（热能工程专业论文）基于htac技术的蓄热式高温空气发生器实验研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 i 高温空气燃烧( h i 曲t e m p e r a t u r e a i rc 。m b u s t i 。n ，简称h t a c ) 技术是2 0 世纪9 0 年代国际燃烧领域诞生的一项全新型燃烧技术，具 有高效节能和低污染排放的双重优越性，对于缓解能源危机、改善环 境质量、燃料的有效应用具有重要意义，在欧美、日本等发达国家得 到了高度重视和大力推广。斗 j 本文阐述了h t a c 技术的产生和发展历程、基本原理及其在国内 外的最新发展状况；介绍了基于h t a c 技术的生物质高温空气燃气化 系统及其关键部件一以h t a c 为核心的蓄热式高温空气发生器的工作 原理和关键技术。 本课题由国家高技术研究发展计划专项经费资助，中南大学能源 与动力工程学院“生物质高温空气气化技术研究”课题组与株洲工业 炉公司合作开发了国内第台高频切换蓄热式高温空气发生器实验 装置。以丙烷气体为燃料，在低( 约8 0 0 左右) 、中( 约l o o o 左 右) 、高( 约1 1 5 0 左右) 三个温度段，选取不同的换向周期，开展 了一系列实验研究：分析空气预热温度、排烟温度、炉温、切换周期 之间的变化关系；总结蜂窝型陶瓷蓄热体的基本换热规律；计算了蜂 窝陶瓷蓄热体的综合传热系数和温度效率，证明其换热系数比之一般 同类工质换热器显著提高，其温度效率高达8 0 8 8 ，而换热装置的 中南大学硕士学位论文摘要 体积大大缩小；研究空气预热温度、切换周期对烟气中n o 。排放的影 响；综合考虑各种因素的影响，确定系统的切换时间在4 0 6 0 s 之间较 为合理；测定了系统的热平衡和热效率，测算表明当预热高温空气达 到l 0 0 0 左右时，系统的热效率可达8 5 4 ；评价了实验装置的运行 效果，同时指出了存在的不足之处，提出了改进意见o f 为今后的研究 工作打下了基础。 | 最后列举了作者认为应进一步开展的研究工作寸 关键词：高温空气燃烧，高温空气发生器，蜂窝陶瓷蓄热体，切换， 实验研究 i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r e a i rc o m b u s t i o n ( h t a c ) i san e w l yd e v e l o p e d t e c h n o l o g y i n t h en e l do ff u e lc o m b u s t i o ns i n c el9 9 0 sw i t hu n i q u ea d v a n t a g e so fs l g n i n c a n t e n e 唱ys a v i n ga n dl o wp o l l u t i o ne m i s s i o n r e s u l t sf r o me x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n a n di n d u s t “a la p p l i c a t i o ns h o wt h a tt h i sn e wc o m b u s t i o n t e c h n o l o g yw i l lo p e nan e w p e r i o df b r e n g i n e e r s a n ds c i e n t i s t st or e l i e v e e n e r g yc r i s i s ，t o c o n t r 0 1 p o l l u t a n t e m i s s i o ng e n e r a t e df r o mc o m b u s t i o na n dt oi m p r o v ee f f e c t i v eu s a g eo fv a r i o u sf u e l s t h eg r e a ta t t e n t i o nh a sb e e np a i do ni ti nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha sj a p a n 、 t h eu n i t e ds t a t e sa n dt h ee u r o p e t h eg e n e r a t i o na n df h n d a m e n t a lp r i n c i p a lo fh t a ct e c h n o l o g ya r ei i l u s t r a t e d a sw e l la si t s d e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e s t h eg a s i f i c a t