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硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 摘要 高温空气燃烧( h t a c ) 技术是一项重要的节能环保技术。本文首先论述了h t a c 燃烧技术的发展历程、基本原理、特点、关键技术和它在我国的应用前景，然后针对这 项燃烧技术做了大量的数值模拟试验，分析了工业加热炉内温度场和n o x 排放浓度随 不同空气预热温度和不同氧气浓度变化的规律，从而为h t a c 燃烧技术在工业上的应用 提供定量的参考。 。 本文选用在工程中应用广泛的k 吨两方程模型模拟湍流流动，并对靠近壁面的区域 使用标准的壁面函数法处理，使得在壁面附近的数值解与实际情形基本相符；选用计算 量较小的p 1 模型计算辐射换热，并使用w s g g m 模型计算烟气的吸收系数，这样既保 证了数值解的精度，又减少了计算花费的时间；根据燃气和助燃空气通过不同通道进入 燃烧室的实际情况，选用混合分数p d f 模型模拟燃烧过程；采用由z e l d o v i c h 机理导出 的模型计算燃烧过程中n o 的排放浓度。 数值模拟结果表明，当助燃空气预热温度从3 0 0 k 提高到1 3 0 0 k 时，炉内最高温度：+ 平均温度和温差都随之线性增大，而n o 的排放浓度则呈指数形式增加，总共增大了5 个数量级：随着助燃空气中所含氧气浓度从2 1 降低到7 ，炉内最高温度和温差呈线 性减小的趋势，而n o 排放浓度呈指数形式急剧减少，最低时比在常温常氧浓度环境下 燃烧生成的n o 浓度也低了一个数量级。h t a c 燃烧技术利用燃料在高温低氧气氛中燃 烧的特点，与常规燃烧方式相比表现出极大的优越性，提高了炉内换热效率，从而节约 燃料，又可以使炉内避免出现局部炙热高温区，降低了氮氧化物的排放量。 关键词：高温空气燃烧，天然气，温度场，n o x 排放，数值模拟 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi s a l li m p o r t a n te n e r g y - s a v i n ga n dg r e e n c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e dt h eh t a ct e c h n o l o g ya b o u ti t s d e v e l o p m e n t ，b a s i cp r i n c i p l e , c h a r a c t e r i s t i c s ，k e yt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ti n o u l c o u n t r y , a n dt h e ns t u d i e dt h i s n e wc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yb yl o t so fn u m e r i c a l l y m o d d i n ge x p e r i m e n t t h ev a r i a t i o nr u l eo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o ni n i n d u s t r yf u r n a c ew i t hd i f f e r e n tp r e h e a t e dt e m p e r a t u r e o fa i ro rd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t i o n w a si l l u s t r a t e d i nt h i sp a p e r , t h es t a n d a r dk - sm o d e lw h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r yf l o ww a s u s e dt os i m u l a t et h et u r b u l e n tf l o w a n d ，t h es t a n d a r dw a l lf u n c t i o nw a su s e di nt h e w a l l - a d j a c e n tz o n e ，w h i c hs h o u l de n s l u et h ec o n s i s t e n to fc o m p u t a t i o n a lr e s u l ta n dt h e p r a c t i c a lf l o wf o rt h ep r e c i s i o n t h ep 1m o d e la n dt h ew s g g mm o d e lw e r eu s e dt o c a l c u l a t et