高溫低氧空氣燃燒技術在工業爐窯中的應用

摘要：如何實現工業爐窯的節能和降低排放污染問題一直是人類改善生活環境、實現可持續發展所需解決的重要課題之一。高溫低氧空氣燃燒技術的產生，解決了長期以來困擾燃燒界的節能與環保不能并舉的問題，其在工業爐窯上的廣泛應用已取得了很好的經濟效益與社會效益。

關鍵字：高溫低氧 節能減排 工業爐窯

在上世紀90年代初，日本人提出了高溫低氧空氣燃燒技術(High Temperature Air Combustion.簡稱HTAC) 這一概念，該技術主要由高效余熱回收和低NOX生成率兩部分組成。

高效余熱回收是通過蜂窩狀陶瓷蓄熱體對工業爐窯的排煙焓進行高效熱回收并對助燃空氣進行高溫預熱來實現的。良好的換熱效果，降低了排煙熱損失，顯著提高了煙氣余熱回收率。為了解決高溫燃燒產生高NOX的問題，HTAC技術在保持過量空氣系數α>1的情況下，通過爐內煙氣再循環或兩段燃燒方法，組織合理有效的爐內燃燒，降低燃燒空間中的氧濃度，創造低氧燃燒條件來降低煙氣中NOX的濃度。

一、HTAC技術的重要組成部分

采用一對帶蓄熱體的燒嘴（蓄熱體可與燒嘴布置為一體，也可置于蓄熱室內與燒嘴分開布置），在換向系統的控制下交替點火工作，完成煙氣與空氣熱交換，實現高溫低氧空氣燃燒。其工作原理見圖1所示。

圖1 高溫低氧空氣燃燒技術的工作示意圖

當燒嘴A工作時，助燃空氣經過該側蓄熱體A加熱后與燃料混合燃燒，生成的煙氣自燒嘴B流出，并放熱給蓄熱體B。經一定時間（通常為30S）后，換向閥動作，燃料和助燃空氣經蓄熱體B由燒嘴B射入，燒嘴B工作，產生煙氣流入燒嘴A，放熱給蓄熱體A后排出。HTAC技術主要通過一對蓄熱體，一對燒嘴和換向系統組成。

1.蓄熱體

蓄熱體是實現高溫煙氣與低溫助燃空氣換熱的介質，是實現高效節能的關鍵。其材質、形狀、結構尺寸直接影響工業爐窯的煙氣余熱回收率和燃燒的穩定性。結構合理的蓄熱體可使助燃空氣預熱達1000°C以上，只低于入口煙氣溫度50°C，使排煙溫度低于150°C。

蓄熱體的材質應具有耐高溫性、傳熱性、高強度等特征。目前，在煙氣溫度小于1200°C時多采用堇青石質陶瓷，煙氣溫度為1200°C以上時多采用氧化鋁或氧化硅質陶瓷，材質的選擇還應把排煙氣體酸堿度考慮在內。現較多采用的蓄熱體的形狀為球體和蜂窩體。雖然蜂窩體的傳熱系數小于陶瓷球體的傳熱系數，但其比表面積較大，單位體積傳熱能力可比球體的高出數倍，使其能在更小的空間、更短的時間內積蓄和釋放大量熱量。陶瓷蜂窩體的壓力損失也相當小，在同一燃燒容量，同一橫截面積下，為球體的1/3，可大大減少風機的動力消耗。評價蓄熱體的性能時，溫度效率和壓力損失特性都是重要的參數。雖然氣流的往復流動使得蓄熱體內不易積灰堵灰，但當煙塵中結晶析出物粘性物含量多時也會出現堵塞現象。

