高溫空氣燃燒

1、Technology of High Temperature Air Combustion第一章 概述 高溫空氣燃燒技術，是20世紀90年代以來在工業(yè)爐領域內得到大力推廣應用的一項全新燃燒技術。它通過極限回收煙氣余熱并高效預熱助燃空氣，實現了高溫（1000以上）和低氧濃度（2%5%）條件下的彌散燃燒，具有大幅度節(jié)能和大幅度降低煙氣中COx、NOX等有害物質的雙重優(yōu)越性。 國際權威專家譽為“21世紀的關鍵技術之一”。換熱式回收煙氣余熱階段存在問題：（1）其回收熱量的數量有限，助燃空氣的預熱溫度一般不超過600，而煙氣溫度仍有500 之高；（2）煙道中的換熱器使用壽命短、設備龐大、投資成本高且維修

2、困難；（3）助燃空氣的溫度提高以后，火焰中心的溫度也大幅度提高，造成了爐膛局部高溫區(qū)的存在，不僅影響爐膛局部耐火材料和爐內金屬構件的壽命，而且使產品質量下降；（4）助燃空氣溫度的增高導致火焰溫度增高，NOx的排放量大大增加（甚至可以達到0.1%以上），對大氣環(huán)境仍然造成了嚴重的污染。 20世紀80年代開始，英國天然氣公司（British Gas）與Hot Work公司共同努力下，開發(fā)出一種裝備有陶瓷球的蓄熱式高溫空氣燃燒器。該燃燒器可以稱為是高溫空氣燃燒技術的雛形。與換熱式空氣預熱方式相比，該燃燒器在一個循環(huán)周期內可將助燃空氣預熱到1000的水平，使煙氣余熱利用達到接近極限的水平。 但是，NO

3、x的排放量隨著助燃空氣溫度的升高而增加，因此，在節(jié)能的同時卻沒有達到環(huán)保的目的，如何在節(jié)能與環(huán)保之間找到一個平衡點，成為后來國內外學術界對蓄熱式高溫空氣燃燒技術研究的重點。 20世紀90年代以后，研究旨在同時達到節(jié)能和降低CO2、NOx排放的雙重目標。日本工業(yè)爐株式會社（NFK）田中良一領導的研究小組采用熱惰性小的蜂窩式陶瓷蓄熱器，并使用高頻換向設備后，檢測到NOx排放量減少。 當通過爐內的空氣流速增大時，NOx量會進一步地減少。同時，由于助燃空氣溫度很高，這使得低氧氣氛的燃燒成為可能，因此，在助燃空氣中添加惰性氣體制造出低氧氣氛后再通入爐膛參與燃燒反應，爐內火焰透明無色，爐內溫度分布幾乎均勻

4、，不存在局部高溫區(qū)，破壞了NOx的生成條件，這也使得NOx的生成量大大降低，達到了節(jié)能和環(huán)保的雙重目標。于是，高溫低氧條件下的蓄熱式燃燒技術誕生了，即現在所謂的“高溫空氣燃燒室技術”。 燃料燃料燃料燃料燃燒器燃燒器 B B空氣空氣切換閥切換閥排氣排氣 150 150爐溫爐溫 1350 1350蓄熱燃燒工作蓄熱燃燒工作原理原理空氣空氣排氣排氣預熱空氣預熱空氣10001000爐溫爐溫 1350 1350蓄熱蓄熱室室B B燃料燃料燃燒器燃燒器 A A燃料燃料燃燒器燃燒器 B B切換閥切換閥蓄熱蓄熱室室A A蓄熱燃燒工作蓄熱燃燒工作原理原理2 2具有大幅度節(jié)能和大幅度降低煙氣中具有大幅度節(jié)能和大幅度降

5、低煙氣中NOX排放的雙重優(yōu)越性。排放的雙重優(yōu)越性。HTAC技術的優(yōu)勢主要是: (1）回收煙氣余熱85%95%，節(jié)能效果顯著。（2）爐溫分布均勻，有助于提高產品產量和質量，延長爐內相關設備壽命。（3）COx和NOx排放量大大減少。（4）擴展了低熱值燃料的應用范圍。借助高溫預熱的空氣，可以使低熱值的燃料（如高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、低熱值的固體燃料、低熱值的液體燃料等）點火容易，不脫火，并且可以獲得較高的爐溫。高溫空氣燃燒燒嘴型式HRS燒嘴爐子內部一次燃料二次燃料蜂窩體蓄熱室助燃空氣燃氣冷卻空氣助燃空氣/廢氣爐內煙氣高溫預熱空氣燃氣+冷卻空氣爐墻FDI燒嘴日本開發(fā)了HRS燒嘴和FDI燒嘴，原理是利用額