h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fc o m b u s t i o ng a s e s t h e m i x t u r ef r a c t i o n p d fm o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o np r o c e s sb e c a u s et h ef u e l a n do x i d i z e re n t e ri n t ot h eb u r n e rb yd i f f e r e n tc h a n n e l t h ez e l d o v i c h st h e r m a ln o c a l c u l a t i o nm o d e lw a se m p l o y e dt oc a l c u l a t et h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fn oi nt h e c o m b u s t i o np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a l l ys i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h e nt h ec o m b u s t i o na i rp r e h e a t e d t e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m3 0 0 k t o13 0 0 k , t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e ，t h em e a nt e m p e r a t u r e a n dt h et e m p e r a t u r ed e f l e c t i o ni nt h e 缸m a c ew e r el i n e a r l yi n c r e a s e d ，w h i l et h em o l a r c o n c e n t r a t i o no fn oi n c r e a s e de x p o n e n t i a l l y , at o t a li n c r e a s eo f5o r d e r so fm a g n i t u d e ；w h e n t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o no ft h ec o m b u s t i o n - s u p p o r t i n ga i rw a sd i l u t e df r o m21 t o7 ，t h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ea n dt h et e m p e r a t u r ed e f l e c t i o ni nt h ef u r r a c el i n e a r l yd e c r e a s e d ，a n d t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fn oa l s oe x p o n e n t i a l l yr e d u c e d h t a ct e c h n o l o g yh a sg r e a t a d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n , b e c a u s eo ft h ef u e lw a sb u r n e da th i 醢 t e m p e r a t u r ea n dl o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o n t h u s ，i t d o e s n to n l yh e l pt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g ei nt h ef u r n a c ew h i c hw i l lr e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o n , b u t a l s ot o r e d u c et h en 0 xe m i s s i o n k e yw o r d ：h t a c ，n a t u r a l - g a s ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n i t r o g e no x i d e se m i s s i o n , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：潍 加o 年乡月哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 虱匮丛加。