高温空气燃烧
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1、Technology of High Temperature Air Combustion第一章 概述 高温空气燃烧技术，是20世纪90年代以来在工业炉领域内得到大力推广应用的一项全新燃烧技术。它通过极限回收烟气余热并高效预热助燃空气，实现了高温（1000以上）和低氧浓度（2%5%）条件下的弥散燃烧，具有大幅度节能和大幅度降低烟气中COx、NOX等有害物质的双重优越性。 国际权威专家誉为“21世纪的关键技术之一”。换热式回收烟气余热阶段存在问题：（1）其回收热量的数量有限，助燃空气的预热温度一般不超过600，而烟气温度仍有500 之高；（2）烟道中的换热器使用寿命短、设备庞大、投资成本高且维修
2、困难；（3）助燃空气的温度提高以后，火焰中心的温度也大幅度提高，造成了炉膛局部高温区的存在，不仅影响炉膛局部耐火材料和炉内金属构件的寿命，而且使产品质量下降；（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0.1%以上），对大气环境仍然造成了严重的污染。 20世纪80年代开始，英国天然气公司（British Gas）与Hot Work公司共同努力下，开发出一种装备有陶瓷球的蓄热式高温空气燃烧器。该燃烧器可以称为是高温空气燃烧技术的雏形。与换热式空气预热方式相比，该燃烧器在一个循环周期内可将助燃空气预热到1000的水平，使烟气余热利用达到接近极限的水平。 但是，NO
3、x的排放量随着助燃空气温度的升高而增加，因此，在节能的同时却没有达到环保的目的，如何在节能与环保之间找到一个平衡点，成为后来国内外学术界对蓄热式高温空气燃烧技术研究的重点。 20世纪90年代以后，研究旨在同时达到节能和降低CO2、NOx排放的双重目标。日本工业炉株式会社（NFK）田中良一领导的研究小组采用热惰性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，并使用高频换向设备后，检测到NOx排放量减少。 当通过炉内的空气流速增大时，NOx量会进一步地减少。同时，由于助燃空气温度很高，这使得低氧气氛的燃烧成为可能，因此，在助燃空气中添加惰性气体制造出低氧气氛后再通入炉膛参与燃烧反应，炉内火焰透明无色，炉内温度分布几乎均匀
4、，不存在局部高温区，破坏了NOx的生成条件，这也使得NOx的生成量大大降低，达到了节能和环保的双重目标。于是，高温低氧条件下的蓄热式燃烧技术诞生了，即现在所谓的“高温空气燃烧室技术”。 燃料燃料燃料燃料燃烧器燃烧器 B B空气空气切换阀切换阀排气排气 150 150炉温炉温 1350 1350蓄热燃烧工作原理蓄热燃烧工作原理空气空气排气排气预热空气预热空气10001000炉温炉温 1350 1350蓄热室蓄热室B B燃料燃料燃烧器燃烧器 A A燃料燃料燃烧器燃烧器 B B切换阀切换阀蓄热室蓄热室A A蓄热燃烧工作原理蓄热燃烧工作原理2 2具有大幅度节能和大幅度降低烟气中具有大幅度节能和大幅度降
5、低烟气中NOX排放的双重优越性。排放的双重优越性。HTAC技术的优势主要是: (1）回收烟气余热85%95%，节能效果显著。（2）炉温分布均匀，有助于提高产品产量和质量，延长炉内相关设备寿命。（3）COx和NOx排放量大大减少。（4）扩展了低热值燃料的应用范围。借助高温预热的空气，可以使低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）点火容易，不脱火，并且可以获得较高的炉温。高温空气燃烧烧嘴型式HRS烧嘴炉子内部一次燃料二次燃料蜂窝体蓄热室助燃空气燃气冷却空气助燃空气/废气炉内烟气高温预热空气燃气+冷却空气炉墙FDI烧嘴日本开发了HRS烧嘴和FDI烧嘴，原理是利用额
6、外热焓减少NOx的排放。空气与烟气通道燃料喷口FLOX烧嘴结构示意图德国发展的所谓的“无焰氧化”燃烧技术（FLOX-Flameless Oxidation）温度/富氧火焰常规火焰绝热燃烧温度MILD模式自动着火贫氧空气富氧空气25002000150010005000292521171395燃烧空气中的氧浓度（体积浓度）意大利具有所谓的“中度与强化的低氧稀释”燃烧技术（MILD-Moderate and Intensive Low Oxidation Dillution）美国有“低氮氧化物喷射”燃烧技术（LNI-Low NOx Injection） 燃烧器燃烧器 形状形状 蓄热体蓄热体 材质材质