6、外熱焓減少NOx的排放。空氣與煙氣通道燃料噴口FLOX燒嘴結構示意圖德國發(fā)展的所謂的“無焰氧化”燃燒技術（FLOX-Flameless Oxidation）溫度/富氧火焰常規(guī)火焰絕熱燃燒溫度MILD模式自動著火貧氧空氣富氧空氣25002000150010005000292521171395燃燒空氣中的氧濃度（體積濃度）意大利具有所謂的“中度與強化的低氧稀釋”燃燒技術（MILD-Moderate and Intensive Low Oxidation Dillution）美國有“低氮氧化物噴射”燃燒技術（LNI-Low NOx Injection） 燃燒器燃燒器 形狀形狀 蓄熱體蓄熱體 材質材質

7、 尺寸尺寸 換向閥換向閥 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)蓄熱式燃燒系統(tǒng)的構成蓄熱式燃燒系統(tǒng)的構成蓄熱燃燒關鍵部件蓄熱燃燒關鍵部件-蓄熱體蓄熱體蓄熱體尺寸要求： 尺寸過大，會使蓄熱室體積龐大，換向時間長；尺寸過小，會使換向時間縮短得很短，電氣和機械設備都不能適應，換向的損失也隨之增大，還會使蓄熱體在氣流的作用下漂浮起來，破壞穩(wěn)定狀態(tài)。蓄熱體的工作特性是影響高溫空氣燃燒指標的關鍵因素之一。熱效率、溫度效率、壓力損失及波動、使用壽命和清灰難易等都是評價蓄熱室中蓄熱體性能的重要指標蓄熱燃燒關鍵部件蓄熱燃燒關鍵部件-蓄熱燒嘴蓄熱燒嘴蓄熱燃燒關鍵部件蓄熱燃燒關鍵部件-換向閥換向閥 換向控制有集中換向閥和分散換向控制兩種

8、。評價換向閥的主要標準有體積大小、換向動作的快慢、機械性能的可靠程度、壽命的長短等。換向閥的頻繁動作，應以不過多影響爐內壓力波動和氣氛變化為宜。集中換向控制即單個蓄熱室對應若干個燒嘴，采用氣體或液體驅動。該換向方式集中了換向配置并簡化了管路，但難以控制爐壓和爐內氣氛。由于換向閥距離蓄熱體較遠，換向操作時殘留在管道內的燃氣隨煙氣排出，且檢修時必須停產。分散換向控制由于每個蓄熱室都有自己獨立的換向系統(tǒng)，而且換向閥可緊靠蓄熱體，因此可以克服集中換向的缺點，避免了燃料浪費，但更改換向方式造價較高，管道布置復雜，占地面積較大，一般適用于但燒嘴型蓄熱室。蓄熱燃燒關鍵部件蓄熱燃燒關鍵部件-換向閥換向閥五五通

9、通換換向向閥閥旋旋轉轉換換向向閥閥直直通通四四通通閥閥接燒嘴B空氣入口接燒嘴A煙氣出口兩兩位位三三通通閥閥高溫空氣燃燒的應用 20世紀90年代，日本工業(yè)爐協(xié)會（NFK）承擔了HTAC技術為核心的日本“高性能工業(yè)爐的開發(fā)”項目。僅19992000年，日本就將高溫空氣燃燒技術應用到41臺加熱爐、55臺熱處理爐和13臺熔煉爐上；并先后將其廣泛應用于各種爐窯、鋼包烘烤器和輻射管加熱器上。此外，還將其燃燒技術應用于固體燃料氣化、燃料再處理與轉化等領域；開發(fā)了MEET（多階段焓提取技術）新項目，用于處理固體廢棄物等物質。另外，美國與日本合作，開發(fā)了先進的MEET-IGCC生物質燃料氣化系統(tǒng)。 近年來，中國