年石月衫日 硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 在世界各国的能源消费结构中，矿物燃料仍然占据着主导地位。从发展趋势上看， 即使至u 2 0 2 0 年，由于石油资源的下降和新能源的开发，矿物燃料所占比重将有所下降， 但仍高达7 3 9 ，仍然是能源的主要构成【l 】。在我国的一次能源消费结构中，以燃烧方 式提供能量的矿物燃料占总量的9 5 左右。可见，现代社会的动力，主要来自于矿物燃 料的燃烧，其应用遍及各个领域。如工业用和火力发电厂的锅炉、工厂的工业用蒸汽、 各种交通工具的发动机等，都是靠固体、液体或气体的燃料燃烧后产生的热能提供动力 的。 我国是一个以煤炭为主要能源的国家，所消耗的矿物燃料中的绝大部分( 7 0 8 0 ) 都是煤。长期大量低效地使用煤的方式，已使我国成为世界上空气污染最严重的 国家之一。根据我国对烟尘、s 0 2 、n o x 和c o 四种大面积的污染物的统计表明，燃料燃 烧、工业生产和机动车产生的大气污染物所占比例分别是7 0 、2 0 、1 0 。在直接燃 烧的燃料中，煤炭所占比例最大，为7 0 6 。所以，直接燃煤是造成我国大气污染严重 的根本原因，能源浪费严重、燃烧方式落后，又严重地加重了这种污染。 但我国天然气资源丰富，全国第二轮资源评价结果表明我国有3 8 万亿立方米的天然 气储量。而2 0 0 8 年我国的能源消费构成中，天然气占能源消费总量的比重仅为3 8 【2 j 。 此外，使用天然气造成的环境污染约为石油的1 4 0 ，约为煤炭的1 8 0 0 3 1 。因此在我国能 源结构规划中将逐步提高天然气的比例。现已制定了以西气东输、俄气南供、进口液化 天然气( l n g ) 、海洋气登陆、煤气层开发为主要内容的天然气长期规划。因此，作为 未来的耗能大户工业加热炉，在城市中将逐步采用天然气作为主要燃料。我国的工 业炉的平均热效率1 5 ，差的甚至仅有5 - - 一，6 ，与发达国家如日本工业炉3 0 - - 4 0 的 效率相比，差距很大【5 j 。 所以，严峻的形势迫切要求我们开发更加环保高效的工业加热炉，更加合理地控制 燃烧过程，积极开展对燃料燃烧机理和污染物形成过程的研究，探索高效洁净的燃烧技 术。 高温空气燃烧( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ，简称h t a c ) 技术，是2 0 世纪9 0 年代以来在国际上兴起的一项全新的燃烧技术。该技术将空气预热到8 0 0 1 0 0 0 ( 甚 至更高) ，使得燃料能够在氧气浓度较低的气氛中燃烧，这时燃烧过程类似于一种扩散 燃烧，燃烧空间内温度相对均匀，炉膛传热效率显著提高，而且污染物排放量大大减少。 这项技术在发达国家已受到普遍重视。在2 0 0 0 年1 月瑞典皇家工学院举办的h t a c 国际会 议上获悉，目前已经进行h t a c 技术开发和推广应用的国家主要有日本、美国：瑞典、 1 l 绪论硕士论文 荷兰、英国、德国、加拿大、意大利、芬兰、澳大利亚、墨西哥等例。 我国目前的能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第3 位；基本能源消费占世界 总消费量的1 0 4 ，居世界第2 位。可见我国已经成为一个能源生产和消费大国，能源 供应和相关的环境问题将成为影响我国经济可持续发展的重大因素。无论从环保或节能 的角度来讲，我国都应大力发展高温空气燃烧技术，这将非常有利于我国经济的长远发 展。但我国在这方面的研究工作才刚刚开始，已落后于上述发达国家，因此有必要加大 对这项技术的投资和研发力度，对其在中国的发展前景做全面深入的研究。 1 2h t a c 燃烧技术的研究现状 传统工业中都是将燃料在常温常氧( 助燃剂中氧气浓度为2 1 ) 的环境下燃烧以获 得能量。早期的高温空气燃烧技术是将燃料在经过预热的空气中燃烧，这样会产生较多 的n o x 等有害排放物，而9 0 年代后讨论的高温空气燃烧技术指的是高温低氧( 助燃剂 中氧气浓度小于2 1 ) 燃烧。国内外的学者对这种燃烧技术进行了一系列的基础研究， 包括燃烧时的火焰特性、污染物的形成机理以及实现高温空气燃烧所需的一些关键设备 ( 如蓄热器和烧嘴) 等方面。 1 2 1 关于火焰特性的研究 火焰特性是指火焰的颜色、范围、温度和稳定性等方面，关于它的研究已成为当前 燃烧学中的热门课题。 t o s h i a k it a n i g a w a 和m i s t u n o b um o r i t a 1 4 】通过实验研究，发现与常规火焰相比，采用 高温空气燃烧技术后火焰体积显著增加，火焰亮度辐射减少，远离燃料喷嘴的下游部位 能够稳定燃烧，炉内最高温度值减小，温度分布更加均匀。a s h w a n ik g u p t 棚t o s h i a k i h a s e g a w a 1 5 j 研究了当射入炉内的空气中的含氧量由2 1 下降至1 j 2 时火焰的颜色特征、 辐射特性以及燃烧产物。