关于高温低氧燃烧技术的原理以及国内外应用情况

【专家解说】：">蓄热式高温空气燃烧技术的应用吴道洪 欧俭平 谢善清 杨泽耒 王汝芳 萧泽强关键词：蓄热室，高温空气，换向阀，燃烧，氮氧化物 摘要：本文简述了蓄热式高温空气燃烧技术的原理、技术优势以及在我国的应用前景，着重介绍我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究进展及其在我国工业加热行业的推广应用与发展情况。 1 前言 高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为HTAC技术，在西欧一些国家简称为HPAC(Highly Preheated Air Combustion)技术，亦称为无焰燃烧技术(Flameless combustion)。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度(体积)气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80%以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15% ～3%(体积)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术[1-2]。 高温空气燃烧技术自问世起，立刻受到了日本、美国、瑞典、荷兰、英国、德国、意大利等发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取得了举世瞩目的节能环保效益[3]。 2 HTAC技术的发展 国内外各种工业炉和锅炉的节能技术发展都经过了废热不利用和废热开始利用的两个阶段。在最原始的年代，炉子废热不利用，炉尾烟气带走的热损失很大，炉子的热效率在30% 以下，如图1所示。 从六七十年代开始，国内外较普遍地采用了一种在烟道上回收烟气的装置—空气预热器(或称空气换热器)来回收炉尾烟气带走的热量，如图2所示。 采用这种办法可以降低烟气温度，增加进入炉膛的助燃空气的温度，这样做达到了一定的节能效果，但仍存在以下问题：(1)其回收热量的数量有限，炉子热效率一般在50%以下；(2)空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿命短、后者设备庞大、维修困难；(3)从燃烧器的角度来看，助燃空气的温度提高以后，火焰区的体积越来越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部的高温区，这样对于工业炉来说，容易使加热制品局部过热，也影响了工业炉的局部炉膛耐火材料和炉内金属构件的寿命，对于锅炉来说影响其换热效率和水冷壁的寿命，甚至引起爆管等事故；(4)助燃空气温度的增高导致火焰温度增高，NOX的排放量大大增加(甚至可以达到103ppm以上)，对大气环境造成了严重的污染。
图1 废热不利用的炉子示意图 图2 安装空气预热器的炉子示意图八十年代初，美国的British Gas公司与Hot Work公司开发出一种在工业炉和锅炉上节能潜力巨大的蓄热式燃烧器，产生了高温空气条件下的“第一代再生燃烧技术”，用于小型玻璃熔窑上。其后，这种燃烧器被应用于美国和英国的钢铁和熔铝行业中，尽管这种燃烧器具有NOX排放量大和系统可靠性等问题，但由于它能使烟气余热利用达到接近极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、英国等国家得以推广应用。 进入九十年代以后，国内外学术界将蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触的难题提到科技攻关的地位，对其进行了深入的基础性研究，旨在同时达到节能和降低CO2、NOX排放。日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果[1]。由于能高效回收烟气余热的蓄热材料和高频换向设备问题的解决，产生了高温低氧条件下的“第二代再生燃烧技术”即现在所谓的“高温空气燃烧技术”。 3 蓄热式高温空气燃烧技术的原理及技术优势 蓄热式高温空气燃烧技术的原理如图3所示。
