较大,液体和气体燃料比重较小。但进入20世纪80年代后,总的发展趋势是燃煤和燃油的窑炉比例下降,而燃气的窑炉比例大幅度上升。尽管目前HTAC技术还仅适合于直接燃用气体及部分液体燃料,但随着我国能源结构的调整、“西气东输”工程的实施、四川、内蒙等地不断发现天然气新资源以及HTAC技术的进一步开发,可以预计,HTAC技术在我国的应用将会有迅速的发展。

6 结语
HTAC技术具有高效、节能和低污染等特性,自从面世以来,就受到世界工业界和企业界的广泛关注。它彻底打破了传统燃烧的模式,进入到新的未知领域——高温低氧燃烧领域。它是一项既节能又利于环保且极具活力的技术,值得大力推广和开发。对于企业界来说,它可以大幅度降低能耗和生产成本,提高其运行的经济性和市场竞争力。 HTAC技术被认为是具有创造性、实用性以及增长潜力的新的战略技术。
 我国能源状况不容乐观,高能耗、高污染、低效率相当严重。随着经济的不断发展,将面临能源紧张的严峻考验。因此,大力推广HTAC技术在我国的应用,将为我国快速发展带来一次历史机遇。

7 参考文献
1 Yutaka Suzukawa. Regenerative burner heating system. Proceeding of High Temperature Air Combustion Symposium. Beijing, Oct, 1999: 169~180.
2  周怀春. 高温空气燃烧技术—21世纪关键技术之一. 工业炉, 1998, (1):19~27.
3  蒋绍坚. 高温空气燃烧新型锅炉及特性分析. 热能动力工程, 2000, 15(7): 348~351.
4  朱敏之. 日本高性能工业炉的开发战略与实施进展. 工业加热, 2001, (1):10~13.

第一作者王蓉,女,1976年出生,在读研究生。

责任编辑  陆文浩(收到修改稿日期:2002-11-15)

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| 发布时间:2012.08.03    来源:    查看次数:
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