火焰比起常温空气燃烧时更加均匀，火焰体积随预热空气温度 上升和氧气浓度减小而增大。 国内的蒋绍坚、彭好义等人【9 ，1 7 。9 】自行设计并制作了国内的第一套h t a c 火焰特性 观察实验系统，并以丙烷为燃料，以n 2 为氧浓度稀释剂，采取电加热的方式预热助燃剂， 开展火焰特性的实验研究。试验中助燃剂温度最高被预热到了1 0 0 0 。c ，助燃剂中氧气体 积浓度最低达到了2 。结果表明，助燃剂预热温度及含氧体积浓度对火焰特性具有显 著影响：随着助燃剂温度的提高和含氧体积浓度的降低，火焰体积成倍扩大，亮度逐渐 减弱，颜色由黄色逐渐变为蓝色、绿色甚至无色。高温低氧浓度气氛中火焰特性和常规 燃烧中的火焰特性完全不同。 1 2 2 关于降低氮氧化物排放量的研究 关于降低氮氧化物排放的研究，国内大都是通过数值模拟的方法计算排放量，但是 2 硕士论文 h t a c 燃烧过程的数值模拟 国际上有些国家的研究机构设计出了一些降低氮氧化物排放量的燃烧方法。这些方法主 要有：燃气空气分级燃烧法、分布式燃料喷射法、烟气回流法等。 燃料空气分级燃烧法是指先用1 0 1 5 的燃料( 一级燃料) 与高温预热空气混合， 进行一级燃烧，燃烧产物随剩余的空气与炉内气体混合，因此氧浓度降低，此时再与大 部分的燃料( 二级燃料) 混合燃烧，可降低燃烧强度。合理布置二个燃料喷口，能有效 消除温度炙热点，达到降低氮氧化物排放量的要求。s u z u k a w a 、a k i y a m a 和y a s u d a 等在 一定条件下将空气预热药j 1 6 0 0 k ，采用燃料分级喷入法，将氮氧化物排放量降低为一般 燃烧器的5 0 p o 。l mp e a r d e n 和j dm a s s i n g h 锄等，对非分级燃烧和空气分级燃烧模式 进行了对比实验，在1 1 6 0 k - 1 3 0 0 k 时通过分级燃烧，氮氧化物排放量可降低至5 0 6 0 ，其换向周期为9 0 秒，气体速度变化在2 5 范围内对氮氧化物排放量影响不大【2 1 1 。 国内的张成毅则对采用分级燃烧的甲烷和空气燃烧过程进行了数值模拟，并计算出了前 后两次的最佳空气系数配比l 2 z j 。 分布式燃料喷射法是通过使燃气与空气成一定角度喷入炉内，这样燃气会在炉内流 动中逐步与空气混合，使燃气在低氧浓度下与空气逐步混合，达到延缓燃烧、降低氮氧 化物排放量的目的。同时由于气流对炉内燃烧产物有卷吸作用，也会进一步降低氧气浓 度，有利于减少氮氧化物的生成。n i s h u m r a 等采用燃气和空气偏离一个特定的角度喷入 炉内的方法，延缓燃料和空气的混合烧，降低了氮氧化物的生成 2 3 。他们以此方法开发 出了c o b e l c o 低氮氧化物高效热式燃烧器。这种燃烧器在炉温1 0 0 0 时，氮氧化物排 放量小于5 0 p p m ( 氧气过剩1 1 ) ，而原蓄热式燃烧器在炉温1 0 0 0 时，氮氧化物排放量 大于5 5 0 p p m ( 氧气过剩1 1 ) 。 烟气回流法是将炉子排出的烟气与空气混合，再送入炉内进行燃烧，其降低氮氧化 物的机理与以上方法一样。但这种方法管路复杂，会引起额外能量消耗和设备的增加。 d o n g h e eh a n 和m gm u n g a z l 2 4 1 、t 1 s h i i 2 5 1 、祁海鹰【2 6 】等对氮氧化物的生成进行了 数值模拟和分析，探讨了氮氧化物生成机理，从基本现象了解高温空气燃烧的特性，为 进一步的工业应用提供理论依据。 1 2 3 关于蓄热器和烧嘴的开发 蓄热式换热装置是高温空气燃烧技术的关键部件之一。利用蓄热装置来回收排烟余 热，人们的在实践中早已摸索出来，但由于技术原因，很长时间未能实现其应有的商业 价值。 直至1 1 2 0 世纪8 0 年代初期，英国燃气公司( b r i t i s hg a s ) 和h o t w o r k 公司开发成功了高 效蓄热式余热回收技术，并研制了体积紧凑的高效蓄热式自身预热燃烧器，才标志着小 型高效换热器技术的真正成熟。新的蓄热装置无论在材料、尺寸、形状、7 厚度和换热面 积等方面，都取得了重大突破。空气和烟气的切换时间大大缩短，从而极大地提高了蓄 3 l 绪论硕士论文 热体的余热回收和空气预热能力，节能效果十分显著。9 0 年代初，日本科研工作者 s u z u k a w a 、a k i y a m a 和y a s u d a 等采用壁厚为o 4 m m ，2 5 m m x 2 5 m m 方孔的6 5 0 m m x 6 5 0 m m 的蜂窝陶瓷做蓄热体，可以将空气预热温度提高至1 6 0 0 k 。美国马里兰大学燃烧 实验室利用蜂窝陶瓷蓄热体现己能将排烟温度降低至1 5 6 。 目前，国外国内都已开发出多种适用于高温空气燃烧技术的烧嘴。 f d i ( f u e ld i r e c ti n j e c t i o n ) 型是日本研制的高温空气烧嘴，热功率在1 m w 以下。它 主要是利用一组喷管作为燃烧器的烧嘴，所喷出的高速气流卷吸炉内的烟气，形成再循 环，从而降低了空气射流中氧气的浓度，抑制了n 0 x 的生成。