10、一直致力于高溫空氣燃燒技術的研究開發(fā)與應用，特別是在技術應用方面取得了很大進步。在消化吸收國外先進技術的基礎上，在蓄熱式燒嘴、蓄熱體材料等方面擁有了幾十種專利，并在冶金行業(yè)的上百座軋鋼加熱爐、均熱爐、熱處理爐、玻璃窯、熔鋁爐、鍛造爐、鋼包烘烤器等窯爐上成功應用，取得了顯著經濟效益。 HTACHTAC在加熱爐上的應用在加熱爐上的應用技 術項 目傳統(tǒng)燃燒高溫空氣燃燒應用效果傳 熱提高爐膛溫度局部高溫存在可提高爐內的平均溫度且爐內溫度均勻高傳熱率，高加熱速度，爐子尺寸減少脈沖燃燒特性每控制段的燒嘴能力同時升降每個燒嘴不受相鄰燒嘴能力大力影響強化爐氣循環(huán)，縮短加熱時間 爐內溫度差1502002050提

11、高加熱質量，減少氧化燒損節(jié)能降耗預熱空氣溫度2505509001000節(jié)能30以上減少或取消預熱段因集中預熱而不可能分散式余熱回收使極限余熱回收可能設備尺寸減少，可節(jié)能，提高生產率燃燒控制調節(jié)比一般為11.5最大可達到20效率大大提高可分區(qū)域控制因集中排煙而困難分散排煙容易適應各種軋制節(jié)奏出爐溫度控制熱惰性大，不適應出爐溫度頻繁的變化熱影響性好，適合不同出爐溫度的變化實現自由軋制過程環(huán)境控制CO2排放自然排放因強烈的煙氣再循環(huán)可減少30減少 CO2排放NOx排放低NOx燒嘴低氧化燃燒實現的低NOx技術控制在100ppm燃燒噪音90110dB因在爐內較大區(qū)域燃燒只有7080dB降低噪音總評價節(jié)能

12、控制，低污染等技術已很難突破節(jié)能控制，低污染等方面有了重大飛躍是21世紀關鍵技術之一高溫空氣燃燒技術與傳統(tǒng)燃燒技術在加熱爐上的應用對比25-30%以往的水平預熱前窯爐出口排煙溫度()14001200100080060040050-60%70 60 50 40 30 20 10 00 200 400 600 800 1000 1200 1400預熱空氣溫度燃料節(jié)約率%出處：NFK公司（日本)：產品目錄HTACHTAC在烤包器上的應用在烤包器上的應用 主要技術特點是：蓄熱式鋼包烘烤器的排煙溫度為150 左右，比常規(guī)鋼包烘烤裝置的排煙溫度(約1000 )低很多，充分回收了煙氣余熱。節(jié)能率可達30%5

13、0%。由于蓄熱式鋼包烘烤器為換向燃燒方式，同時又具有脈沖燃燒特性，使得包內煙氣強烈擾動，火焰對鋼包內襯的加熱溫度較均勻，包口與包底之間的溫差30 ，能更好地滿足生產的需要。蓄熱式鋼包烘烤器內火焰溫度提高，熱傳輸率增大，加快了烘烤速度，從而縮短了烘烤時間。輻射管燃燒器 應用高溫空氣燃燒技術的蓄熱式輻射管燃燒器主要用于金屬材料的熱處理工藝設備上，如可控氣氛爐、塔式爐、輥底式爐、真空熱處理爐、高速帶鋼連續(xù)熱處理爐和帶鋼熱鍍鋅用退火爐等，取得了很好的效果。它具有熱效率高、節(jié)能效果好、污染排放少、適應性強等優(yōu)點。以日本研制的雙端式輻射管燃燒系統(tǒng)應用實踐為例，其單管可節(jié)能30以上；熱效率為62.8（傳統(tǒng)輻