图3 安装蓄热室的炉子当常温空气由换向阀切换进入蓄热室1后，在经过蓄热室(陶瓷球或蜂窝体等)时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度(一般比炉膛温度低50~100°C)，高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量大大低于21% 的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料(燃油或燃气)，这样燃料在贫氧(2~20%)状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室(见图中蓄热室2)排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热储存在蓄热体内，然后以150~200°C的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态，常用的切换周期为30~200秒。蓄热式高温空气燃烧技术的诞生使得工业炉炉膛内温度分布均匀化问题、炉膛内温度的自动控制手段问题、炉膛内强化传热问题、炉膛内火焰燃烧范围的扩展问题、炉膛内火焰燃烧机理的改变等问题有了新的解决措施。 由上所述，蓄热式空气燃烧技术的主要优势在于：(1)节能潜力巨大，平均节能25% 以上。因而可以向大气环境少排放二氧化碳25% 以上，大大缓解了大气的温室效应。(2)扩大了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度均匀，这样一方面提高了产品质量，另一方面延长了炉膛寿命。(3)对于连续式炉来说，炉长方向的平均温度增加，加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉其炉膛尺寸可以缩小20% 以上，换句话说，同样长度的炉子其产品的产量可以提高20% 以上，大大降低了设备的造价。(4)由于火焰不是在燃烧器中产生的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧噪声低。(5)采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度非常高的情况下，NOX含量却大大减少了。(6)炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯氧化烧损减少。(7)炉膛内为贫氧燃烧，有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，以满足某些特殊工业炉的需要。 4. 我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究 4.1 高温空气燃烧技术的机理研究[1，4-6] 1999年10月，在萧泽强教授的积极倡导下，北京神雾科技有限公司作为主要支持单位之一与中国科学技术协会工程学会联合会在北京举办了“高温空气燃烧新技术国际研讨会”。自此，“高温空气燃烧技术”的概念正式传入我国并引起我国科技工作者的高度重视。清华大学、中南大学、东北大学、北京神雾科技有限公司等科研院所对高温空气燃烧的机理和低污染特征进行了一系列研究。 高温空气燃烧技术的基本思想是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高、热回收率高的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15% ～3%(体积)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。 这种燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更趋均匀，使燃料消耗显著降低。降低燃料消耗也就意味着减少了CO2等温室气体的排放。另一方面抑制了热力型氮氧化物(NOX)的生成。氮氧化物(NOX)是造成大气污染的重要来源之一，各工业企业都在设法降低NOX的排放。NOX主要有热力型和燃料型。HTAC烧嘴主要采用气体燃料，其中含氮化合物少，因此燃料型NOX生成极少。由热力型NOX生成速度公式[1]可知，NOX的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NOX的主要因素。在高温空气燃烧条件下，由于炉内平均温度升高，但没有传统燃烧的局部高温区；同时炉内高温烟气回流，降低了氮、氧的浓度；此外，气流速度大，燃烧速度快，烟气在炉内停留时间短。因此NOX排放浓度低。 4.2 陶瓷球蓄热室热工特性的研究[7] 八十年代初新型小陶瓷球蓄热室技术问世以后，引起了我国热工界的高度重视。我国从八十年代中后期开始对新型蓄热室技术进行开发研究，建立了专门的陶瓷球蓄热室实验装置，着重对陶瓷球蓄热室的阻力特性和换热特性进行了系统的实验研究，得出了蓄热室阻力特性和换热特性与蓄热室的结构参数和操作参数之间的基本规律，为蓄热室的合理设计奠定了基础。 进行实验的陶瓷球蓄热室如图4所示。