7、 尺寸尺寸 换向阀换向阀 控制系统控制系统蓄热式燃烧系统的构成蓄热式燃烧系统的构成蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-蓄热体蓄热体蓄热体尺寸要求： 尺寸过大，会使蓄热室体积庞大，换向时间长；尺寸过小，会使换向时间缩短得很短，电气和机械设备都不能适应，换向的损失也随之增大，还会使蓄热体在气流的作用下漂浮起来，破坏稳定状态。蓄热体的工作特性是影响高温空气燃烧指标的关键因素之一。热效率、温度效率、压力损失及波动、使用寿命和清灰难易等都是评价蓄热室中蓄热体性能的重要指标蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-蓄热烧嘴蓄热烧嘴蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-换向阀换向阀 换向控制有集中换向阀和分散换向控制两种
8、。评价换向阀的主要标准有体积大小、换向动作的快慢、机械性能的可靠程度、寿命的长短等。换向阀的频繁动作，应以不过多影响炉内压力波动和气氛变化为宜。集中换向控制即单个蓄热室对应若干个烧嘴，采用气体或液体驱动。该换向方式集中了换向配置并简化了管路，但难以控制炉压和炉内气氛。由于换向阀距离蓄热体较远，换向操作时残留在管道内的燃气随烟气排出，且检修时必须停产。分散换向控制由于每个蓄热室都有自己独立的换向系统，而且换向阀可紧靠蓄热体，因此可以克服集中换向的缺点，避免了燃料浪费，但更改换向方式造价较高，管道布置复杂，占地面积较大，一般适用于但烧嘴型蓄热室。蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-换向阀换向阀五五通
9、通换换向向阀阀旋旋转转换换向向阀阀直直通通四四通通阀阀接 烧 嘴 B空 气 入 口接 烧 嘴 A烟 气 出 口两两位位三三通通阀阀高温空气燃烧的应用 20世纪90年代，日本工业炉协会（NFK）承担了HTAC技术为核心的日本“高性能工业炉的开发”项目。仅19992000年，日本就将高温空气燃烧技术应用到41台加热炉、55台热处理炉和13台熔炼炉上；并先后将其广泛应用于各种炉窑、钢包烘烤器和辐射管加热器上。此外，还将其燃烧技术应用于固体燃料气化、燃料再处理与转化等领域；开发了MEET（多阶段焓提取技术）新项目，用于处理固体废弃物等物质。另外，美国与日本合作，开发了先进的MEET-IGCC生物质燃料
10、气化系统。 近年来，中国一直致力于高温空气燃烧技术的研究开发与应用，特别是在技术应用方面取得了很大进步。在消化吸收国外先进技术的基础上，在蓄热式烧嘴、蓄热体材料等方面拥有了几十种专利，并在冶金行业的上百座轧钢加热炉、均热炉、热处理炉、玻璃窑、熔铝炉、锻造炉、钢包烘烤器等窑炉上成功应用，取得了显著经济效益。 HTACHTAC在加热炉上的应用在加热炉上的应用技 术项 目传统燃烧高温空气燃烧应用效果传 热提高炉膛温度局部高温存在可提高炉内的平均温度且炉内温度均匀高传热率，高加热速度，炉子尺寸减少脉冲燃烧特性每控制段的烧嘴能力同时升降每个烧嘴不受相邻烧嘴能力大力影响强化炉气循环，缩短加热时间 炉内温度
11、差1502002050提高加热质量，减少氧化烧损节能降耗预热空气温度2505509001000节能30以上减少或取消预热段因集中预热而不可能分散式余热回收使极限余热回收可能设备尺寸减少，可节能，提高生产率燃烧控制调节比一般为11.5最大可达到20效率大大提高可分区域控制因集中排烟而困难分散排烟容易适应各种轧制节奏出炉温度控制热惰性大，不适应出炉温度频繁的变化热影响性好，适合不同出炉温度的变化实现自由轧制过程环境控制CO2排放自然排放因强烈的烟气再循环可减少30减少 CO2排放NOx排放低NOx烧嘴低氧化燃烧实现的低NOx技术控制在100ppm燃烧噪音90110dB因在炉内较大区域燃烧只有708