h r s d l 是日本研制的另 一种型号的燃烧器，热功率多在5 m w 以下。其特点是：空气从烧嘴中心直接以高速喷 出，促进烟气再循环；燃气喷口不放在烧嘴通道内，而是缩在其后面，有效地防治了喷 口的氧化或结焦；第一次喷出的燃气沿着烧嘴通道的内表面，二次燃气是在烧嘴通道的 端面直接喷向炉内，调节两者的比例可使火焰的形态和燃烧室的形状相适应。 德国研制的f l o x ( f l a m e l e s so x i d a t i o nb u r n e r ) 燃烧器将传统烧嘴的环形空气喷口 改为一组围绕燃气喷口的多个小喷口。这样可以扩大空气射流与炉内烟气的接触面积， 增大空气射流对烟气的卷吸量，降低空气射流中氧的含量，并且通过加大空气喷口间距 推迟空气与燃气的混合，从而降低火焰的最高温度。当空气预热n 7 5 0 时，采用普通 高速燃烧器的火焰最高温度高于2 0 0 0 ，而采用f l o x 燃烧器的火焰最高温度只有1 4 0 0 。这样n o x 的排放量也会降低。美国和意大利也都有科研人员设计出了各有特点的烧 嘴。 在国内，机械部第五设计院就研究出蓄热式烧嘴并通过技术鉴定。蓄热体为氧化铝 的陶瓷球，球径为1 0 m m - - 一2 0 m m ，单位体积的表面积为老式蓄热室的1 0 倍以上。在以天 然气为燃料的锻造加热炉上应用时节能4 7 ，同时产量提高1 2 5 ，排烟温度小于2 0 0 ， 余热回收率7 0 到8 0 ，蓄热室温度效率9 0 【27 1 。北京科技大学九十年代初开发了自己 的蓄热式换热器，蓄热体为豁土质和铸铁质波纹片，换向时间3 分钟5 分钟。在燃重油 的锻造加热炉上实验，取得了很好的效果【2 8 1 。 1 3 本文的研究目的 在过去，燃烧装置的设计和改进主要靠实验，包括近代发展起来的冷态模型实验、 热态模型实验和全尺寸装置实验。人们依靠实验取得数据和经验公式，同时也依靠实验 发现问题，改进设计。 随着数值模拟技术和计算燃烧学等学科的发展，现在人们已经可以通过计算机求解 控制微分方程组，便可以计算出燃烧器内部流体速度、温度和组分浓度等参数的分布及 其变化，预测装置的气动、传热、燃烧性能以及污染物排放水平，在计算机上进行设计 方案的初步论证和燃烧器性能调试。这不但有助于深化基本现象和过程的认识，而且能 4 硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 使装置的优化设计工作在更大程度上依靠合理的计算，从而减少实验过程中的盲目性和 工作量。本文即采用数值模拟的方法对新出现的h t a c 燃烧技术进行研究。 在我国，对h t a c 燃烧技术的应用还没有脱离常规燃烧技术的理念，仅仅是把它当 作一种蓄热技术。而事实上，h t a c 燃烧技术是以高效余热回收和低n o x 排放这两者 为根本特征的，可以降低环境污染也是这项技术的一个重要方面。本文首先系统地论述 h t a c 燃烧技术的发展历程、基本原理、特点、关键技术和它在我国的应用前景，然后 详细介绍对采用h t a c 燃烧技术的燃烧过程进行数值模拟的方法，综合分析助燃空气预 热温度和氧气浓度对燃烧室内温度场和污染物n o x 排放浓度的影响。 本文以长方体工业加热炉为模型，燃料为天然气( 本文中近似假定其组分为：甲烷 占9 6 o ，乙烷占1 o ，c 0 2 占3 o 。) 。天然气从中心入口进入，不同温度或者是 含有不同氧气浓度的空气从周围通道进入，在炉内相遇后燃烧。燃烧过程是极其复杂的， 涉及到质量、动量和能量输运现象。为了对这些过程进行准确地模拟，需要对流动、传 热和燃烧机理有深刻的认识。本文基于f l u e n t 这一成熟的商业软件建立一套完整的模拟 气体紊流扩散燃烧的数学模型，烟气的物性参数和燃烧室壁面对燃烧过程的影响也做出 了适当处理，以保证数值模拟的准确性。通过对不同工况下的模拟结果的分析，可以得 出炉内温度场和n o x 排放浓度随不同空气预热温度和不同氧气浓度变化的规律，这将 为h t a c 燃烧技术在工业上的应用开发提供指导。同时，数值模拟结果也表明，只有将 提高助燃空气预热温度和降低助燃空气中氧气浓度两者结合起来，才能最大限度地发挥 h t a c 燃烧技术在提高传热效率和降低氮氧化物排放量等方面的作用。 总之，本文试图通过建立准确的工业炉炉内燃烧过程和湍流流动过程的计算模型， 为工业上h t a c 燃烧装置的设计或者改造提供定量的参考，从而节约设计和实验过程中 耗费的能源、材料以及人力。 5 2h t a c 燃烧技术介绍硕士论文 2h t a c 燃烧技术基础 高温空气燃烧技术在日、美等国家被简称为h t a c 燃烧技术，在西欧一些国家则简 称为h p a c ( h i g h l yp r e h e a t e da i rc o m b u s t i o n ) 技术，也有人称之为无焰燃烧技术 ( f l a m e l e s sc o m b u s t i o n ) 、高温低氧燃烧、贫氧超焓燃烧技术等 2 9 】，其基本思想都是让 燃料在被预热的空气和降低了氧气浓度的气氛中燃烧。