2.換向系統

據設定的時間或流體溫度值，由控制系統操縱，同時進行燃料、空氣和煙氣的換向，從而實現兩個燒嘴的交替工作。現普遍采用四通換向閥來實現空氣和煙氣的換向。換向設備的可靠性、靈敏性、同步性直接關系到爐內燃燒的穩定性、完全性，爐溫的波動狀態。如果實現空氣、煙氣換向的四通換向閥不能及時關閉，燃燒器中的助燃空氣就會有部分與煙氣一起被引風機抽走，導致不完全燃燒。如果燃料換向閥和四通換向閥的動作不一致，會使爐內燃燒產生波動，如果某一時刻燃料過量，就會導致不完全燃燒。要盡量縮短換向時間，使燃料、空氣換向同步。選擇和設計換向系統既要考慮有一定耐壓，抗沖擊能力也應考慮驅動換向系統所需的動力消耗。

3.燃燒器

合理的燃燒器結構，不但可以保證燃料的持續穩定燃燒，還可確保燃料在低氧濃度下燃燒，降低NOX的生成率。燃燒器的尺寸參數的優化設計，主要靠數值模擬和實驗來確定。

二、影響HTAC技術應用效果的主要參數

1．蓄熱體尺寸結構

蓄熱體內的換熱過程是包括對流、輻射和傳導在內的復雜的非穩態傳熱。在蓄熱體的材質和形狀一定時，蓄熱體的熱交換系數與流體溫度、空塔流速有關，流速、溫度增加，熱交換系數增加。蓄熱體阻力損失與蓄熱體的高度成正比，且隨空塔流速、流體溫度的增加而增加。把蓄熱體的換熱特性和阻力損失綜合考慮，才能得到合理的尺寸結構。

2．換向時間

換向系統的切換時間對火焰燃燒狀況、爐溫波動幅度和換熱效率有很大影響。換向周期愈短，預熱空氣溫度、爐溫和排煙溫度波動愈小，蓄熱體的蓄、放熱時間愈短，使煙氣余熱得到充分利用，熱回收效率增大。但是如果換向周期太短，換向頻繁，對換向設備要求高，同時切換占用時間增多，影響爐內正常燃燒。換向時間太長又會造成排煙溫度高，煙氣余熱回收率降低，同時預熱空氣溫度波動大，造成爐溫波動大，爐內溫差增大，使換熱效率降低。

三、HTAC技術的節能與環保分析

1.節能

高的煙氣余熱回收率，大大提高了燃料的節約率。在一定的氧濃度下，高的助燃空氣溫度保證了燃料的迅速燃燒。由于在HTAC條件下，隨著助燃空氣溫度的升高及氧濃度的降低，火焰體積增大，甚至充滿整個爐膛，再加上爐內煙氣的回流，使得燃料與助燃空氣在爐內得到很好的混合，在過量空氣系數接近1的情況下也能實現完全燃燒，在完全燃燒的前提下，空氣過量系數越小，節能效果越顯著。

由于輻射換熱能力的加強，換熱效率的提高，可相對減少換熱面積，縮小爐膛尺寸，節約設備資源。爐膛尺寸的縮小減少了散熱面積，使得爐膛散熱損失減少，相應地提高了燃料的熱利用率。

2.環保

HTAC使NOX生成減少。由于節能率大大提高，生產等量產品所耗燃料量減少，生成CO2量就減少，大大降低了CO2的排放量。

由于燃燒不是在燒嘴內進行，而是在整個爐膛內進行，且在低氧條件下化學反應速度得以延緩，從而降低了噪音污染。

四、結論

目前，HTAC技術作為一項成熟的技術在日本、歐美等國家正被廣泛地應用，對其的研究工作重點已轉到擴大其應用范圍上。上世紀90年代初，高溫空氣燃燒技術就已經被介紹到中國來了。但一直以來，人們都把研究重點放在了利用余熱回收提高熱效率的方面，對于高溫燃燒所導致的大量NOX排放問題并沒有重視。最近幾年，由于人們環保意識的加強，我國越來越多科研院校與企業開始致力于該項研究。但目前該項技術在我國的應用還剛剛開始，我們要想更好地掌握和應用此項技術，擁有獨立的設計產品，還需進行大量深入細致的研究工作。

參考文獻

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