高溫空氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用

高溫空氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用

在工業(yè)燃燒爐中，對(duì)廢物排放的利用非常有效。在冶金、機(jī)械、建材等工業(yè)部門所用的許多工業(yè)爐中,排出廢氣的溫度高達(dá)600℃～1100℃。如果把這些高溫廢氣全部排放到大氣中,其熱損失通常達(dá)到其總能耗量的60%～90%。如何充分有效地把這部分熱量加以利用一直都倍受企業(yè)界和科學(xué)界的關(guān)注。早期空氣預(yù)熱的熱回收裝置,主要有間壁式換熱器和蓄熱式換熱器。間壁式換熱器的氣體流向不變、工作狀況穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但預(yù)熱溫度較低(不超過(guò)700℃)。并且壽命較短、價(jià)格較貴、熱回收率較低、排放的煙氣仍有較高溫度,只能用于中低溫?zé)煔庥酂峄厥?。采用蓄熱式換熱器可以達(dá)到的加熱溫度較高(1200℃左右),并且壽命較長(zhǎng)、熱回收率較高(最高可達(dá)70%)。早期的蓄熱式換熱器蓄熱體采用格子磚材料,它的綜合傳熱系數(shù)較低、單位體積蓄熱體的換熱面積小,導(dǎo)致蓄熱體體積龐大、換向時(shí)間較長(zhǎng)、預(yù)熱溫度波動(dòng)較大,同時(shí)煙氣的排出溫度仍有300℃～600℃。另外換熱設(shè)備要求既耐熱又氣密,以致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不靈活、造價(jià)較高。目前,間壁式換熱器受熱溫度可達(dá)1000℃左右,所得到的最高預(yù)熱空氣溫度達(dá)700℃,但想再提高預(yù)熱溫度,就會(huì)出現(xiàn)高NOx問(wèn)題,以及因換熱器傳熱面積擴(kuò)大所引起的設(shè)備費(fèi)用增加和換熱器本身的壽命問(wèn)題,制約了它進(jìn)一步發(fā)展。然而隨著材料工業(yè)的發(fā)展蓄熱式換熱器又一次展現(xiàn)出了新的活力。1rcb余熱回收系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用1982年英國(guó)Hotwork公司和BritishGas公司合作,首次研制出了緊湊型的陶瓷球蓄熱系統(tǒng)RCB(RegenerativeCeramicBurner)。系統(tǒng)采用陶瓷球作為蓄熱體,比表面積可達(dá)240m2/m3,因此蓄熱能力大大增強(qiáng)、蓄熱體體積顯著縮小、換向時(shí)間可降至lmin～3min,空氣預(yù)熱溫度提高、排煙溫度進(jìn)一步降低、熱回收率明顯提高,一般大于80%,而預(yù)熱溫度波動(dòng)一般小于15℃。在隨后幾年里,對(duì)該蓄熱系統(tǒng)又進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究并作了試用,在不銹鋼退火爐、步進(jìn)梁式爐上的應(yīng)用均達(dá)到了預(yù)期的效果,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。日本從1985年左右開(kāi)始研制,在詳細(xì)考察了RCB的應(yīng)用技術(shù)和實(shí)際使用情況后,認(rèn)為RCB余熱回收系統(tǒng)盡管有許多優(yōu)良特性,仍存在一些需改進(jìn)的地方。第一,由于預(yù)熱空氣溫度提高,使得NOx的排放量急劇增加,必須設(shè)法降低;第二,預(yù)熱空氣的溫度仍比煙氣低150℃～250℃,采取措施提高空氣預(yù)熱溫度,可進(jìn)一步提高熱效率;第三,RCB系統(tǒng)的體積雖比以前的蓄熱系統(tǒng)有了明顯縮小,但仍比較龐大,只適用于中小型加熱爐,因此限制了它的使用。為擴(kuò)大它的應(yīng)用范圍,需進(jìn)一步改進(jìn)蓄熱器,尋求性能更好的蓄熱體。