[科普中国]-高温空气燃烧技术

简介

高温空气燃烧技术 （High Temperature Air Combustion-HTAC）， 亦称无焰燃烧技术或蓄热式高温空气燃烧技术 ，是20 世纪 90 年代在国际上推广应用的一种新的燃烧技术，主要应用在工业炉窑中，其主要的特点及优势在于节省燃料，减少二氧化碳和氮氧化物排放及降低燃烧噪音。

我国是能源消耗大国，而目前我国的能源利用率只为 33%左右，比发达国家低约 10%，特别是在电力、钢铁、化工等能源消耗高的行业单位能耗平均比国际先进高 40%。因此推广实施高温空气燃烧，提高我国能源利用率有着重大意义。2

高温空气燃烧技术的产生随着全球工业技术的迅猛发展,人类社会经济的发展模式以及生活方式发生了根本性的变化,但同时也带来了很多问题。能源日渐匾乏,而需求却不断增加,传统的高消耗、低效率,靠牺牲资源以求经济暂时发展的经济模式与当今可持续发展的战略背道而驰;环境污染日益严重,不仅在经济上造成极大的损失,更严重的是影响了人们的生活质量。因此，应该利用先进的科学技术合理地利用能源,利用有限的资源,创造更多的物质财富，保持一个洁净的生活空间,改善人们的生活。

高温空气燃烧技术正是在人们越来越重视环境与能源问题的背景下产生的。它的发展与节能技术的发展密不可分。在余热不被利用的年代,系统的排气损失、炉壁热损失都很大I’]。随着人类思想的进步,人们越来越意识到人类的资源是有限的,应该节约能源。长久以来,人们曾投入大量人力物力,指望尽可能多的回收排出燃烧室烟气所带走的热并将其用于加热助燃空气。这种高效节能技术的研究一步步获得了成功,蓄热介质由金属换热器逐步被陶瓷球、蜂窝陶瓷体所替代,排烟温度由1000℃以上降低到200℃左右;燃烧空气预热温度可以在工业条件下稳定到1000℃,只比排烟温度低50一100℃。但是单纯将空气预热以减少燃料消耗,将使氮氧化物排放急剧增加,对于越来越重视环境问题的人们来说,这种做法是不可取的,将受到相关法规的干预和制止。3

“高温空气燃烧技术”是在进入九十年代后,在高效节能技术的基础上,通过实现低NOx排放而发展起来的。九十年代初，日本科学研究人员开始研究高温空气下改善燃烧过程工作状态的方法,提出了降低空气含氧后进行空气燃烧的新概念,这就是高温低氧空气燃烧技术。日本政府1990年“防止地球温暖化行动计划”提出的三大开发项目之一就是“高性能工业炉的开发”,目的是控制CO2(通过节能)、NOx以及开发降低能耗30%的节能技术,并投资150亿日元用于1993一1999年间的开发研究,1993年底成立“高性能工业炉开发中心”,以快速切换型蓄热式燃烧技术为核心技术,综合己开发的节能技术,研究高温空气(>800℃)燃烧,旨在确立高效加热系统的新概念。

高温空气燃烧技术(HighTemperatureAirCombustion)主要特征是:(1)采用蓄热式烟气余热回收装置,交替切换空气与烟气,使之流经蓄热体,能够在最大程度上回收高温烟气的显热;(2)将燃烧空气预热到800℃一1000℃以上的温度水平,形成与传统火焰迥然不同的新型火焰类型,创造出炉内优良的均匀温度场分布;(3)通过组织贫氧状态下的燃烧,不仅避免了通常情况下,高温热力氮氧化物的大量生成,而且在此基础上,进一步大大降低二氧化氮排放。

发展和应用高温空气燃烧技术符合我国经济可持续发展的战略。总的来讲,以高效蓄热式余热回收和低NOx为根本特征的高温空气燃烧技术在我国的发展刚起步。在80年代末、90年代初,高温蓄热式空气预热技术就已经被介绍到中国来了,并取得了一定成绩,但人们并没有把这看成是在发展一种燃烧技术,而是仅在研制一种用于余热回收的特殊燃烧器,因此也就没有把这种燃烧方式与高温燃烧可能导致的大量NOx、排放相联系。到1995年为止,我国介绍高温蓄热式燃烧器应用的文献中,都没有涉及减少NOX排放的问题。此后,真正涉及高温空气燃烧技术的文献也相当少,这显然与我国的能源经济发展的需求不相适应。3

