高溫低氧空氣燃燒技術hac的研究現(xiàn)狀與展望

高溫低氧空氣燃燒技術hac的研究現(xiàn)狀與展望

1低氧空氣燃燒技術隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，全球資源和生態(tài)環(huán)境變得越來越嚴重。分布于全世界各地的大大小小的工業(yè)窯爐,面臨著節(jié)能和降低排放污染的重要課題。節(jié)約能源是可持續(xù)發(fā)展的一個基礎,降低有害氣體如氮氧化物和硫氧化物以及二氧化碳的排放,是緩解地球生態(tài)環(huán)境進一步惡化的一個必然途徑。高溫低氧空氣燃燒技術,(HighTemperatureAirCombustion,簡稱為HTAC),最早是由日本學者田中良一等在20世紀80年代末提出的一種全新型的高效低污染燃燒技術。20世紀90年代以來,在工業(yè)化國家的鋼鐵、冶金、機械、建材等工業(yè)部門的各種工業(yè)燃燒爐中,HTAC技術的應用呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭,到1995年底統(tǒng)計,國際上已有800臺窯爐采用了這項技術。受到了國際工業(yè)界和科學界的廣泛關注。2低氧燃燒技術在傳統(tǒng)的工業(yè)爐中,利用高溫廢氣預熱爐內(nèi)的空氣或燃料的方法有換熱器和蓄熱器兩類。近幾十年來,蓄熱式燃燒技術有了很大進展。高溫低氧爐的頭一步,必須是一個高效的蓄熱爐。實現(xiàn)極限熱回收和燃燒空氣的高溫預熱。由此,提高了燃燒溫度。擴大了穩(wěn)定燃燒邊界。加速了燃料蒸發(fā)、裂解、自燃過程。空氣預熱溫度越高,爐內(nèi)溫度場分布愈均勻。由于提高了反應和燃燒的速度,擴大了寬熱值范圍燃料可適應性。所以,高溫低氧燃燒爐首先是一個高溫空氣燃燒爐,并隨著進排氣換熱效率的提高,進排氣切換對爐內(nèi)溫度控制波動影響的減小,而漸進地進入高溫低氧燃燒工況。高溫低氧燃燒爐的另一特點是實現(xiàn)了超低NO燃燒技術。為降低高溫燃燒產(chǎn)生的高NO的產(chǎn)生。有效的方法之一是降低燃燒空間中氧的濃度,創(chuàng)造貧氧燃燒條件。當高溫預熱氣體進入燃燒爐時,將抽引燃燒室內(nèi)的煙氣形成貧氧氣流。實際上是在燃燒室內(nèi)燃氣的復燃技術,從而降低了NO的生成。即高溫低氧燃燒可以改變高溫空氣燃燒爐的大風燒大火而實現(xiàn)小風燒大火,從而降低了NO的排放。由于由高溫空氣燃燒而逐步發(fā)展高溫低氧燃燒實現(xiàn)了熱效率的充分利用。因而使燃燒爐內(nèi)的節(jié)能率大大提高,不但節(jié)省了能源,而且使燃燒爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的CO2大大降低。由此可在大范圍內(nèi)降低了CO2的排放。3高氧燃燒技術的重要部件和影響因素3.1蓄熱器的壓損采用堇青石材料的蜂窩狀蓄熱器。蜂窩狀蓄熱器比表面積大,壓損低,阻塞問題較少,但強度和壽命還有待時間的考驗。堇青石材料作為蓄熱器還是比較先進的。3.2更換閥四通切換閥,切換煙氣與空氣,可實現(xiàn)自動控制。要求切換閥有一定耐壓、抗沖擊能力。3.3低氧燃料燃燒燃料的設計采用了熱物理所自行研制的貧氧燃燒器,這樣除了用高溫預熱氣抽吸燃燒室內(nèi)煙氣形成貧氧氣流,燃燒器本身造成的射流和回流,也可以造成低氧的混氣。