i o ns y s t e mf r o mb i o m a s s u s i n gh i g ht e m p e r a t u r e a i rb a s e do nh 1 1 a c t e c h n o l o g y i s i n t r o d u c e d ； a n dt h e w o r k i n gp r i n c i p a l a n d k e yt e c h n 0 1 0 9 i e s o fo n eo fi t s c o r e c o m p o n e n t s r e g e n e r a t i v eh i g ht 色m p e r a t u r ea i rg e n e r a t o ra r ed e s c r i b e d c o 。o p e r a t i n g w i t hz h u z h o ui n d u s t r i a lf u r n a c e m a n u f a c f u “n gc o m p a n y ， c o l l e g eo fe n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n go fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t yd e v e l o p e dt h e f i r s ts e to fh i 曲一c y c l er e g e n e r a t i v eh i 曲t e m p e r a t u r ea i rg e n e r a t o ri n s i d eo u r c o u n t r y as er i e so fc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r “e do u tw i t hp r o p a n ea s “e l u n d e r 出ec o n d i t i o n so fd i f f 色r e n tf u r n a c e t e n l p e r a t u r e a n ds w i t c h j n gp e r i o d t h e c u r v e sb e t w e e n t e m p e r a t u r e o fh e a t e da i r 、 e x h a u s t g a s 、 c o m b u s t i o na r e aa n d s w i t c h i n gp e r i o d a r e o b t a i n e d ；t h eh e a t e x c h a n g e r u l e so ft h e h o n e y c o m b r e g e n e r a t o r a r e a n a l y z e d a n d s u m m a “z e d ； b o t ho ft h e s y n t h e t i c h e a i e x c h a n g e c o e f f i c i e n ta n d t e m p e r a t u r e e m c i e n to ft h e f e g e n e r a t o r a r e c a l c u l a t e d ；t h e i n f l u e n c e so ft h et e m p e r a t u r eo fh e a t e da i ra n ds w i t c h i n gt i m ea r er e s e a r c h e do n n i t r o g e no x i d ee m i s s i o n ；t h eo p t i m u ms w i t c h i n gt i m eo ft h eg e n e r a t o rk c h o o s e di n t e r m so fa l ls o r t so fi n f l u e n t i a l f a c t o r s ； t h et h e r m a lb a l a n c eo ft h e s v s t e mi s m e a s u r e da n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h et h e r m a le f f i c i e n ta c h i e v e s8 5 4 w h e nt h et e m p e f a t u r eo f g e n e r a t e da i rc o m e s t oa b o u t10 0 0 t h e r u n n i n ge f f e c t so f t h es y s t e ma r ee v a j