14、射管為44.7）；廢熱回收率為72.4（傳統(tǒng)輻射管為23.3）；溫差約45C（傳統(tǒng)輻射管約80C）；所排廢氣中NOx為8110-6（傳統(tǒng)輻射管為809010-6）；CO2的年排放量降低了1089 t。 在工業(yè)鍋爐上的應用 將高溫空氣燃燒技術應用于傳統(tǒng)工業(yè)爐的技術改造,對提高鍋爐熱效率，減少環(huán)境污染,降低金屬消耗，提高其運行的經濟性等具有極其重要的意義。日本已成功地開發(fā)了采用高溫空氣燃燒的鍋爐（）鍋爐，并建造了示范工廠。與傳統(tǒng)的鍋爐相比，HTAC鍋爐的特點是：新型鍋爐采用高效蜂窩體可使預熱回收率達到80以上，爐內溫度分布均勻，輻射能力因燃料裂解而明顯增強，換熱效率顯著提高。由于煙氣平均溫度提高，

15、使得爐內輻射換熱得以強化；由于省去了常規(guī)鍋爐的對流換熱段，使得體積明顯縮小。污染顯著降低。能夠燃用低熱值燃料，不發(fā)生點火困難和熄火問題，燃料適應性范圍擴大。易獲得高溫高壓蒸汽。 在固體廢棄物氣化工藝上的應用 運用高溫空氣燃燒技術進行高溫煤氣化和垃圾等廢棄物固體燃料的氣化，是高溫空氣燃燒技術的一個重要領域。此領域的應用當首推日本政府啟動的MEET(Multi-staged Enthalpy Extraction Technology，即“多級焓提取技術”)新技術開發(fā)項目，目前已處于商業(yè)化階段。它主要包括蒸汽/空氣重整式（STAR-MEET）和高溫空氣氣化多級焓提取技術（HTAG-MEET）兩類系

16、統(tǒng)。第二章 低氧彌散燃燒過程物理化學特性高溫空氣燃燒（High temperature air combustion）;低氧燃燒（Low oxygen combustion）;稀薄燃燒或稀釋燃燒（Dilution combustion, 或Oxygen-diluted combustion, ODC）;低NOX燃燒（Low NOX emission combustion ）;無焰燃燒（Flameless combustion, colorless combustion）;無焰氧化（Flameless Oxidation, FLOX）;蓄熱燃燒（Regenerative combustion）;

17、低氮噴射燃燒（Low NOx injection combustion, LNIC）;中度強化稀氧燃燒（Moderate and Intensive Low-oxygen Dilution Combustion, MILD）強調：發(fā)生條件、排放特性、外觀特性、依賴的技術。低氧彌散燃燒（低氧彌散燃燒（Dispersion combustion with low Oxygen-content, Dispersion combustion with low Oxygen-content, DCLODCLO）2.1 低氧彌散燃燒概念 不同空氣預熱溫度和含氧體積濃度條件下丙烷的火焰實驗研究證實：存在穩(wěn)定

18、燃燒區(qū)和不燃燒區(qū)；在800且O215%條件下火焰體積增大，火焰邊緣無穩(wěn)定狀態(tài)，且亮度減弱。 （1）具有“依靠燃料自燃原理來維持爐內穩(wěn)定燃燒”的特征 傳統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性：火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c可燃物流出速度的平衡以及高溫熱源的傳熱來保證的。 自由火焰邊界層中實現火焰的穩(wěn)定（自由射流火焰）；利用外界能源穩(wěn)定火焰（煤粉燃燒中用重油輔助噴嘴）；利用回流卷吸效應來穩(wěn)定火焰（旋轉射流和鈍體后的穩(wěn)定燃燒）；氣體的同向大速差射流（噴吹煤粉用大速差射流的強化燃燒）；利用熱流循環(huán)來穩(wěn)定火焰（用燒嘴磚、爐壁爐拱的輻射傳熱），利用激波穩(wěn)定火焰等。 低氧彌散燃燒爐內不存在特殊的穩(wěn)定火焰設計，爐內每個位置（包括助燃空氣入口、排煙口及

19、低溫受熱面）溫度都高于燃氣混合物自燃點，在火焰脫離傳統(tǒng)燃燒中由燒嘴控制的穩(wěn)燃區(qū)后能依靠燃料自燃作用繼續(xù)燃燒。 （2）“反應點彌散”。“彌散”可燃物分子和氧氣分子混合并發(fā)生燃燒反應的位置或點在爐膛內的分散，“這種燃燒是一種可燃物分子和氧氣分子較均勻地分散于爐膛空間內的每一個位置的燃燒”。 在燃燒過程中，未消耗掉的燃料或氧氣分子就隨氣流對流擴散流動而被移到反應區(qū)之外。由于燃料和氧氣的消耗速度（反應速率）降低，部分或小部分反應物分子被消耗而表現出火焰。大部分或剩余的部分反應物分子在燃燒物理作用下被移至反應區(qū)之外混合。這一過程一直延續(xù)到反應物中的一方被完全消耗為止，不同反應區(qū)疊加而表現出大體積火焰。優(yōu)