中間的噴嘴供給燃料后,形成低氧燃燒,保障了低NO生成與排放。為確保燃料在低氧濃度下燃燒,必須對燃燒器噴口的形狀和尺寸、燃料供給通道、噴口位置等參數(shù)進行優(yōu)化設計。這主要是靠數(shù)值模擬和實驗來確定。4u3000計算方法因為一般的高溫低氧燃燒爐,都可以看作一軸對稱射流火炬的燃燒模式,爐內(nèi)燃燒室,可近似假設為一個有氣體流動環(huán)型燃燒室。因此,高溫低氧燃燒的數(shù)值模擬可用常規(guī)的計算模型來進行。(1)采用k-ε模型描述高溫低氧燃燒爐的湍流流動,在柱坐標下,二維時均方程組可寫成以下通用形式:??x(ρuφ)+1γ??x(ρvrφ)=??x(ΓΦ?φ?x)+1γ??γ(γΓΦ?φ?x)+SΦ??x(ρuφ)+1γ??x(ρvrφ)=??x(ΓΦ?φ?x)+1γ??γ(γΓΦ?φ?x)+SΦ其中:Φ是通用變數(shù);ΓΦ是輸運系數(shù);SΦ是源項。其具體物理量含義如下:方程ΦΓΦSΦ連續(xù)方程100軸向動量方程μμe-?Ρ?x+??x(μe?u?x)+1r??r(rμe?v?x)軸向動量方程μμe??P?x+??x(μe?u?x)+1r??r(rμe?v?x)徑向動量方程vμe-?Ρ?r+??x(μe?u?r)+1r??r(rμe?v?r)-2μevr2徑向動量方程vμe??P?r+??x(μe?u?r)+1r??r(rμe?v?r)?2μevr2湍動能kμeσkGΚ-ρεkμeσkGK?ρε湍動能耗散率εμeσεεk(C1GΚ-C2ρε)εμeσεεk(C1GK?C2ρε)能量方程hμeσhqR組分方程YSμeσYWS其中∶μe=μΤ+μ?μΤ=Cμρk2/εGΚ=μΤ[2(?u?x)2+2(?v?y)2+(?u?y+?v?x)2](2)采用EBU-Arrhenius模型描述湍流燃燒。當采用液化石油氣時,可近似用甲烷進行計算,其燃燒反應:CH4+2O2→CO2+2H2OCH4的氣相反應速度率:WCΗ4=-min[WCΗ4?Arr?WCΗ4?EBΟ]WCΗ4Arr=ACΗ4ρ2YCΗ4YΟ2exp(-ECΗ4RΤ)WCΗ4EBΟ=CΖBUρεΚmin[YCΗ4YΟ2BCΗ4]根據(jù)化學反應方程式:WΗ2Ο=3616[WCΗ4]WCΟ2=4418[WCΗ4]WΟ2=6416[WCΗ4](3)NO2生成計算模型,用擴展的Zeldovich機理描述反應中熱力型NO的生成,考慮下列三對反應:Ν2+ΟΚ1?Κ-1Ν+ΝΟΟ2+ΝΚ2?Κ-2ΝΟ+ΟΝ+ΟΗΚ3?Κ-3ΝΟ+W其中:由Arrhenius定律,K=Bexp(-E/RT)(4)輻射傳熱的計算模型采用熱流法:微元體界面上復雜的半球空間熱輻射,簡化為垂直的界面均勻輻射熱流法。由于是軸對稱二維空間,采用熱流法中四熱流模型:QR=2Ka(qx+qr-2Eb)式中:QR—輻射換熱率;Ka—氣體吸收系數(shù)。輻射熱流控制方程組可寫成一般的表達式:??x(aρuφ)+1r??r(aρvrφ)=??x(Τ?x?Φ?x)+1r??r(rΓΦ?Φ?r)+SΦ其中:Φ、ΓΦx、ΓΦr、SΦ各物理含義如下:方程aΦΓΦxΓΦrSΦ軸向Οqx1ag+SgΟ-ag(qr-Ζb)徑向ΟqyΟ1?g+Sg+1r-ag(qr-Ζb)軸向與徑部輻射熱流qx、qr的控制方程:ddx[1ka+ksdqxdx]=ka(qx-Ζb)1rddx[1r(ka+ks)+1dqrdr]=ka(qr-Ζb)根據(jù)Stephen-Boltzmann定律:Eb=σ0T4其中:σ0—Boltzmann常數(shù);T—氣體溫度。