u a t e d ；t h ee x i s t i n gs h o r t sa r ep o i n t e do u ta n dt h ec o r r e s p o n d i n g s u g g e s t i o n sa r eo f k r e d i nt h ee n d ，as e “e so f p r o p o s a l so nf h r t h e rr e s e a r c hw o r k a r ep u tf b r w a r d k e yw o r d s ： h i g ht e m p e i a t u r ea i rc o m b u s t i o n ，h i 曲t e m p e r a t u r ea i rg e n e r a t o r ， i n 中南人学硕士学位论文a b s t r a c t h o n e y c o m br e g e n e r a t o r ，s w i t c h i n g ，e x p e r i m e n tr e s e a r c h l v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使 用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：雨7 楷譬争日期：2 0 哆年( 月玛同 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位 论文。 作者签名狮情铃导师签名：誓铂哆日期：辱年乡月同 生重查堂堡主堂垡堡塞 一一 一 星兰竺笙 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 生物质是一种贮存太阳能的可再生物质，生长过程中吸收大气中的c 0 2 ，用 现代技术可以转化为固态、液态和气态燃料。生物质能一直是人类赖以生存的 主要能源之一，目前。全世界每年由光合作用生成的生物质仅有1 左右被作为 能源利用，其消耗量占全世界每年总能耗的1 4 ，仅排在煤炭、石油、天然 气之后。我国是农业大国，生物质资源十分丰富，仅农村每年产生的生物质燃 料可折合27 亿吨标准煤，占农村总能耗4 0 左右1 2 】，但是利用程度不高，利用 率也很低，大量宝贵的生物质燃料被白白浪费。此外，我国的城市生活垃圾中 约有1 3 是有机物( 纸品、厨房剩余物、草木纤维等) ，可视之为生物质能源 3 】： 而无机物( 炉狄、塑料、玻璃、金属等) 将随着我国城市化率、煤气供应率和 集中供瑷率的不断上升而减少，城市垃圾的有机质比重将迅速上升。随着化石 燃料的同趋紧张以及使用化石燃料带来的f i 益严峻的环境污染问题，世界各国 越来越重视可再生能源的开发和应用。由于生物质在生长时需要的c o ，量相当 于其燃烧时排放的c 0 2 量，因而生物质能利用过程中c 0 2 近似于零排放，而且 生物质中硫的含量极低，基本上无硫化物的排放，是一种可再生的清洁的能源。 大力发展和利用生物质能源，将对逐步改变我国以化石燃料为主的能源结构， 缓解r 益严重的“温室效应”，特别是为广大的农村地区因地制宜的提供清洁方 便的能源，具有十分重大的意义。 生物质燃料的直接燃烧利用，不仅效率低，而且难以符合只益严格的环保 要求，如果将其进行燃气化利用，则可扩大燃料的用途，部分取代石油，便于 贮臧和远距离运输，提高能源利用效率。目前已有的燃气化利用方法，如流化 床气化法、固定床气化法、热解气化法、回转窑气化法、联合气化法等，均是 在常温下气化，通常存在气化效率及燃气热值较低、燃料利用范围较小、预处 理复杂等问题；而在富氧或纯氧条件下气化，尽管能够提高燃气热值和气化效 率，但需要空气分离装置，动力消耗大、系统复杂，总体经济效益不高。 二十世纪九十年代国际燃烧领域诞生了一项全新型燃烧技术一高温空气燃 烧( h i 曲t e m p e r a t u r e a i r c o m b u s t i o n ，简称h t a c ) 技术，它具有高效节能、低 污染排放、缩小装置尺寸等诸多优越性。h t a c 技术的出现和不断发展，为生物 质的有效利用提供了前所未有的广阔前景，将h t a c 技术与传统气化技术相结 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 合的m e e t ( m u l t i s t a g e de n t h a l p ye x t r a c t i o nt c c h n o l o g y ) 生物质燃料燃气化系 统得到了日本、美国、西欧等发达国家学术界和工业界的高度重视，实践表明 该系统具有结构简单紧凑、操作灵活、气化效率和系统热效率较高、经济性好 等许多优越性【4 j 】。各国纷纷投资该系统的研究，并在许多工业领域大力推广应 用。