20、化燃燒物理過程可以合理布置火焰骨架，從而使整個爐膛充滿火焰。（3）“低釋熱強度（單位火焰體積燃燒放熱）延時燃燒”。 火焰是不同時刻反應區(qū)疊加的結果。全部反應被設置在一個較長的時間和大的空間里完成，體現出低強度釋熱延時燃燒等特征。已吸收小部分燃燒熱的反應物在被消耗前能離開反應區(qū)，有效地阻止反應速率的驟然增大，沒有激發(fā)傳統(tǒng)燃燒中的快速燃燒反應，保證反應區(qū)低強度燃燒釋熱和小的溫度升高。（4）“以低氧為前提，燃燒過程可控”。 降低燃燒反應速率并抑制快速燃燒反應，可調節(jié)這種燃燒行為，而這兩項措施的關鍵是降低燃燒氣流含氧體積濃度。燃燒溫度和含氧體積濃度影響燃燒反應速率。燃燒溫度主要由入爐氣流預熱溫度、裝置

21、熱負荷、爐膛散熱、燃料的化學和機械不完全燃燒損失、爐內多原子氣體高溫分解等因素決定。入爐助燃氣流高速噴入、燃氣或氧化劑氣流從不同位置或在不同的時間里注入（分散注入）、爐外預先降低空氣含氧濃度（直接低氧）、或快速切換利用切換過渡階段滯留在爐內的煙氣稀釋空氣含氧濃度（滯留稀釋）等措施，能降低燃燒氣流含氧體積濃度。 低氧彌散燃燒（DCLO）:以自燃為穩(wěn)燃條件，燃燒反應點彌散且燃燒過程延時可控的燃燒。（1）“低氧”指發(fā)生爐內燃燒時燃燒氣流含氧體積濃度低于傳統(tǒng)燃燒的21%。低氧條件是低氧彌散燃燒的前提。在入爐助燃氣流含氧濃度較高時，要設計一個爐內降低助燃燃氣流含氧濃度的物理過程。（2）低氧彌散燃燒是和常

22、氧（火焰）集中式傳統(tǒng)燃燒相比較而言的。爐內發(fā)生低氧彌散燃燒時，反應速率降低，實現了延時、大空間范圍內燃燒。反應區(qū)體積很大，反應物濃度梯度很小，燃燒前后氣流溫度升高不明顯，爐溫不高。（3）這種燃燒是完全燃燒，總氧量超過完全燃燒所需的理論氧氣量。2.2 低氧彌散燃燒熱力學特征（1）穩(wěn)定燃燒機理 空氣含氧濃度越低，穩(wěn)定燃燒所需空氣預熱溫度越高。穩(wěn)定燃燒時空氣含量濃度和預熱溫度的對應關系：21% O2 6%時，丙烷穩(wěn)定燃燒曲線O2 6%時，穩(wěn)定燃燒時所需的空氣最低預熱溫度為1000。 燃燒溫度與燃氣、氧化劑和稀釋劑的體積百分數，燃氣和稀釋劑屬性，壓力，燃氣在反應區(qū)內停留時間等因素有關。（2）燃燒溫度不

23、同空氣預熱溫度條件下丙烷理論燃燒溫度與含氧濃度的關系（1）盡管空氣流量和預熱溫度增加使得其顯熱增加，但煙氣流量也增加，且始終大于空氣流量增加。在絕熱條件下，煙氣溫度也高于空氣溫度。所以由煙氣帶走的顯熱超過空氣帶進的顯熱，低氧燃燒的理論燃燒溫度低于傳統(tǒng)燃燒的理論燃燒溫度。（2）空氣預熱溫度不變時，燃燒溫度隨著含氧濃度的增加而線性增加；空氣含氧濃度不變時，燃燒溫度隨預熱溫度的增加也是線性增加的。（3）為達到相同的燃燒溫度，在含氧濃度較低時，應提高空氣溫度。（4）含氧濃度越低，燃燒溫度與空氣預熱溫度差越小。（5）MILD燃燒技術基于“因助燃空氣中稀釋劑增加而導致燃燒溫度降低的熱力學特征”2.3 低氧