輻射換熱率QR的計算要和能量方程聯(lián)立,迭代求解。(5)模型常數(shù)給出了計算中k-ε數(shù)學模擬的模型常數(shù);化學反應動力學常數(shù);比熱隨溫度變化的常數(shù)。(6)控制方程組的邊界條件①入口,②出口,③軸對稱,④壁面條件,⑤壁面函數(shù),⑥輻射熱流控制方程組的邊界條件。(7)控制方程組的數(shù)值解法氣體控制方程組和輻射控制方程組具有相同形式,即對流項=擴散項+源項。采用有限迎風差分格式,對源項作線化處理,在控制體內(nèi),得變量在結點P處差分方程一般形式。apΦp=azΦz+awφw+αNφN+asφs+aTφT+b其中:b=SCΔV,ΔV=ΔxΔy為控制單元體體積;ap=aE+aW+aH+aS+aT-SpΔV+(FE-FW+Fn-FS);SC和Sp是源項;Sφ為負斜率線化處理后的相應項,Sφ=SC+SPφP方程中的系數(shù)分別為:aE=De+[|-Fe,0|]aw=DW+[|FW,0|]aw=DN+[|-Fn,0|]as=Ds+[|-Fs,0|]其中∶De=Γe(δx)e?Fe=ρueDW=Γw(δx)w?Fw=ρuwDn=Γn(δx)n?Fn=ρunDs=Γs(δx)s?FS=ρus式中:Δx為控制體x方向長度;Τ˙v＜˙v=e.w.n.s＞,為控制面上擴散系數(shù);δX˙V(˙v=e.w)δy˙v(˙v=n.s)為網(wǎng)格諸點間距離。對氣相控制方程組的差分方程采用P-V修正的SIMPLEC算法,求解過程為:(1)估計壓力場P,設初值U,V,K,ε,μ。(2)計算各差分方程的系數(shù)和源項。(3)用TDMA求解軸向和徑向的動量方程。得到速度U,V。(4)用TDMA求解壓力修正方程,得到P*,修正壓力場P=P*+P1。(5)修正速度場Ue=U*e+de(P1p-P1Ζ)Ve=V*e=dn(P1Ρ-P1n)(6)用TDMA求位于標量節(jié)點上的值為Y,K,ε,h。(7)重復2～7步,直致所需精度。對輻射熱流求解qx、qR差分方程用TDMA迭代求解Φ˙V-1=Ρ˙V-1φ˙V+Q˙V-1第一步用系數(shù)遞推公式依次求出Ρr?Q˙V(˙v=1?2???Ν)第二步用變量遞推公式依次求出Q˙v(˙v=Ν?Ν-1???2?1)由于各變量的耦合性,對各變量與輻射熱流的耦合性條件需迭代進行。(8)計算程序框圖(見圖1)5高溫空氣燃燒特性研究1982年,英國HotworkDevelopment公司和BritishGas公司在一玻璃窯爐上合作開發(fā)國際上第一套RCB系統(tǒng)(RegenerativeCramicBurnex)蓄熱式陶瓷燃燒系統(tǒng)。由于采用了快速切換,接近實現(xiàn)了高溫低氧燃燒。美國Arkansas玻璃器皿公司,1986年采用高溫低氧燃燒技術對一座玻璃窯爐進行改造,燃料節(jié)約達58%,大大減少了工業(yè)有害氣體的排放。美國Morion鋼鐵公司在一加熱爐上采用高溫低氧燃燒技術后,大大提高產(chǎn)量。中國包頭鋼鐵公司,采用高爐煤氣高溫低氧燃燒技術,也大大節(jié)約了能源,達41%左右。高溫低氧燃燒技術基礎研究方面:Gryung-MinChovMasashiKatsuki“使用高溫預熱空氣先進的低NO燃燒技術”發(fā)表于2001年4月2日(EnergyGonversionandManagement)。