然而，我国这方面的研究工作却还刚刚开始起步，建立相关实验装置，开 展理论和实验研究，逐步消化吸收这一先进技术，在此基础上，结合我国国情 进行产品开发和技术创新，形成自己的知识产权，十分必要且意义重大。近年 来我国政府开始意识到开展生物质气化利用的重要意义，本课题即来自“十五” 8 6 3 计划项目“生物质气化发电优化系统及其示范工程”的子课题“生物质高 温气化技术研究”。这一技术的开发成功将为改善我国终端能源结构，解决能源 供应紧张，提高燃料利用效率，减少环境污染，实现可持续发展做出重大贡献。 1 2 高温空气燃烧( h t a c ) 技术概述 1 2 1 蓄热式燃烧技术的发展历程 燃烧节能技术的发展大致经历了三个阶段：废热不利用阶段、采用换热器 回收烟气余热阶段和采用蓄热室回收烟气余热阶段。 在废热不利用的年代，烟气以接近炉膛温度的高温直接排入大气，不仅浪 费了大量烟气显热，而且对环境造成热污染，炉子的热效率一般在3 0 以下【“。 十九世纪二十年代，换热器的发明为预热助燃空气提供了必要的技术条件， 但由于换热技术的相对落后，助燃剂温度并不高，通常仅2 0 0 3 0 0 。到二十世 纪六七十年代，国内外丌始普遍采用集中式余热回收技术从排气中回收显热， 将工业炉窑产生的烟气引入集中烟道，在烟道内设置空气预热器来回收烟气余 热并预热进入炉膛的助燃空气，然后进行燃烧。经过近半个世纪的发展和完善， 排烟温度大幅度下降，炉子热效率显著提高。然而在这种方式下，由于受到换 热器的材质、抗热抗蚀能力和系统漏损等因素的限制，空气预热温度一般不会 超过6 0 0 ，烟气仍然带走燃料中4 0 一5 0 的能量【7 1 。在我国普遍使用的工业炉 窑用换热器中，实际空气预热温度一般在2 5 0 5 5 0 之间，排烟温度在4 5 0 一6 5 0 之间，不能进行充分的烟气余热回收，炉子的热效率一般在5 0 以下【8 1 。 18 5 8 年w i l l i a ms i e m e n s 发明了蓄热室。在传统的蓄热室烟气回收技术中， 蓄热室是用异型耐火砖砌成的格子砖。炉内排出的烟气先自上而下通过格子砖 将其加热，经过一段时间后，利用换向设备关闭烟气通道，使冷空气由相反方 向自下而上通过格子砖，从而达到预热的目的。在钢铁工业和玻璃制造业中， 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 为了能满足工艺所需高温的要求，显著的节约能源，长期以来都致力于发展蓄 热式预热系统。然而，与抉热器相比，传统蓄热室烟气余热回收技术虽然可以 极大限度的回收烟气余热，达到节能降耗的目的，但由于采用格子砖作蓄热体， 蓄热室造价较高，体积庞大，往往是蓄热室比炉体本身还要大，且综合传热系 数低，换向时间长，预热温度波动较大，投资高，因而对于一般大型的高温炉， 蓄热室的应用受到了限制，现在只在少数蓄热式均热炉、大型锻造炉和个别敞 焰无氧化炉上应用。 随着材料科学的飞速发展，蓄热体的研制工作取得了重大突破。2 0 世纪8 0 年代初，英国燃气公司( b r i t i s hg a s 公司) 与h o tw o r k 公司将现代燃烧技术与 高效蓄热室巧妙结合在一起，成功的联台开发出一种集蓄热室和燃烧器为一体 的体积紧凑的高效蓄热式陶瓷球燃烧器。这种陶瓷球热导率高，比热容大，耐 高温，以其作为蓄热体吸收烟气余热，空气可以稳定的预热到1 0 0 0 以上，大 大超过了管式换热系统的废热利用效率【引。根据二者的合作计划，1 9 8 2 年9 月 在一座i3 7 0 的玻璃熔炉上建成了第一套蓄热式陶瓷燃烧器系统( r e 2 e n e r a t i v e c e r a m i cb u m e r ) ，之后在英国乃至欧洲以及美国部分地区迅速建成了几百套 r c b 系统，节能效果十分显著。新的蓄热体无论在材料、尺寸、形状和换热面 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，从而极大提 高了蓄热体的余热回收和空气预热能力，节能效果十分显著。这种燃烧器被广 泛应用于英国和美国的钢铁和铝工业中，可使助燃空气预热温度在实际工业生 产条件下，由6 0 0 提高至10 0 0 以上，这是当时工业炉窑余热回收领域的一 项重大技术进步。 这种早期开发的高温空气条件下的燃烧技术被称为“第一代再生燃烧技术” 一1 0 川。它大大提高了余热利用率，使烟气余热利用达到接近极限的水平。二十 世纪s o 年代的十余年中，第一代再生燃烧技术在美国、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 理炉等多种工业炉上成功应用，产生了巨大的经济效益。然而，在炉内燃烧温 度及热效率碍以较大提高的同时，也存在着火焰体积有限、焰心温度很高、炉 膛温度不均及余热回收利用装置体积庞大等诸多不足。其结果是对燃料质量有 厂格要求、需要较大的过剩空气系数、炉体的热工状态受制于火焰区的局部高 温及n o 。排放浓度高( 每立方米排气可达1 0 3 p p m 以上) 等。 随着环境污染的日益加剧，世界各国在注重节能的同时，也开始对环境保 护日益重视。