其基本的实现途径有两条：一是 采用高效的蓄热式换热装置，回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气；二是采用燃 料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，以稀释反应区域内氧气的浓度。燃料在这种 高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力 学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部 高温高氧区，由此使得采用h t a c 燃烧技术在工业实际应用中具有很大的优越性。本章 将对h t a c 技术的发展历程、基本原理、其优点和关键设备做些介绍，并对其在我国的 应用前景做些叙述。 2 1h t a c 燃烧技术的发展历程 随着科学技术的进步，人们对燃烧现象的认识也不断加深，开始利用各种方式来提 高燃烧效率，其中最主要的是通过改变燃料与助燃剂的混合方式，包括预混合、部分预 混合和非预混燃烧等，能源的利用效率逐步提高。但是这种节能技术还很不完善的，燃 烧产生的烟气直接排放到大气中，没有任何的余热回收装置，系统的排气损失和过剩空 气损失都很大，造成了大量的能量浪费。 从1 9 世纪2 0 年代起，换热器的发明使得预热助燃空气得以实现，人们开始利用排放 的烟气将燃料燃烧所需的空气预热，来获得工业生产过程中所需的更高的燃烧温度或者 是提高热利用率。但是由于换热技术以及换热材料的限制，助燃空气的预热温度并不高， 一般都不会超过6 0 0 ，通常情况下只有2 0 0 - 3 0 0 。而且早期的余热回收装置体积 庞大，蓄热体厚，换向时间长，预热温度波动大，余热回收率低，都限制了它在工业上 的推广【3 2 1 。 但在2 0 世纪8 0 年代初期，蓄热技术得到突破性的发展。英国燃气公司( b r i t i s hg a s ) 和h o t w o r k 公司成功开发了高效蓄热式余热回收技术，并研制了体积紧凑的高效蓄热式 自身预热燃烧器，极大地提高了蓄热器的余热回收能力和空气预热能力，节能效果十分 显著【3 3 泓】。这种燃烧器集燃烧、热交换、排烟功能于一体，实用性强，造价也可以被一 般企业所接受，因而迅速在世界范围内得到推广，被称之为“第一代再生燃烧技术 。 但不足的是，采用这种蓄热燃烧技术后，排放到大气中的烟气中含有的n o x 浓度较高， 且系统的可靠性问题也一时无法解决。所以，尽管在此后的十余年中，第一代再生燃烧 6 硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 技术在美国、英国、日本、澳大利亚、加拿大、墨西哥等许多国家的玻璃熔炉、熔铝炉、 金属加热炉、锻造炉、热处理炉等许多种工业炉上都得到应用，取得了巨大的经济效益， 但排放的n o x 对环境造成的威胁也日益严重。随着国际上对环境保护力度的加强，在注 重节能的同时开始注意燃烧排放的烟气所造成的环境污染，最终严格地规定了污染气体 ( 如n o x 、s 0 2 等) 排放标准，这种技术开始受到很大的冲击。 到了2 0 世纪9 0 年代初，日本的科研人员提出了降低空气含氧量后再和燃料混合进行 燃烧的新概念，成功地实现了极限回收余热和t l n o x 排放【3 6 1 。这被称之为“第二代再生 燃烧技术，也即本文所讲的高温空气( h t a c ) 燃烧技术。与第一代再生燃烧技术不 同，h t a c 燃烧技术通过极限回收烟气余热并高效预热助燃空气，实现了超高温( 11 0 0 ) 和超低氧气浓度( 2 5 ) 条件下的燃烧，具有大幅度节能和降低烟气中n o x 等 有害物质排放的双重优越性。该技术是日本“高性能工业炉开发”这一项目的核心技术， 受到了日本政府的高度重视和大力支持【37 1 ，日本工业界在发展这方面技术所取得的成绩 也得到了国际上广泛的承认。至此，业界凡是提到高温空气燃烧技术，都是指的这种既 预热助燃空气又降低助燃空气中氧气浓度的燃烧技术。 2 2h t a c 燃烧技术的基本原理 高温空气燃烧技术的核心在于利用蓄热式换热装置来回收烟气中的余热加热助燃 空气，主要由燃烧室、成对布置的燃烧器和蓄热器、换向阀等部件组成 3 8 。3 9 1 。系统原理 如图2 1 所示。 帮 热 宜 b 图2 1h t a c 燃烧技术原理图 当烧嘴a 工作时，a 侧燃料阀打开，侧关闭。空气由风机提供，通过蓄热室a ，并 在蓄热室内被加热至约l 0 0 0 或以上，与从烧嘴a 喷出的燃料混合后在炉膛内燃烧。生 7 2h t a c 燃烧技术介绍硕士论文 成的烟气流经烧嘴b 和蓄热室b ，并在蓄热室b 内放出热量后，经四通换向阀门由引风机 排出。运行一段时间( 2 0 s - - 2 0 0 s ) 后，四通换向阀切换，此时b 侧燃料阀打开，a 侧关 闭。空气经换向阀进入蓄热器b 吸收蓄热体的热量，然后连同燃料通过烧嘴b 进入炉膛 燃烧。产生的高温烟气经由烧嘴a 进入蓄热器a ，在那里释放热量后，经换向阀和引风 机排出，完成一个换向周期。这样，蓄热体周期性地储存烟气放出的热量，并用储存的 热量加热助燃空气，最大限度地利用了烟气余热。 