[科普中国]-高温贫氧燃烧

简介

高温贫氧燃烧技术2(High TemperatureA irCombustion)是20世纪90年代发展起来的一种新型燃烧技术.该技术采用高效蜂窝陶瓷蓄热体换热器,能最大限度地回收高温烟气中的废热,并将流经蓄热体换热器的空气加热到1000℃以上,再将高温空气引入燃烧室与燃料混合,使之形成高温燃烧.同时,通过减少预热空气中的含氧量,形成高温贫氧燃烧,从而有效地抑制了燃烧烟气中的污染物——NO的生成与排放.由于这项技术突出的节能与环保优势,已经在发达国家的冶金、玻璃等工业炉窑上得到了广泛的应用。

发展现状
高温贫氧燃烧技术对燃烧科学的重要意义在于它突破了传统燃烧的界限,将稳定燃烧的范围扩展到了贫氧的区域.这种燃烧方式形成了与常规燃烧迥然不同的火焰形式,大大地降低了NOX的生成与排放,使其从上千ppm降到几十ppm以下.

早在 19 世纪,人们就已经意识到对高温烟气的余热进行回收,从而达到减少热量损失的目的。但当时由于换热技术和设备的限制,使得该技术停滞不前,只应用于少数行业之中。1982 年,英国的 British Gas 和 Hotwork Development公司共同合作,成功开发出了一种陶瓷球蓄热系统,首先被用在小型玻璃融化炉中,节能效果非常显著3这就是第一代高温燃烧技术。该技术所带来的巨大经济效益使其被广泛应用于英国、美国以及日本的铝和钢铁等工业中,然而这个系统的余热回收率不高,并且容易产生局部高温而增大 NOX的排放量。20世纪 80 年代末期,日本的学者田中良一首次提出降低空气中的氧浓度后再同燃料混合进行燃烧的新概念,并成功实现了极限回收烟气余热和低 NOX的排放,即 HTAC 技术,这也就是第二代高温燃烧技术4。

国外对于高温贫氧燃烧技术的研究和应用起步较早,日本是最早开展 HTAC技术研究的国家。自从 HTAC 技术在日本被提出后,到了 20 世纪 90 年代的初期,该技术就开始进行工业性试验和生产规模化的应用,并且节能和环保的效果非常显著。HTAC 技术越来越受到西方发达国家的重视,世界各国都致力于该技术的研究和应用。自 1994 年至 2000 年,日本一直把 HTAC 技术作为国家的“高性能工业炉的开发”项目,经过 6 年的开发应用,已经达到了缩小 20%设备尺寸、节能 30%,并大幅降低 NOX排放的目的5。英国、荷兰、瑞典和德国等发达国家的专家和学者重点研究了节能以及燃烧过程中 NOX的生成机理6。截至目前,国际上应用 HTAC技术开展的研究主要集中在提高热工设备的热效率、降低 NOX的排放量以及缩小设备的尺寸等三个方面。

我国对于 HTAC 技术的研究和应用起步较晚,但是发展速度较快。自从 20世纪 90 年代初期该技术引进我国后,国内的许多专家和学者对该技术进行了大量的研究和实验,并在工业生产中得到了广泛的应用。蒋绍坚7、钟水库和胡雅琴等通过实验研究了空气预热温度和氧浓度对燃气 HTAC 火焰的形状、亮度和体积的影响,定性的说明了 HTAC 燃烧方式的特点是高效低污染。龚志军8等在高温贫氧的条件下,应用 PIV(粒子图像测速技术)测量了平焰燃烧的速度场、温度场以及排烟口的 NOX含量,发现该条件下燃烧平稳,燃气的燃烧完全,炉内温度分布均匀,NOX生成量能降至 30ppm。曹小玲9等通过对高温发生器进行冷态和热态的实验研究,根据得到的实验数据分析了排烟温度、空气预热温度、炉膛温度以及切换时间之间的变化关系,得出了空气预热温度越高,切换时间越短,烟气中 NOX含量越高的结论,同时也获得了高温空气发生器的一些重要的性能参数。

工作原理高温贫氧燃烧技术8是利用燃料燃烧后产生的烟气把预热空气加热到燃料的燃点以上,并卷吸燃烧室的烟气而形成高温贫氧的空气流,然后喷入燃料进行燃烧.目前采用的主要燃料品种是液体燃料或气体燃料.高温贫氧燃烧技术的关键是蜂窝状陶瓷蓄热换热器和能高频率切换的四通阀.使用这种换热器能使烟气与预热空气之间的温差降到50～100℃,在高频率切换下的换热效率能达到85%～95%,高温燃烧锅炉的工作原理如图所示.