日本鋼管株式會(huì)社(NKK)和日本工業(yè)爐株式會(huì)社(NFK)聯(lián)合研制了一種新型蓄熱器,稱為高效陶瓷蓄熱系統(tǒng)HRS(High-cycleRegenerativeCombustionSystem)。在蓄熱體選取上,采用壓力損失小,比表面積更大的陶瓷蜂窩體,以減少蓄熱體的體積和重量。為了實(shí)現(xiàn)低NOx排放,蓄熱體和燒嘴組成一體聯(lián)合工作,并采用兩段燃燒法和利用煙氣自身再循環(huán)法來(lái)控制進(jìn)氣,效果很好。NKK進(jìn)行了多次試驗(yàn),對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)加熱后進(jìn)入燃燒器的空氣溫度已非常接近廢氣排放溫度;數(shù)據(jù)顯示空氣預(yù)熱溫度達(dá)1300℃、爐內(nèi)O2含量11%時(shí)、NOx排放量是40mg/m3。HRS的開(kāi)發(fā),不僅實(shí)現(xiàn)了極限回收煙氣余熱,而且NOx排放量大幅度降低。2nox排放量的影響傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)是利用含氧21%的空氣或超過(guò)21%的富氧甚至純氧進(jìn)行助燃,需要比理論空氣量大得多的空氣與燃料進(jìn)行混合;燃燒所形成的火焰成一火炬,焰心溫度較高,爐膛溫度分布很不均勻。當(dāng)把助燃空氣溫度提高到1000℃以上時(shí),火焰區(qū)體積變小,中心溫度猛烈提高并形成局部高溫區(qū),導(dǎo)致NOx排放量大大增加,局部爐膛耐火材料和爐內(nèi)金屬構(gòu)件的壽命縮短,及工件局部過(guò)熱,還影響鍋爐換熱效率。高溫空氣燃燒技術(shù)是一種新型的燃燒技術(shù),它在燃燒條件、反應(yīng)機(jī)理、火焰特征等方面均不同于傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)。采用高溫空氣燃燒技術(shù),預(yù)熱空氣溫度達(dá)到800℃～1000℃以上,燃料在含氧較低(可低至2%)的高溫氣氛中燃燒。因?yàn)槭窃诟邷貤l件下,可燃范圍擴(kuò)大,含氧量只要大于2%,就可保證穩(wěn)定燃燒。燃燒過(guò)程類似于一種擴(kuò)散控制式反應(yīng),不再存在局部高溫區(qū),在這種環(huán)境下NOx生成受到抑制。同時(shí)在這種低氧環(huán)境下,燃燒火焰具有與傳統(tǒng)燃燒截然不同的火焰特征:火焰體積明顯增大,甚至可擴(kuò)大到整個(gè)燃燒室空間;火焰形狀不規(guī)則,無(wú)火焰界面;常見(jiàn)的白熾火焰消失,火焰呈現(xiàn)薄霧狀;輻射強(qiáng)度增加,火焰的局部高輻射減少。整個(gè)燃燒空間形如一個(gè)溫度相對(duì)均勻的高溫強(qiáng)輻射黑體,再加上反應(yīng)速度快,爐膛傳熱效率顯著提高,而NOx排放量大大減少。3蓄熱式燃燒燒圓高溫空氣燃燒的關(guān)鍵技術(shù)是采用高效蓄熱式燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)由燃燒室、兩組結(jié)構(gòu)相同的蓄熱式燃燒器和一個(gè)四通閥組成,燃燒器可對(duì)稱布置,亦可集中布置。圖1為兩組燃燒器對(duì)稱布置時(shí)的原理圖。當(dāng)燒嘴A工作時(shí),加熱工件后的高溫廢氣經(jīng)由燒嘴B排出,以輻射和對(duì)流方式迅速將熱量傳遞給蓄熱體,煙氣放熱后溫度降至200℃以下經(jīng)四通閥排出。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔后,切換閥使助燃空氣流經(jīng)蓄熱體B,蓄熱體再將熱量迅速傳給空氣,空氣被預(yù)熱至800℃以上,通過(guò)燒嘴B完成燃燒過(guò)程;同時(shí),燒嘴A和蓄熱體A轉(zhuǎn)換為排煙和蓄熱裝置。通過(guò)這種交替運(yùn)行方式,可以實(shí)現(xiàn)煙氣余熱極限回收和助燃空氣的預(yù)熱。