2 3h t a c 燃烧技术的优点 h t a c 燃烧技术与常规燃烧技术( 指燃料在常温常氧浓度的助燃空气中燃烧) 相比， 表现出很大的优越性，具体来说有以下几点。 2 3 1 能最大限度地利用高温烟气余热 由于高温空气燃烧技术采用了成对布置的蓄热式余热回收装置，能够交替吸收烟气 余热，真正做到了“极限余热回收 。同时将回收的烟气余热用来加热助燃空气，最高 可将助燃空气的温度预热到1 0 0 0 - 1 4 0 0 ，大大提高了炉内的燃烧温度，从而可以节 省燃料。九十年代初，日本工业炉株式会社田中良一领导的科研小组采用热惰性小的蜂 窝式陶瓷体作为蓄热体，可把燃烧所需的空气预热到1 3 0 0 - - - , 1 4 0 0 。c ，比烟气温度仅低 5 0 1 0 0 ，而加热炉的排烟温度可降至1 5 0 - 2 0 0 ，其热回收效率可达8 5 以上， 与传统的燃烧方式相比可节约近5 0 的燃料【2 9 1 。因此h t a c 技术可极大程度地降低加 热炉的排烟损失，达到有效利用能源的目的。 2 3 2 炉内温度分布更加均匀 与常规燃烧相比，采用h t a c 技术的燃烧过程火焰体积明显增大，燃烧区域扩大， 使得炉内温度分布更均匀。如图2 2 所示。 0 5 0 0 1 0 0 01 5 0 0 火焰长度椭 图2 2 常规燃烧方式与h t a c 燃烧技术下沿火焰长度方向温度分布 撇 傩 姗 瑚 p膏避积簸长 硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 在常规的燃烧方式下，氧浓度为2 1 ，燃料分子在喷嘴出口附近的较小空间内就与 足够多的氧分子相遇，来不及扩散到炉膛内部较大的空间就已燃烧。因此在喷嘴附近， 火焰温度较高( 如图2 2 中曲线1 所示) 。在低氧浓度气氛下，由于氧分子被大量惰性气 体稀释，使助燃空气中的含氧量降得更低，这样，只有少量的燃料分子在喷嘴附近与氧 分子相遇而燃烧，大部分的燃料分子必须到炉膛深处才能与氧分子相遇并燃烧。于是， 火焰的峰值温度降低并滞后，火焰拉长，炉内的温度分布均匀( 如图2 2 中曲线2 所示) 。 这特点在有些工业应用场合下，可以提高产品质量。 2 3 3 可降低n o x 排放量 采用高温空气燃烧技术，组织合理的燃烧工况，使燃料在含氧浓度低于2 1 的助燃 空气中进行燃烧，可以降低n o x 的生成量。对于含氮较少的气体燃料来说，燃烧后主 要生成温度型n o x 。温度型n o x 量随n 2 、0 2 的浓度和燃烧温度的提高而增加。在高温 空气燃烧技术中，由于助燃空气被加热到1 0 0 0 以上，提高了燃烧室内的温度，这必定 会有助于n o x 的生成。但如果降低助燃用高预热温度空气中的氧含量，则可使火焰的 最高温度低于传统燃烧方式的火焰温度，并且炉内温度分布均匀，无局部炙热点，从而 大大减少n o x 的生成量，有利于减轻对环境的污染。 2 3 4 可使用低热值燃料 采用常规的燃烧技术，难以直接把高炉煤气、发生炉煤气等热值较低的燃料用于高 温加热，必须掺入一些高热值的燃料作辅助燃料。由于高温预热空气所具有的物理热增 加了炉内的理论燃烧温度，使得燃料的点火变得比较容易，这样那些以前被当成废气直 接排出的低发热值发生炉煤气和高炉煤气，转化为可用于轧钢和炼钢等工业炉用的燃 气，提高了低热值燃气的使用价值。我国钢铁企业每年排放到大气中的高炉煤气如果全 部得到利用，相当于节约7 6 1 1 07 g j 的能量】。 2 4h t a c 燃烧技术中的关键设备 从上面介绍的h t a c 技术的原理可以看出，其系统中的关键设备主要是实现“极限 余热回收”的蓄热装置、完成空气和燃气的混合并组织燃烧的烧嘴，以及实现改变空气 流向高频四通换向阀。 2 4 1 蓄热装置 回收废气中的显热，用来预热燃烧用的空气是一项卓有成效的节能措施。蓄热室从 产生到一直用于现在，其发展共经历了“传统蓄热装置陶瓷球状球蓄热体蜂窝 陶瓷蓄热体的过程。这种能实现“极限余热回收 的高温蓄热装置是高温空气燃烧技 术的关键部件之一。常见的用于h t a c 技术中的余热回收装置有陶瓷球状球蓄热体和蜂 o 2h t a c 燃烧技术介绍 硕士论文 窝陶瓷蓄热体。但相比之下，蜂窝形蓄热体在比表面积、质量、压力损失和换向时间等 方面都优于陶瓷球状球蓄热体。蜂窝陶瓷蓄热体更好地满足了高温空气燃烧技术的要 求，所以其应用得到越来越多的重视。图2 3 是蜂窝陶瓷蓄热体与陶瓷球状蓄热体的对比 照片【4 5 】。 o 6 5 1 1 1 1 6 d k g 6 5 m o 。1 5 9 3 1 3 瞳m a s - 13 4 4 m z l m a s 3 6 9 m o m l a ) 蜂窝律b i 球体 图2 3 蜂窝陶瓷蓄热体与陶瓷球状蓄热体的对比 蜂窝陶瓷蓄热体比表面积显著增大，使其换热能力大幅度提高。具有相同换热能力 的蜂窝陶瓷蓄热体与其它常规蓄热体相比，体积仅为常规蓄热体的l 3 i 6 ，重量仅 1 6 - - 1 1 0 。由于该蓄热体高速的蓄热和放热的能力，使得切换时间也由常规蓄热体的 2 m i n - - - - 3 m i n 缩短到2 0 s 3 0 s ，进一步改善了空气预热的动态换热特性，更有利于温度在 炉内均匀分布m 】。