当A侧烧嘴工作时,室温空气经四通阀进入蓄热换热器而被加热,迅速升温到1 000℃以上,然后高速喷入燃烧室,卷吸燃烧室内的烟气,形成一股含氧量低于21%的贫氧气流.燃料与高温预热空气平行喷入燃烧室,二者混和后迅速燃烧.燃烧释放的大部分热量以辐射换热的形式传给受热面.燃烧后的高温烟气经B侧的烧嘴排出,与蓄热换热器换热后降至120～150℃,排入大气中.A,B烧嘴交替工作,由四通阀进行切换,完成一个周期。

降低预热空气含氧量的方法在高温燃烧过程中,要实现贫氧条件,就必须使预热空气中的含氧量低于21%,甚至达到15以下,
因此,仅仅只是卷吸燃烧室内的烟气,显然是不够的.就目前而言,可以采用的方法有3:

分级燃烧
燃烧时,燃料不是一次性供入燃烧室,而是分一次燃料和二次燃料分别供入.空气经蓄热换热器预热后,温度从室温升高到1 000℃以上,达到燃料所需的高温条件.升温膨胀后的空气经喷嘴和从一次燃料通道注入的一次燃料混合,进行高温普通燃烧以消耗预热空气中的部分氧气,从而形成含氧体积低于21%的助燃空气流.再以较大的速度喷入燃烧室并卷吸燃烧室内的烟气进一步降低助燃空气中的含氧体积浓度,以达到高温贫氧燃烧所需的贫氧条件.在这里,需要注意的是,由于第一次燃料燃烧是在高温富氧的条件下进行的,必然导致部分NOx生成,因此,一次燃料的比例不能太高.然而,为了满足高温贫氧燃烧的贫氧条件,一次燃料的比例也不能过低,一次燃料与二次燃料的比例与NOx生成量之间的关系，

用N2或CO2来稀释预热空气由于N2和CO2是化学性质不活泼气体,在高温燃烧过程中,用N2或CO2来稀释预热空气,既可以降低预热空气中的含氧体积浓度,同时又可以解决分级燃烧时所造成的NOx大量生成的问题.用N2稀释的高温空气中不同氧气浓度下NOx排放值.该方法的采用,对抑制高温贫氧燃烧过程中NOx的生成起到了积极的作用.但是,尽管高纯度的液氮极易制取，并且价格低廉,若要上大量使用,也相应加大了运行成本。用CO2来稀释预热空气抑制NOx生成的效果要比用N2的效果要好。

火焰的稳定性问题
按传统的燃烧理论1,为保证燃烧过程的稳定和完善,一般均遵循“3T”原则,即燃烧需要足够高的温度(Temperature);足够的氧气且燃料和氧气混合良好(Turbulence);充足的时间(Time)。在贫氧燃烧的条件下,燃烧所形成的火焰的发光性和温度明显降低,而火焰的体积增大,因此,在贫氧燃烧情况下火焰的稳定性就显得特别重要。火焰的稳定性主要和预热空气的温度和含氧量有关,其范围。如果把火焰的稳定性定为10级,其中,燃烧过程中火焰最稳定为1级,出现严重脉动现象为10级,则当空气的预热温度给定时,燃烧火焰的稳定性随含氧量的减少而下
降。当含氧量不变时,燃烧火焰的稳定性随空气预热温度的增加而增加。另外,值得注意的是,燃烧器喷嘴的直径对火焰稳定性有明显的影响,其基本规律是,随着燃烧器喷嘴直径的增加,燃烧火焰的稳定性增加。

NOx与CO的排放NOx的排放
大气中的NOx对人体的健康及环境有极大的危害2,因此,世界各国对NOx的排放均有严格的限制。燃料燃烧过程中所产生的NOx由NO、NO2和N2O组成,但是在一般的情况下NO占绝大部分(大于90%～95% )。火焰中NOx的形成主要有3种机理:热力型、燃料型和快速型。燃烧固体燃烧时NOx的排放量取决于燃料型机理,而燃烧气体和低含氮量的液体燃料时NOx的形成量取决于热力型机理。燃烧过程中快速型NOx的形成量随燃料成分和燃料条件的不同而在150～200mg /kg的范围内波动。因此,对于燃烧气体燃料的燃烧过程而言,抑制热力型NOx的生成是减少燃烧烟气中NOx排放量的主要途径。

和常规的燃烧过程相比,NOx在贫氧条件下燃烧时的排放量明显减少,其基本规律是,NOx的排放量随含氧量的降低而减少,在含氧量为21%～18%的区间内,NOx排放量的下降程度非常显著,在含氧量为18%～15%的区间内,NOx排放量的下降程度相应减小,当含氧量