高温空气燃烧技术及燃烧系统高温空气燃烧的理论基础及特点由传统的燃烧理论可知，气体燃料燃烧存在一定的可燃范围，当超出可燃范围时，燃料是不能实现稳定燃烧的。高温空气燃烧区的氧气体积浓度远低于 21%， 通常低于 15%甚至低至 2%～3%，但其总的含氧量仍能满足燃料完全燃烧。若采用常温下的普通空气，将燃烧区的氧气体积浓度降低到15%以下，就无法实现稳燃。因此，实现高温空气燃烧的前提是必须先将助燃空气预热到燃料自燃点温度以上。助燃空气的预热温度的提高，能够扩大燃料的稳燃范围。预热温度越高，稳燃范围越大。

实验表明，当助燃空气预热到 1000℃以上时，燃烧区的氧气体积浓度降低到 2%仍能稳定燃烧。高温空气燃烧与传统燃烧相比，具有显著不同的特征，主要表现在以下 4个方面2：

（1）火焰体积显著扩大。高温空气燃烧通常用扩散燃烧或扩散燃烧为主的燃烧方式，燃料与助燃空气在燃烧室内边混合边燃烧。由于燃烧区氧气体积浓度远远偏离 21%，使得燃料与氧气在燃烧器喷口附近的接触机会相对减少，仅有少量的燃料能与氧气接触发生燃烧，而大量的燃料只有扩散到燃烧室内较大的空间，与助燃空气中充分混合后，才能发生燃烧。因此，从燃料燃烧的整个过程来看，燃烧反应时间延长，反应空间显著增大，火焰体积也因此成倍扩大。

（2）火焰温度场分布均匀。燃料在低氧气氛中燃烧，反应时间延长，火焰体积成倍扩大，使得燃料燃烧的放热速率及放热强度有所减缓和减弱，火焰中不再存在传统燃烧的局部高温高氧区，火焰峰值温度降低，温度场的分布也相对均匀。

（3）低NOx 污染。燃烧过程中生成的 NOx 主要为热力型NOx，其中主要为 NO。 NO的生成速度主要与火焰中的最高温度、氧气和氮气浓度及气体在高温下的停留时间等因素有关，其中以温度的影响最大。由于高温空气燃烧火焰峰值温度及燃烧区氧气体积浓度降低都使 NO 的生成大大减少。另外，从反应活化能的角度来看，由于高温空气燃烧火焰体积成倍扩大，使得单位体积火焰释放的能量降低，而氧原子与氮气反应的活化能要远高于氧原子与燃气反应的活化能，氧原子与燃气反应更易进行，从而抑制了氧原子与氮气的反应。

（4）低燃烧噪音。由燃烧噪音形成的机理可知，燃烧噪音与燃烧速率的平方及燃烧强度成正比。采用高温空气燃烧，由于氧气体积浓度的降低，尽管预热温度提高，但燃烧速率不会增大甚至反而减少；燃烧强度是指单位体积的热量释放率，由于高温空气燃烧火焰体积成倍增大，燃烧强度反而大为降低。2

高温空气燃烧技术的发展高温空气燃烧技术是在蓄热燃烧技术的基础上发展起来的，同时结合了低氧燃烧技术的特点。高温空气燃烧技术不仅具备蓄热燃烧技术高节能率和低 CO2排放率的优点，也具备了低氧燃烧的低 NOx 生成率和炉温均匀化的优点。因此高温空气燃烧可克服热燃烧的燃烧温度过高、NOx 排放量增大和噪声水平增高等缺点，也可以克服低氧燃烧的降低燃烧温度、燃烧效率和燃烧稳定性的缺点。要实现高温空气燃烧的稳定工况取决于以下两种因素的影响:

空气的预热温度和助燃空气中氧气体积浓度。高温助燃空气促进燃烧反应速率的加快及火焰温度的提高；稀释空气中氧气的体积浓度，限制燃烧反应速率的加快及火焰温度的提高。高温空气燃烧的稳定工况就是实现这两个方面的相反作用的平衡。2

高温空气燃烧系统的工作原理及关键设备由上可以得到高温空气燃烧系统的主要特点有：

（1）利用蓄热式烟气余热回收装置 ，使空气与烟气交替流经蓄热体，利用烟气余热预热空气，最大程度上回收高温烟气的显热。

（2）可将参与燃烧的空气预热到 800～1000℃，在燃烧室内形成均匀分布的温度场，形成与传统火焰不同的新型火焰。

（3）通过组织低氧状态下的燃烧 ，能够降低热力型氮氧化物的生成，在此基础上，进一步降低了 NOx 的排放。

高温空气燃烧系统主要包括：蓄热体、换向阀以及相应的控制系统。其中的关键设备主要包括：蓄热体，换向阀及换向时间控制。

蓄热体是高温空气燃烧技术中最为关键的部件，也是最具技术含量和体现工业制造水平的部件。由于蓄热体是在与燃烧空气或者高温烟气接触过程中作为热交换器使用，因此，要求具有较大的传热面积和耐久性能。同时还应具备体积小、重量轻及废弃后不污染环境。 目前蓄热系统中所用的陶瓷蓄热体主要有陶瓷小球、蜂窝陶瓷以及陶瓷-金属蜂窝蓄热体，可以使蓄热室和燃烧器结合在一起，极大地提高了换热效率。在高温空气燃烧技术中，换向阀是实现空气与烟气切换的关键部件。