蜂窝陶瓷蓄热体通道呈直线，流通截面积较大，压力损失较小，通常 在1 0 0 0p a 以下，一般只有陶瓷球的1 3 ，不易发生粉尘堵塞【4 7 1 。综合考虑余热回收率、 耐久性能、蜂巢形状、网目、壁厚分割的最佳约合以及对应最大回收率的最佳切换时间， 可以实现最佳的传热特性和耐久性能，热回收率可达8 5 以上，换热后的排烟温度降低 到与预热前空气温度相差无几，同时也使空气预热后提高到接近炉内烟气温度。 2 4 2 烧嘴 烧嘴是约束空气和燃料的流向使之混合的燃烧装置，起着组织燃烧的作用，并直接 关系到n o x 的生成和排放水平。它也是高温空气燃烧技术的核心部件之一。目前常用的 比较典型的烧嘴有：日本的f d i 型和h r s 型、德国研发的f l o x 型、美国开发的l n i 型、 意大利的m i l d 型 4 8 捌】。下面介绍一下日本f f 9 h r s 型烧嘴，它是由日本钢管( n k k ) 和 日本工业炉株式会社( n f k ) 从1 9 9 0 年起共同开发的一项新回热和燃烧技术。在1 9 9 6 年 1 0 碗论文h t c 燃烧过程数值模扭 至1 9 9 8 年进行的试验中，两种加热炉共安装y 3 8 套共7 6 支h r s 烧嘴，在炉膛排气温度 1 3 0 0 ( 2 的情况下，预热空气温度达至0 1 2 5 0 c ，n o x 排放量显著减少，比改造前分别节能 2 5 和4 0 。 燃 轴i 圈2 a h r s 型烧嘴示意国 图2 4 是h r s 型号烧嘴的示意图。一次燃料( f 1 ) 的燃烧主要用于给冷炉( 炉温在8 0 0 以下) 升温，在正常工作时就切换成一次燃料( f 1 ) 和二次燃料( f 2 ) 同时运行。f l 的燃烧属于富氧燃烧，在高温条件下，燃烧将很快完成，同时生成一部分n o x 。所以要 求严格控制f 1 的大小，f ，的量通常比f 2 少很多，否则将生成大量的n o x 。f ，燃烧后的烟 气在流经优化设计的喷口后，形成高速射流并卷吸周围的烟气形成回流流动，而大量燃 气则通过f 2 通道喷入炉内此时二次燃烧将与含氧浓度较低的烟气混合燃烧。尽管使用 了高温助燃空气，但并没有出现局部的炙热高温区，燃烧后温度场相当的均匀，抑制了 n o x 的生成。 高温空气烧嘴与传统的烧嘴相比，其喷口的结构基本相似，但射流速度更高，喷口 间距更大，以保证在燃气与空气混合的位置附近氧气浓度较低又由于空气预热后的温 度远高于燃气着火的温度，保证了燃气着火和燃烧的稳定性。 2 a 3 四通换向阀 四通换向阀是实现空气和烟气高频切换的关键部件。尽管烟气换热后温度很低，换 向阀是在低温条件下作业，对材料的耐温性无特殊要求，但必须考虑换向阀的工作寿命 和可靠性。由于切换周期短，仅2 0 s 3 0 s ，加之烟气中含有较多的微小粉尘，高频切换 作业必然会带来较大的磨损，因此，换向阀材质必须耐磨。另外，换向阎还必须具有一 定的耐压、抗冲击能力。下图为常见的四通换向阀的结构示意图。 g 2h t a c 燃烧技术介绍硕士论文 图2 5 四通换向阀结构不慈图 由于必须在一定的时间间隔内实现空气与烟气的不断切换，对换向阀的控制也是一 项重要的技术。换向控制有集中换向控制和分散换向控制两种方式。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，但难以控制炉膛内压力和炉内气氛。由于换向阀距离蓄热体较远换向操作时残留 在管道内的煤气随烟气排出，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，一般适用于单烧 嘴型蓄热室 5 2 1 。 2 5h t a c 燃烧技术在我国的应用前景 在我国，以高效余热回收和低n o x 排放为根本特征的高温空气燃烧技术开发和应 用才刚起步。我国对该技术的应用，还没有脱离常规燃烧技术的理念，仅仅是当成研制 一种用于余热回收的特殊烧嘴。从节能和环保两方面来看，我国都应当大力发展高温空 气燃烧技术。所以，h t a c 燃烧技术在我国有着很好的应用前景，可以预见的应用行业 有工业加热炉、新型锅炉以及煤气化工艺_ k t5 1 。 2 5 1 在工业加热炉上的应用 我国工业炉是能源消耗大户，而且能源利用水平不高，大概相当于国外发达国家5 0 年代到6 0 年代的水平【5 3 1 。工业炉的热效率平均不到3 0 ，其中锻造炉为5 2 0 ，热 处理炉为8 - - 2 5 ，连续加热炉和隧道窑的热效率稍高一些，但也只有3 0 - - - , 5 5 。 而国际上工业炉的热效率平均为5 0 以i - c 5 4 】。据统计，从工业炉排烟而造成的损失，全 国每年估计超过5 0 0 0 万吨标准煤。随着国家上世纪8 0 年代后加强对节能的重视，使换 热器成为在工业炉的设计和技术改造中必不可少的设备，但安装换热器的工业炉仅有 1 0 ，空气预热温度也大多在3 0 0 c 以下【5 5 1 。由此可见，我国应大力加强对工业加热炉 1 2 硕士论文h t a c 燃烧过程的数值模拟 的余热回收利用。 目前，我国对燃烧产生的n o x 污染还没有给予足够的重视，没有制定出严格的n o x 排放标准，仅仅在g b j 4 7 3 中对单