人们开始限制温室气体c 0 2 的排放总量，并严格规定污染气体( 如 n o x ) 的排放标准【l ”，第一代再生燃烧技术开始受到冲击。 9 0 年代初，国内外学术界针对蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触这一难题 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 进行了深入研究，旨在同时达到节能和降低c 0 2 、n o 。排放的目的。日本钢管株 式会社( n k k ) 和日本工业炉株式会社( n f k ) 从1 9 8 5 年开始进行该技术的基 础研发，他们合作研制出一种经济、紧凑、压力损失小、比表面积大、热惰性 小的高性能蜂窝式陶瓷蓄热器代替陶瓷球蓄热器( 热回收率达到6 4 ) ，从排气 中回收显热，取得了良好的效果，其热回收率高达8 5 i l ”j 。这种蓄热体结构 紧凑，换热比表面积高达1 3 4 0 m 2 ，m 3 ( 远超过陶瓷球蓄热体的比表面积 2 4 0 m 2 m 3 ) ，重量约是球状蓄热体的1 l o ，体积约为其l 5 。蓄热体再生周期由 于高速的蓄热和换热能力而缩短到3 0 秒，同时，排气温度进一步下降到2 5 0 以下，进入炉膛的燃烧空气温度则提高至1 0 0 0 左右，只比炉温低5 0 10 0 ， 实现了极限余热回收，产生了燃烧所需的高温空气【l 0 l “j 。 如上所述，蓄热材料经历了由格子砖一陶瓷小球一蜂窝体的进步，由格子 砖到小球的转变使得蓄热式燃烧技术得以真正实现，而从小球到蜂窝体的提高 则使蓄热式燃烧技术最终得到完善。经济、 成功开发，大大降低了高温空气的生产成本。 2 0 世纪9 0 年代初，日本学者最早经研究 发现，一定的含氧量对应于一定的高温空气 温度范围可以形成稳定的燃烧区域】。图1 1 为空气中浓度、空气预热温度与燃烧状态的 关系图【l 。其中，区域i 表示工业炉膛采用 的燃烧空气从常温到5 0 0 6 0 0 的预热温度： 区域i i 表示常规空气条件下，空气预热温度 在6 0 0 以上；区域i i i 表示氧浓度在15 以 紧凑、高效的蜂窝式陶瓷蓄热体的 见区 7j蠢濑酝 图1 1高温空气稳定燃烧区域 下的稳定燃烧区。他们在此基础上突破传统的思维模式，提出了降低空气含氧 量后进行燃料燃烧的新概念，并在原有的蜂窝陶瓷蓄热体基础上，开发出一种 同时实现“极限”余热回收和低n 0 x 燃烧的新型蓄热式烧嘴。日本工业家田中 良一先生在此基础上首先提出一种与传统燃烧方式机理迥然不同、具有高效节 能和低n o 。排放双重优越性的全新型高温低氧燃烧技术，这就是“第二代再生 燃烧技术”( ”，”】。日、美等国简称为“高温空气燃烧( h t a c ) 技术”，西欧 一些国家简称为“h p a c ( h j 曲l yp r e h e a t e d a i r c o m b u s t i o n ) 技术”，亦称为“无 焰燃烧( f l a m e l e s sc o m b u s t i o n ) 技术”。 1 2 2 h t a c 技术的基本原理 通常，单纯依靠提高预热空气温度来实现高温燃烧，必然导致大量的n o 。 生成。h t a c 技术完全突破了几百年来人们对燃烧的传统认识，它的理论意义在 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 于拓宽了人们对温度和氧气浓度关系的认识范围，并从技术上实现了高温条件 下大幅度降低氧气浓度的燃烧过程，解决了高温燃烧与n o 。生成的矛盾，通过 “极限”回收烟气余热并高效预热燃烧空气，实现高温和低氧浓度条件下的燃 烧，因而具有大幅度节能和显著降低烟气中n 0 。排放的双重优越性。 h t a c 技术的基本工作原理如图1 2 所示。 回收烟气余热。由于采取蓄热式自身预热方式， 以必须成对安装。当a 烧嘴工作时，b 烧 嘴起排烟及蓄热作用：一段时间后进行切 换，b 烧嘴工作，a 烧嘴起排烟及蓄热作用。 在工作过程中，1 2 0 0 的高温烟气通过辐射 和对流传热的方式在相当短的时间内迅速 1 将热量传给蓄热体，烟气释热后温度降至 15 0 左右经换向阀排出：然后，通过切换， 室温下的空气由相反方向进入烧嘴，蓄热体 再以对流换热为主的方式将热量迅速传给 空气，蓄热体被冷却，空气被预热到10 0 0 它采用蜂窝陶瓷蓄热体“极限” h t a c 烧嘴只能闯歇性工作，所 以上。预热后的空气进入炉膛后，由于高 速喷射，形成一低压区，抽引周围低速或静 图1 2 高温空气燃烧系统工作原理 止的燃烧产物形成一股含氧体积浓度大大低于2 1 的贫氧高温气流。气体燃料 ( 或雾化液体燃料) 经喷嘴喷入炉内后，与此高温低氧气流扩散混合，发生与 传统燃烧完全不同的高温低氧燃烧。工作温度不高的四通阀以一定的频率进行 切换，切换周期通常为1 0 一3 0 秒。 