24、彌散燃燒動力學特性（1）Arrihenius 燃燒反應速率 燃燒火焰受燃燒熱力學和動力學因素影響。就動力學影響因素而言，在以化學當量比混合的燃氣和氧氣分子總量不變時，由反應物濃度和燃燒溫度決定的反應速率大小和火焰體積直接相關。反應速率越小，反應物消耗速率越慢，氧氣和可燃氣體分子才有可能擴散到越寬的區(qū)域，從而導致火焰體積越大。 Arrihenius：只有那些碰撞能量足以破壞現存化學鍵并建立新化學鍵的碰撞才是有效的。反應物分子碰撞引起化學反應所需的這種最小相對平移動能叫做活化能（E）。有效碰撞總次數與反應物濃度和燃燒溫度有關。溫度越高有效碰撞次數越大，反應物濃度降低，總碰撞次數正比例減小，最終有效

25、總碰撞次數取決于反應物濃度和溫度綜合效果。反應速率與有效總碰撞次數成正比。（2）燃燒分區(qū)慢速反應與快速反應的分界值：O2=15%、空氣預熱800小于此速度為慢反應（彌散燃燒）；快速反應（對應于傳統(tǒng)燃燒）以含氧21%和空氣預熱560條件下的反應速率為參照值。由燃燒反應平衡決定O2,min=3%，對應預熱溫度1527。1）隨燃燒溫度和空氣含氧濃度的降低，火焰體積逐步增大，從反應速率無限大的點燃燒變化到速率緩慢的大體積燃燒。AB線以下的工況火焰體積增大，ED線以下的工況火焰體積明顯增大。2)彌散燃燒區(qū)域形狀和大小與化學反應式有關。燃料種類和稀釋劑不同，反應物濃度變化和活化能不同，但定性規(guī)律不會改變。

26、3）位于緩慢反應區(qū)CDEE時，由于含氧濃度低，反應速率對燃燒溫度變化不敏感。在含氧濃度降低到一臨界值后，無論燃燒溫度多高，反應速率都不會出現明顯變化。此臨界含氧濃度就是E點的含氧濃度。4）若蓄熱傳熱技術能生成比1527還高的助燃空氣，B點向左延伸，則可組織超高溫彌散燃燒。劃定關鍵性A點有待于實驗確定。 彌散度：相等氧消耗條件下反應區(qū)體積相對于傳統(tǒng)燃燒反應區(qū)體積增大的倍數，即：式中：V火焰體積，下標DC表示彌散燃燒，tra表示傳統(tǒng)燃燒。 等O2O2消耗相等。 Dfl直接反映彌散性能，與空氣預熱溫度無直接關系。彌散度反映火焰熱流強度的相對變化，是影響火焰平均溫度的主要因素。在現場操作中，實時檢測可

27、燃氣體和氧氣濃度空間分布，則可準確地確定火焰形狀和體積。 為工程應用的需要，可將反應區(qū)體積Vfl與爐膛總容積V之比（Dn=Vfl/V）或將反應區(qū)表面積Afl與爐膛內壁面積A之比（Dfl=Afl/A）定義為彌散度。此時，彌散度受爐膛結構和大小的影響，間接反映彌散性能。2.4 彌散性能特征指標2.5 爐溫不均勻度 燃燒溫度場均勻是低氧彌散燃燒一大技術優(yōu)勢。這里用爐溫不均勻度來衡量燃燒溫度場均勻程度。式中： 爐溫不均勻度，受空氣預熱溫度、火焰體積和爐壁散熱等因素影響，間接反映彌散性能的優(yōu)劣。R定義考慮了網格不均勻分布對計算的影響，是不同位置爐溫與平均爐溫之差的相對大小的統(tǒng)計結果。 R越大，爐內溫度場越不均勻。2.5 強化彌散性能的措施 控制燃燒溫度、進行空氣高速噴射、燃料或氧化劑氣流分散注入、直接低氧或煙氣滯留稀釋，是強化燃燒彌