目前使用的换向阀主要有五通换向阀、直通式四通换向阀和旋转式四通换向阀等。 换向时间的长短会影响蜂窝状蓄热体的温度效率和热效率，同时对燃烧室温度波动幅度和火焰燃烧状况也有很大影响。

一方面，增长换向时间，蓄热体的蓄热量会增加，蓄热体温度会相应升高，进而强化了放热阶段冷空气与蓄热体的对流换热，可以提高余热回收率。

另一方面，换向时间的增加将使流过蓄热体的空气总质量增加，在蓄热量一定的情况下，单位质量的空气所能带走的热量必然降低，就不能位置较高的余热回收率。因此需要确定合适的换向时间。2

高温空气燃烧技术国内外应用与研究现状国外高温空气燃烧技术发展作为高温空气燃烧主要的技术特点，蓄热式余热回收技术已有 100 多年历史，但是由于材料和技术的限制，老式的蓄热技术具有设备庞大、不耐用、阻力损失大等很大的缺陷。但随着陶瓷材料、技术和设计的进步，80 年代蓄热技术在蓄热体的材料、组装方式、蓄热室的型式等方面有了很大的发展。蓄热设备的体积大大减小，传热效率大大提高。

1980 年英国 HOTWORK 公司和英国煤气公司开发了蓄热式烧嘴，称为 RCB 烧嘴（Regenerative Ceramic Burner）或回热烧嘴。烧嘴自身带有蓄热室，蓄热室通过切换依次流过空气和来自炉膛的烟气。

日本在 90 年代开始高温空气燃烧技术的研究。1993 年起至 1999 年，日本通产省 （MITI）将高温低氧燃烧技术列为国家“高效能工业炉开发”项目，提高经费开展工业性推广应用，计划至 2005 年结束。

随着技术的发展，几个发达国家都在高温空气燃烧的原理基础上形成了各自的技术特点。在日本，是在吸收了“超焓”概念的基础上发展了Hi TAC 技术；德国发展的是所谓的“无焰氧化 ”燃烧技术 （FLOX-Flameless Oxidation）；意大利则有所谓的“中度与强化的低氧稀释”燃烧技术（MILD-Moder-ate and Intensive Low Oxidation Dilution）； 美国有 “低氮氧化物喷射”燃烧技术（LNI-Low NOx Injection）。2

高温空气燃烧技术在我国的应用我国对于高温空气燃烧技术的研究工作主要是从 1995年以后开始的，起初只是从蓄热燃烧、节能降耗和提高燃料的适用性方面进行工作，到近2a才开始对低氧浓度燃烧的火焰特性和燃烧机理等方面进行深入研究。

从1999 年开始，主要在我国钢铁行业的大、中型连续加热炉改造时成功地应用了蓄热燃烧技术。与日本、欧洲的先进高温空气燃烧技术相比，目前我国在用的蓄热式燃烧系统基本还停留在第 1代的技术水平（相当于国际 80 年代末的水平）。 由于我国工业窑炉污染控制尚未形成相应的法规和标准，加之对低氧燃烧的理论还无深入的研究成果，故我国的蓄热燃烧技术还没有真正与低氧浓度燃烧相结合，未成为大幅度节能和低 NOx 排放的全新型HTAC 技术 ，而依然属于常规燃烧技术的范畴 ，理论上也没有突破传统燃烧的框架。2

高温空气燃烧技术国内外研究现状高温空气燃烧技术发展至今已有近 20a 的历史。国际上的研究主流仍然是将高温空气燃烧在不同领域中推广应用。目前国际上所开展的研究主要集中在：①提高工业炉和锅炉热效率；②降低氮氧化物污染排放；③缩小设备尺寸。而在国内，主要研究方向则集中在高温空气燃烧技术的工业应用及蓄热体换热性能分析。2

HTAC 技术的应用效果结构紧凑, 初投资少HRS( High cycle Regeneration Combustion System 即高效陶瓷蓄热系统) 系统的蓄热体和炉体部分均因换热能力大大增强, 使体积可大幅度缩小。从蓄热体排出的废气 ( 温度只有200℃左右) 通过引风机抽出, 去除了需耐火材料内衬的较长烟道和烟囱。简化了设备, 且用地面积减小, 从而使初投资较少。除建造新炉外, HTAC 技术也适合于旧炉改造。蓄热式燃烧器是采用蓄热体与烧嘴相结合的构造, 它可以外挂蓄热式烧嘴的形式与旧炉炉型相结合进行改造。只需在炉子原有基础上, 对炉体稍加改动即可。4