新型的陶瓷蜂窩狀蓄熱體可以使排氣溫度與被預(yù)熱空氣溫度之間只相差50℃～150℃。為了降低NOx生成量可采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環(huán)法,圖2是蓄熱式燃燒器燒嘴的原理圖。燒嘴中心是空氣流道,系統(tǒng)沿喉部周圍切線方向供給一次燃料,在喉部出口處和空氣流股相平行方向上供給二次燃料。一次燃料(比二次燃料少得多)的燃燒屬于富氧燃燒,在高溫條件下會(huì)很快完成。燃燒后的煙氣在流經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴口后形成高速氣體射流,同時(shí)產(chǎn)生周圍卷吸回流運(yùn)動(dòng),滲混后爐內(nèi)含氧濃度可達(dá)到5%～15%。大量燃料通過(guò)二次燃料通道平行噴入爐內(nèi),與爐內(nèi)含氧濃度較低的煙氣混合、燃燒,此時(shí),爐內(nèi)不再存在局部熾熱高溫區(qū),形成溫度分布比較均勻的火焰,因此NOx排放量大大降低。4低氧燃燒特性HTAC技術(shù)主要是通過(guò)高效蜂窩式蓄熱系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),從它的工作原理及實(shí)際應(yīng)用情況分析,具有如下特點(diǎn):(1)蓄熱體傳熱速度快、蓄熱能力強(qiáng)、切換時(shí)間短、動(dòng)態(tài)換熱性能好、壓力損失小。(2)進(jìn)入爐內(nèi)的空氣和燃?xì)獾臍饬魉俣瓤?爐內(nèi)燃料裂解、自燃等燃燒過(guò)程加速進(jìn)行,化學(xué)反應(yīng)速率和燃燒效率提高。(3)火焰不在燃燒器中產(chǎn)生,燃料到達(dá)爐膛空間內(nèi)才開(kāi)始逐漸燃燒,燃燒噪音低。(4)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。在高溫條件下,只要燃料混合物進(jìn)入可燃范圍,就可保證穩(wěn)定燃燒。(5)燃料在高溫低氧環(huán)境中大量裂解,形成大量C2,從而引發(fā)強(qiáng)烈的熱輻射效應(yīng),輻射力增強(qiáng)。(6)爐膛溫度分布均勻,燃燒最高溫度降低,平均溫度大大提高,傳熱效率明顯增大。(7)NOx和二惡英的生成受抑制,排放量大大減少。(8)除蓄熱式燃燒器和爐體外,其他設(shè)備都在低溫端運(yùn)行。5htac技術(shù)的特點(diǎn)日本是HTAC技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者,也是最早把該項(xiàng)技術(shù)推向?qū)嵱玫膰?guó)家。1996年,NKK和NFK共同對(duì)日本福山廠第一熱軋車間3號(hào)爐進(jìn)行了HRS改造。該爐加熱能力為230t/h,有效爐長(zhǎng)36m,這是HRS在大型加熱爐中的第一次應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明,空氣預(yù)熱溫度可達(dá)1200℃以上,熱回收率在85%以上,不僅提高了生產(chǎn)率,而且減少了NOx的排放量,效果明顯。此后各國(guó)紛紛借鑒,先后又建成了數(shù)十座HRS工業(yè)爐,均取得了相當(dāng)效果。(1)結(jié)構(gòu)緊湊,初投資少。一方面HRS系統(tǒng)的蓄熱體和爐體部分均因換熱能力大大增強(qiáng),體積大幅度縮小;另一方面從蓄熱體排出的廢氣,溫度只有200℃左右,通過(guò)引風(fēng)機(jī)抽出,無(wú)需耐火材料內(nèi)襯的較長(zhǎng)煙道和煙囪,簡(jiǎn)化了設(shè)備且用地面積減小,從而初投資較少。除建造新?tīng)t外,HTAC技術(shù)也適合于舊爐改造;由于蓄熱式燃燒器采用蓄熱體與燒嘴相結(jié)合的構(gòu)造,因此可采用外掛蓄熱式燒嘴的形式,與舊爐爐型相結(jié)合進(jìn)行改造,只需在爐子原有基礎(chǔ)上對(duì)爐體稍加改動(dòng)即可。