图4 陶瓷球蓄热室示意图4.2.1 阻力特性实验研究 气体流经蓄热室的阻力损失是蓄热室设计的重要技术指标，了解蓄热室在冷态和热态的阻力特性，是合理选择工业炉的供风系统和排烟系统设备的重要前提。 4.2.1.1 蓄热室冷态阻力特性的实验结果 实验结果表明：陶瓷蓄热室的阻力损失与蓄热室的高度成正比；阻力损失与陶瓷球直径的增大而减小；气体流经蓄热室的阻力损失与空塔流速之间呈幂函数关系。 根据实验结果，采用回归的方法，得出陶瓷球蓄热室在冷态条件下的阻力特性方程为： 式中：DP—阻力损失； H—蓄热体高度；e—蓄热室孔隙率；u—空塔流速；d—陶瓷球直径；m—流体的动力粘度系数； r—流体的密度；A、B—系数。 4.2.1.2 蓄热室内热态阻力特性的实验结果 蓄热室热态阻力特性实验主要研究蓄热室内空气和烟气在单位长度上的阻力损失与温度、气体的流速以及陶瓷球直径之间的关系。实验结果表明：温度对空气和烟气阻力损失的影响成线形关系；阻力损失随空塔流速的增大而增大，其变化规律为幂函数关系；阻力损失随着陶瓷球直径的增大而减小，其变化规律近似反比关系。据此得出的热态阻力特性方程如下： 式中：r0——标准状态下的气体密度；A——由实验确定的系数；t——空气或烟气在周期内的平均温度；其他符号意义同上。 4.2.2 陶瓷球蓄热室换热特性的研究 蓄热室的工作过程是周期性地通过被预热介质(助燃空气或煤气)与烟气，也就是周期性地处于放热和吸热状态。在整个过程中，烟气温度、空气温度、蓄热体温度不仅是时间的函数，也随位置的不同而变化。陶瓷球蓄热室内换热过程是包括对流、辐射和传导在内的复杂的非稳定态传热过程。我国学者对陶瓷球蓄热室这种周期性非稳定态的换热过程的主要特性进行了较为深入、系统的研究。 4.2.2.1 陶瓷蓄热室温度分布特性 通过实验，掌握了如下规律： a) 空气出口温度随着时间的延长而逐渐降低，其规律近似成线性变化； b) 在一个周期内排烟温度随着时间的延长而升高，其规律也近似成线性变化； c) 蓄热体表面温度在冷却期随着时间的延长而逐渐降低，其规律近似成线性变化； d) 蓄热体表面温度在加热期随着时间的延长而逐渐升高，其规律近似成线性变化； e) 蓄热室内部烟气温度和空气温度沿高度方向的变化也近似成线性变化； f) 蓄热体表面温度的变化与空气和烟气温度的变化规律基本一致，在同一位置，球的表面温度比空气温度高40～60℃，比烟气温度低45～55℃，球的直径大时，球与气体之间的温差较大、球径小时，球气温差较小。 4.2.2.2 陶瓷球的综合热交换系数 从实验结果得知，随着换向时间的增加，综合热交换系数的值减小，随着球径的增大，综合热交换系数的值亦减小。根据有关的热交换理论和实验的结果，我国学者提出如下的综合热交换系数的表达式： 式中：K —综合热交换系数；ah—加热期气—球之间的换热系数；ac—冷却期气—球之间的换热系数；d —球的直径；l —球体的导热系数；F0 —傅立叶数： ( ：导温系数，t：换向时间)；A—实验所确定的系数； 。 4.2.2.3球—气之间的换热系数 通过实验，得出了球—气之间的换热系数与气体温度、空塔流速、球的直径的关系，对实验数据进行数学回归以后得出如下关系式：

空气：
