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1、,高温空气燃烧技术 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
2、器使用寿命短、设备庞大、投资成本高且维修困难； （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
3、烟气余热利用达到接近极限的水平。 但是，NOx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
4、反应，炉内火焰透明无色，炉内温度分布几乎均匀，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,燃烧器 B,空气,切换阀,炉温 1350,钢板 1250,蓄热燃烧工作原理,蓄热燃烧工作原理2,具有大幅度节能和大幅度降低烟气中NOX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
5、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,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,2500,2000
6、,1500,1000,500,0,29,25,21,17,13,9,5,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 形状 蓄热体 材质 尺寸 换向阀 控制系统,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
7、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,换向控制有集中换向阀和分散换向控制两种。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
8、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。,五通换向阀,旋转换向阀,直通四通阀,两位三通阀,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
9、发了先进的MEET-IGCC生物质燃料气化系统。 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。,高温空气燃烧技术与传统燃烧技术在加热炉上的应用对比,出处：NFK公司（日本)：产品目录,节能潜力,主要技术特点是：蓄热式钢包烘烤器的排烟温度为150 左右，比常规钢包烘烤装置的排烟温度(约1000 )低很多，充分回收了烟气余热。节能率可达30%50%。由
10、于蓄热式钢包烘烤器为换向燃烧方式，同时又具有脉冲燃烧特性，使得包内烟气强烈扰动，火焰对钢包内衬的加热温度较均匀，包口与包底之间的温差30 ，能更好地满足生产的需要。蓄热式钢包烘烤器内火焰温度提高，热传输率增大，加快了烘烤速度，从而缩短了烘烤时间。,辐射管燃烧器,应用高温空气燃烧技术的蓄热式辐射管燃烧器主要用于金属材料的热处理工艺设备上，如可控气氛炉、塔式炉、辊底式炉、真空热处理炉、高速带钢连续热处理炉和带钢热镀锌用退火炉等，取得了很好的效果。它具有热效率高、节能效果好、污染排放少、适应性强等优点。以日本研制的双端式辐射管燃烧系统应用实践为例，其单管可节能30以上；热效率为62.8（传统辐射管为
11、44.7）；废热回收率为72.4（传统辐射管为23.3）；温差约45C（传统辐射管约80C）；所排废气中NOx为8110-6（传统辐射管为809010-6）；CO2的年排放量降低了1089 t。,在工业锅炉上的应用,将高温空气燃烧技术应用于传统工业炉的技术改造,对提高锅炉热效率，减少环境污染,降低金属消耗，提高其运行的经济性等具有极其重要的意义。日本已成功地开发了采用高温空气燃烧的锅炉（）锅炉，并建造了示范工厂。与传统的锅炉相比，HTAC锅炉的特点是：新型锅炉采用高效蜂窝体可使预热回收率达到80以上，炉内温度分布均匀，辐射能力因燃料裂解而明显增强，换热效率显著提高。由于烟气平均温度提高，使得炉
12、内辐射换热得以强化；由于省去了常规锅炉的对流换热段，使得体积明显缩小。污染显著降低。能够燃用低热值燃料，不发生点火困难和熄火问题，燃料适应性范围扩大。易获得高温高压蒸汽。,在固体废弃物气化工艺上的应用,运用高温空气燃烧技术进行高温煤气化和垃圾等废弃物固体燃料的气化，是高温空气燃烧技术的一个重要领域。此领域的应用当首推日本政府启动的MEET(Multi-staged Enthalpy Extraction Technology，即“多级焓提取技术”)新技术开发项目，目前已处于商业化阶段。它主要包括蒸汽/空气重整式（STAR-MEET）和高温空气气化多级焓提取技术（HTAG-MEET）两类系统。,
13、第二章 低氧弥散燃烧过程物理化学特性,高温空气燃烧（High temperature air combustion）; 低氧燃烧（Low oxygen combustion）; 稀薄燃烧或稀释燃烧（Dilution combustion, 或Oxygen-diluted combustion, ODC）; 低NOX燃烧（Low NOX emission combustion ）; 无焰燃烧（Flameless combustion, colorless combustion）; 无焰氧化（Flameless Oxidation, FLOX）; 蓄热燃烧（Regenerative combust
14、ion）; 低氮喷射燃烧（Low NOx injection combustion, LNIC）; 中度强化稀氧燃烧（Moderate and Intensive Low-oxygen Dilution Combustion, MILD） 强调：发生条件、排放特性、外观特性、依赖的技术。 低氧弥散燃烧（Dispersion combustion with low Oxygen-content, DCLO）,2.1 低氧弥散燃烧概念,不同空气预热温度和含氧体积浓度条件下丙烷的火焰实验研究证实：存在稳定燃烧区和不燃烧区；在800且O215%条件下火焰体积增大，火焰边缘无稳定状态，且亮度减弱。 （1
15、）具有“依靠燃料自燃原理来维持炉内稳定燃烧”的特征 传统燃烧稳定性：火焰传播速度与可燃物流出速度的平衡以及高温热源的传热来保证的。 自由火焰边界层中实现火焰的稳定（自由射流火焰）；利用外界能源稳定火焰（煤粉燃烧中用重油辅助喷嘴）；利用回流卷吸效应来稳定火焰（旋转射流和钝体后的稳定燃烧）；气体的同向大速差射流（喷吹煤粉用大速差射流的强化燃烧）；利用热流循环来稳定火焰（用烧嘴砖、炉壁炉拱的辐射传热），利用激波稳定火焰等。 低氧弥散燃烧炉内不存在特殊的稳定火焰设计，炉内每个位置（包括助燃空气入口、排烟口及低温受热面）温度都高于燃气混合物自燃点，在火焰脱离传统燃烧中由烧嘴控制的稳燃区后能依靠燃料自燃作
16、用继续燃烧。,（2）“反应点弥散”。 “弥散”可燃物分子和氧气分子混合并发生燃烧反应的位置或点在炉膛内的分散，“这种燃烧是一种可燃物分子和氧气分子较均匀地分散于炉膛空间内的每一个位置的燃烧”。 在燃烧过程中，未消耗掉的燃料或氧气分子就随气流对流扩散流动而被移到反应区之外。由于燃料和氧气的消耗速度（反应速率）降低，部分或小部分反应物分子被消耗而表现出火焰。大部分或剩余的部分反应物分子在燃烧物理作用下被移至反应区之外混合。这一过程一直延续到反应物中的一方被完全消耗为止，不同反应区叠加而表现出大体积火焰。优化燃烧物理过程可以合理布置火焰骨架，从而使整个炉膛充满火焰。,（3）“低释热强度（单位火焰体积燃烧放热）延时燃烧”。 火焰是不同时刻反应区叠加的结果。全部反应被设置在一个较长的时间和大的空间里完成，体现出低强度释热延时燃烧等特征。已吸收小部分燃烧热的反应物在被消耗前能离开反应区，有效地阻