(2)溫差小,加熱質(zhì)量好。應(yīng)用HTAC技術(shù)后,爐內(nèi)溫度分布非常均勻,溫差甚至小到±5℃,加上爐內(nèi)較低的含氧氣氛,對(duì)加熱工件極其有利;它既提高了加熱速度和質(zhì)量,又減少了工件氧化燒損率,并大大提高了產(chǎn)量。此外,爐膛溫度均衡,通過(guò)調(diào)節(jié)流量可方便而精確地對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,滿足不同的加熱要求。(3)布置靈活,操作方便。HRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、布置比較靈活,可根據(jù)工藝要求和爐體形狀確定燒嘴的位置和數(shù)量,燒嘴的位置可在側(cè)面、頂面和軸向(需要爐鼻段)。可采用成對(duì)燒嘴獨(dú)立換向,也可采用多對(duì)燒嘴分段集中換向,控制比較靈活。四通閥和控制系統(tǒng)均處于低溫端,因此操作方便且安全,可靠性高。(4)節(jié)能效果顯著。采用蜂窩式陶瓷蓄熱體實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的極限回收,煙氣的余熱回收率可達(dá)85%以上。同時(shí),在較高空氣預(yù)熱溫度及均勻混合的低氧氣氛下,燃料與氧氣分子一經(jīng)接觸便能迅速燃燒,因此實(shí)現(xiàn)完全燃燒的過(guò)?？諝庀禂?shù)可接近1,大大減少進(jìn)出爐子的氣流量及排煙損失;進(jìn)一步提高了燃料節(jié)約率。實(shí)際應(yīng)用情況表明,燃料節(jié)約率可達(dá)55%以上。(5)污染物排放少。HTAC技術(shù)的應(yīng)用對(duì)環(huán)境保護(hù)起了非常積極的作用:①大大減少了煙氣中CO、CO2和其他溫室氣體排放。②NOx排放量下降到100mg/m3以下。③高溫低氧環(huán)境也抑制了二惡英的生成,排放廢氣的迅速冷卻,也有效阻止了二惡英的再合成,因此二惡英的排放也大大減少。④火焰在整個(gè)爐膛內(nèi)逐漸擴(kuò)散燃燒,燃燒噪音低。(6)工業(yè)爐燃料范圍擴(kuò)大。HTAC技術(shù)的開(kāi)發(fā),大大擴(kuò)展了工業(yè)爐燃料的選擇范圍。它可以很好地燃用低熱值燃料而不需擔(dān)心點(diǎn)火困難和脫火問(wèn)題,而且燃料品種也不局限于氣體或液體燃料。隨著高溫空氣相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,煤及有機(jī)垃圾等固體燃料也可以使用,固體燃料通常先用高溫空氣氣化成燃?xì)?并經(jīng)凈化處理后,再用于高溫空氣燃燒中。目前,日本已開(kāi)發(fā)出高溫空氣燃?xì)饣亩喽戊侍崛〖夹g(shù),它能處理多種熱值的原料,包括各類廢棄物和生物質(zhì)可燃物。(7)適用性強(qiáng),應(yīng)用范圍廣。HTAC技術(shù)優(yōu)良的特性使它的適用范圍較寬,它能用于多種不同工藝要求的工業(yè)爐。目前可使用該技術(shù)的爐型有大中型推鋼式及步進(jìn)式軋鋼加熱爐、均熱爐、罩式熱處理爐、輻射管氣體滲碳爐、鋼包烘烤爐、玻璃熔化爐、熔鋁爐、鍛造爐等等。范圍可涉及到冶金、金屬加工、化工、陶瓷、汽車和紡織等行業(yè)。此外,HTAC技術(shù)也適用于生產(chǎn)不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動(dòng)較大的生產(chǎn)企業(yè)。6燃料油使用的前景分析從燃燒領(lǐng)域來(lái)講,高溫空氣燃燒技術(shù)帶來(lái)了一次新的革命,徹底打破了傳統(tǒng)燃燒的模式,進(jìn)入到新的未知領(lǐng)域——高溫低氧燃燒領(lǐng)域;對(duì)工業(yè)界來(lái)講,這項(xiàng)技術(shù)是一項(xiàng)既節(jié)能又利于環(huán)保且極具活力的技術(shù),值得大力推廣和開(kāi)發(fā);而對(duì)