烟气： A，B—系数 4.3 蜂窝型蓄热体的热工特性的研究 九十年代初，日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组开始采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果。与球形蓄热体相比，蜂窝型蓄热体在比表面积、重量、压力损失、换向时间等方面具有极大的优越性[1]。在我国，蜂窝型蓄热体在蓄热式燃烧系统中的工业应用得到越来越多的重视，欧俭平等人[4]通过数值模拟，对蜂窝型蓄热体的热工特性进行了研究，本文对其研究结果进行简要介绍。 4.3.1蓄热体格孔壁面应力特性 蓄热体在使用中，由于格孔孔壁双面受热或冷却，除受温度作用外，还受各种应力作用，很容易遭受损坏。造成蓄热体损毁的因素很多，如高温空气和燃烧产物的化学作用、温度急变和热膨胀等物理作用以及气流冲刷和高温荷重等机械作用等等。上述各种因素往往同时存在，但对于某一特定的工作环境，必有一个主要原因。经对国内某厂生产现场被替换的蓄热体进行研究，发现大部分蜂窝体单元出现不同程度的裂纹和剥落。显然，脆性应力破裂是造成这一问题的主要原因。 计算结果表明，无论是加热期还是冷却期，蜂窝体格孔壁面主要受到法线方向的应力作用，其切向和轴向所受应力分别不到法向应力的1/200和万分之一。加热期应力指向壁面，对蓄热体孔壁产生挤压，表现为挤压应力；冷却期壁面受力方向指向流体，对壁面产生拉曳，表现为拉应力。显然，如果蓄热体的壁面所受应力大于其所能承受的最大应力，将导致应力脆裂。频繁的蓄热和释热过程变换，使得蓄热体格孔壁面交替地受到拉应力和挤压应力的作用。流体的流速越大，应力变化越大；换向时间越短，蓄热体受拉应力和挤压应力交替作用的影响越大。 4.3.2 蜂窝型蓄热体的传热特性 对蜂窝型蓄热体传热特性的研究结果表明，蓄热体壁面和气体间的换热强烈，狭长的格孔通道对流动和换热有一定的影响。换向时间对蓄热体的传热特性的影响较大，换向时间越长，烟气出口温度越高，蓄热室的温度效率和热回收率越低。气体流速对蓄热体的传热特性也有影响。气体的流速越高，烟气出口温度越高，余热回收率越低。 5 蓄热式高温空气燃烧技术在我国的发展 2002年，全国的钢产量达1.8亿吨，全国冶金行业的加热炉达千座以上，年处理钢坯可达2亿吨，目前我国轧钢加热炉的平均能耗为60Kg标煤/吨钢，国际先进水平的加热炉平均燃料单耗为51kg标煤/吨钢。表1列出了日本NKK钢管公司福山热轧厂230t/h热轧步进式加热炉1996年采用HTAC技术前后的技术参数[7]。 从表1参数不难看出，日本NKK钢管公司福山热轧厂改造前的平均能耗为48.6kg标煤/吨钢，比我国的轧钢加热炉少耗能19% ；而改造后NKK公司的轧钢加热炉又比改造前节能25% 。按我国每年加热钢坯1亿吨计算，全国的轧钢加热炉改造后达到平均能耗40kg标煤/吨钢，相当于平均节能33% ，改造后全国钢铁行业仅轧钢加热炉一项每年可少消耗200万吨标煤，另外，热处理炉、钢包、中间包烘烧器等设备由于工艺上的特殊性，目前的能源利用率更差，其节能的潜力将更大。此外， 还将对钢铁行业降低氧化烧损、减少环境污染、降低设备造价，增加单炉产量等方面起到重要的作用。 表1 230吨/小时热轧步进式加热炉采用HTAC技术前后的技术参数
综上所述，新型蓄热式技术应用在工业炉上可以获得显著的节约能源和减少环境污染的效果。我国工业炉窑种类繁多，数量巨大，在我国推广应用这项新技术，将会带来巨大的经济效益和社会效益。北京神雾公司自1995年底成立以来，利用自己研制开发的新型节能燃油、燃气燃烧器已在全国冶金、机械、石化、陶瓷、玻璃、火力发电等行业的近八百余家企业的各种工业炉和锅炉上推广了WDH系列节能燃烧器，因此对这些行业的工业炉和锅炉的设备状况有了较全面的了解。从1996年开始，本公司积极跟踪国外的先进技术，组织了燃烧、工业炉、热工自动控制、机械等方面的技术专家集中对蓄热式高温空气燃烧技术在工业炉和锅炉上的应用进行开发研究。由于该技术的推广应用不单纯是一个燃烧问题，尤其在工业炉领域，由于工业炉种类繁多，工艺要求千差万别，如果不与具体的工业炉工艺要求相匹配，就不可能开发出实际应用的成熟产品。通过几年的开发研究，在钢铁、机械及有色金属工业的各种工业炉上的应用研究进展较大，本公司已能为企业提供成熟的技术。在此，以轧钢加热炉为例，对我公司开发的技术作一介绍。 5.1空气、煤气双预热 我国多数轧钢加热炉使用发热值较低的混合煤气、转炉煤气甚至高炉煤气作为燃料。在燃用低热值煤气的情况下，如果单预热空气，对废气余热的回收是不充分的。燃用低热值煤气和高热值煤气，单预热空气和空气、煤气双预热时对废气余热的回收利用情况参见表2 。 由表2可以看出，在燃混合煤气的情况下，如果只预热空气，仍有约34% 的可回收热没有得到利用，这是很可惜的；同时也可以看出，燃用低热值煤气时，空气和煤气双预热的效果，比燃用高热值煤气时双预热的效果大.此外，燃用低热值煤气时空气和煤气双预热，炉子的烟气可以全部经空气蓄热室和煤气蓄热室排出，炉子无须设置排多余高温烟气的烟道和烟囱，使炉子的构造和布置简单化。