艾元方、蔣紹堅、彭好義等“高溫空氣在燃燒和氣化中的應用”,發(fā)表于《新能源》2000年第12期。劉日新,劉廣林“蓄熱燃燒技術及其在冶金工業(yè)爐中的應用”發(fā)表于《工業(yè)爐》2000年第2期。蔣紹堅、彭好義,艾元方等“高溫低氧氣氛中氣體燃料的火焰特性”發(fā)表于《中南工業(yè)大學學報》2000年第31期,“高溫空氣燃燒新型鍋爐及特性分析”發(fā)表于《熱能動力工程》2000年第15期。GvuptaAshwanikToshiadiHasegawa“高溫空氣燃燒:火焰特征要求和最優(yōu)化”發(fā)表于《高溫空氣燃燒論文集》,北京1999年。高溫低氧燃燒過程的數(shù)值模擬:蕭澤強、蔣紹堅、周子民等“高溫低氧空氣燃燒過程實驗研究和數(shù)值計算”,是利用英國AEA公司提供的CFX計算流體力學和燃燒分析軟件,對高溫空氣燃燒火焰的特征,全輻射式鍋爐內(nèi)部火焰流股結構及換向瞬間爐膛內(nèi)熱工特性進行了數(shù)值模擬和分析。對湍流流動采用k-ε模型,燃燒采用混合模型,并耦合蒙特卡洛輻射傳熱模型,NOx生成采用Zeldovich模型,并考慮了DeSoete模型描述的NO2生成的快速反應,選用甲烷燃料。計算結果給出了溫度場,NOx的濃度場及切換瞬間的速度場分布。李宇紅、祁海鷹、苑峻等“預熱溫度影響甲烷高溫空氣燃燒特性的數(shù)值分析”,應用Simplec方法將全湍流k-ε方程與擴散燃燒模型和熱力NO生成模型結合,對高溫空氣燃燒火焰特性進行了數(shù)值計算,給出了高溫低氧燃燒技術的關鍵參數(shù),即空氣預熱溫度及氧濃度對燃燒特性和NO濃度排放的影響規(guī)律。但計算中沒有考慮氣體輻射的影響。李偉、祁海鷹、由長福“蜂巢蓄熱體傳熱特性的數(shù)值研究”采用商業(yè)軟件FLUENT5.2,對蜂巢蓄熱體的傳熱特性進行了數(shù)值模擬,得到了蓄熱體內(nèi)的溫度場和速度場分布。YuanJ,NaruseI.“ModelingofcombustioncharacteristicsandNOxemissioninhighlypreheatedanddilutedaircombustion”應用FLUENT商業(yè)軟件對高溫空氣燃燒進行了數(shù)值模擬。其中,對湍流燃燒采用PDF模型,對輻射采用區(qū)域傳熱模型,對soot的形成采用二步Tesner模型。計算結果揭示了空氣預熱溫度、氧濃度對燃燒及排放的影響。GuptaAshwaniK,ToshiakiHasegawa.“Hightemperatureaircomblstion:flamecharacteristicschallengesandopportanities”對丙烷高溫低氧燃燒進行了數(shù)值模擬,對湍流采用k-ε模型,對輻射采用區(qū)域換熱法,化學反應考慮單步反應,揭示了火焰體積隨預熱空氣溫度升高和氧濃度降低而增大。綜上所述,在對高溫低氧氣體燃燒數(shù)值模擬中,湍流采用k-ε模型,熱力型NO采用Zeldovich機理描述,而燃燒模型的選用則各不相同。由于爐內(nèi)溫度高,而且分布均勻,故計算中應考慮輻射換熱的影響。帶有蜂窩陶瓷蓄熱體的高溫低氧燃燒實驗爐:(1)進行了實驗和改進。測試方法:用熱球風速儀測速度場,熱電偶測溫度場,使用煙氣分析儀測煙氣及NO的濃度場。(2)對堇菁石材料的蜂窩換熱器進