温差小, 加热质量好应用 HTAC 技术后，燃烧炉内温度分布均匀，温差达±5℃，加上炉内较低的含氧环境, 对加热工件很有利。既提高了加热速度和加热质量, 又减少了工件氧化烧损率, 大大提高了炉子产量。此外, 通过调节流量, 可方便精确地对炉温进行调节和控制, 达到均衡的炉膛温度, 以满足不同的加热要求。

布置灵活, 操作方便系统结构紧凑, 体积小, 布置比较灵活。它可根据工艺要求和炉体形状确定烧嘴的位置和数量。烧嘴的位置可设在侧面、顶面和轴向( 需要炉鼻段) 。成对烧嘴可独立换向, 也可多对烧嘴分段集中换向, 控制比较灵活。四通阀和控制系统均处于低温端, 因此, 操作方便且安全、可靠性高。

节能效果显著采用蜂窝式陶瓷蓄热体实现了烟气余热的极限回收, 烟气的余热回收率可达 85%以上。同时, 在较高空气预热温度及混合均匀的低氧环境下, 燃料与 O2分子一经接触, 便能迅速燃烧。因此, 实现完全燃烧的过剩空气系数可接近 1, 大大减少炉子进出流量及排烟损失, 进一步提高了燃料节约率。实际应用情况表明, 燃料节约率可达 55%以上。4

污染物排放少HTAC 技术的应用, 对环境保护的积极作用有:( 1) HTAC燃烧器的高效节能以及燃烧过程的充分性减少了烟气中 CO、CO2和其他温室气体的排放;( 2) 高温低氧的燃烧环境以及烟气回流的掺混作用, 大大抑制了 NOx 的生成, 使 NOx 排放量下降到 100 mg/m3以下;( 3) 高温环境抑制了二恶英的生成, 排放废气迅速冷却, 有效阻止了二恶英的再合成, 故二恶英的排放大大减少;( 4) 火焰在整个炉膛内逐渐扩散燃烧, 燃烧噪音低。4

工业炉燃料范围扩大HTAC 技术的开发, 扩展了工业炉燃料的适用范围。它可以很好地燃用低热值燃料而不存在点火困难和脱火问题, 燃料品种也不局限于气体或液体。随着高温空气相关技术的发展,煤、工业垃圾等固体燃料也可以使用。目前, 日本已开发出高温空气燃气化的多段焓提取技术, 它能处理多种热值的原料, 包括各类废弃物和生物质可燃物。固体燃料的使用通常是先用高温空气气化成燃气, 净化处理后, 再用于高温空气燃烧。

适用性强, 应用范围广HTAC 技术优良的特性使它的适用范围较宽, 它能用于多种不同工艺要求的工业炉。目前可使用该技术的炉型有大中型推钢式及步进式轧钢加热炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等等。范围涉及冶金、金属加工、化工、陶瓷和纺织等行业。此外, HTAC 技术也适用于生产不稳定、产量波动较大的企业。4

HTAC 技术在我国的应用前景我国是世界燃料消耗大国。从能源现状来看, HTAC 技术在我国将有广阔的应用前景。我国工业炉是能耗大户。“七五”期间, 窑炉能耗占全国总能耗的 1/4, 占工业能耗的 40%。而工业炉平均热效率较低, 只有 20%左右, 产品平均单耗比发达国家高出 40%。据统计, 窑

炉大部分能量归结为排烟损失, 估计全国每年这部分能量相当于超过 5000 万 t 标准煤。针对这种情况, 提高我国工业炉燃料利用率及烟气余热回收率从而达到节能的潜力是很大的。4

结束语HTAC 技术具有高效、节能和低污染等特性, 自从面世以来, 就受到世界工业界和企业界的广泛关注。它彻底打破了传统燃烧的模式, 进入到新的未知领域———高温低氧燃烧领域。它是一项既节能又利于环保且极具活力的技术, 值得大力推广和开发。对于企业界来说, 它可以大幅度降低能耗和生产成本,提高其运行的经济性和市场竞争力。 HTAC 技术被认为是具有创造性、实用性以及增长潜力的新的战略技术。4

对于高温空气燃烧技术，应用在工业炉窑上已取得了较大的发展和成效，促进了工业炉窑的节能减排。但是高温空气燃烧系统较为复杂，蓄热室和燃烧器需成对配置；换向时火焰不停的通断；

燃烧系统的大型化等问题都没有得到很好的研究。如何能够实现高温空气燃烧能在单独的喷口连续燃烧；或者使整个燃烧过程在蓄热体中完成，并且能够实现低污染物排放；且在大型电站锅炉中高温空气燃烧的应用问题都是今后可以研究的方向。2