h t a c 技术包含两项基本技术措施：一是采用高效蓄热式余热回收装置，通 过切换使高温烟气和冷空气交替流经蓄热体并进行换热，从而把原来上千度的 排烟温度降低到2 5 0 甚至更低的水平，最大限度地回收燃烧产物中的高品质余 热，用于预热助燃空气，以获得温度为8 0 0 1 0 0 0 甚至更高的高温助燃空气； 另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧 体积浓度，获得浓度为1 5 2 ( 体积) 的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中， 获得与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，不再存在传统燃烧过程中出现的 局部高温高氧区，形成一种与传统发光火焰迥然不同的新火焰类型，这种燃烧 是一种动态反应，不具有静态火焰。 第二代再生燃烧技术即h t a c 技术与第一代再生燃烧技术的区别主要表现 在： ( 1 ) 第一代再生燃烧技术的蓄热体采用传热面积小的小球状陶瓷材料，而 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 h t a c 技术则采用蜂窝状陶瓷蓄热体，传热面积大，可提高预热空气温度，最大 限度的回收烟气余热； f 2 ) h t a c 技术提出了高温低氧燃烧的新概念。在这种燃烧方式下，燃烧室 内的温度整体升高且分布更趋均匀。使燃料消耗显著降低，降低燃料消耗也就 意味着减少了温室气体的排放：另一方面，氮氧化物( n o x ) 的生成得到抑制。 氮氧化物是造成大气污染的重要原因之一，主要有热力型和燃料型。由于h t a c 技术主要采用气体燃料，舍氮化合物少，因此燃料型n o x 生成极少。而热力型 n o 的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度以及氮、氧的浓度有关，其 中温度是影响热力型n o x 的主要因素。在高温空气燃烧条件下，炉内平均温度 丹高，但没有传统燃烧的局部高温区，同时炉内高温烟气回流，降低了氮、氧 的浓度；此外，气流速度大，燃烧速度快，烟气在炉内停留时间短，因此热力 型n o x 排放量也急剧减少，因而既实现了第一代再生燃烧技术的高效节能特性， 又降低了n o x 污染，故又被称之为“环境调和型燃烧技术”，坩r 2 0 l 。 1 2 3h t a c 技术的研究现状 1 2 3 1 技术概念的多样化 经过近年的发展。目前国际上对高温空气燃烧形成了多种技术概念和称谓 归结起来主要有j ： ( 1 ) 低氧燃烧( l o wo x y g e nc o m b u s t i o n ) ； ( 2 ) 无焰燃烧( f l a m e j e s sc o m b u s t i o n ) ； ( 3 ) 蓄热燃烧( r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o n ) ； ( 4 ) 高温空气预热燃烧( h i 曲l yp r e h e a t e da i rc o m b u s t i o n ) ： ( 5 ) 稀释燃烧 ( d i l u t i o nc o m b u s t i o n ) ； - ( 6 ) 低氮氧化物燃烧 ( l o wn o xe m i s s i o nc o m b u s t i o n ) 。 这些概念分别从燃烧原理、火焰形态、所采取的技术措施或污染物排放 等方面体现了高温空气燃烧的主要技术特征。 1 2 3 2 燃烧方式的扩展 从国际上的研究和实践可以发现，h t a c 技术的燃烧方式已经从最初的经典 燃烧方式扩展开来，综合起来有如下几种【2 l 】： ( i ) 经典式：如图i 一3 ( a ) 所示般23 1 。燃料与空气相距一定的距离分别供入燃 烧空间燃烧过程在高温预热的空气与烟气混合物中进行，具有扩散燃烧的性 质； ( 2 ) 准常规式：如图1 3 ( b ) 【2 4 1 所示。将燃料直接喷入高温空气气流中，在一 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 定条件下，也能实现超低n o 。排放； ( 3 ) 预混式：如图1 3 ( c ) 【2 5 所示。燃料与高温空气经过预混后，高速喷入燃 烧空间，亦可实现超低n o 。排放。 后两种高温燃烧方式实现低n o x 排放的关键是射流效应，通过大大提高射 流对烟气的卷吸量，来稀释可燃混合物，造成低氧燃烧的条件。高速射流使传 统意义上的火焰脱体而远离喷口，高温条件又可以保证不发生熄火。在燃烧发 生时，已经形成了局部的均相预混可燃气体的条件，但当地的过量空气系数已 经远远偏离了化学当量比。可见常规燃烧的方式在定条件下，完全可以转变 成为低n o 。燃烧，前提是燃烧空气温度高，使高速射流导致火焰吹熄的条件消 失，提高射流速度就成为降低n o 、的重要措施。 燃 厂b 燃烧室17 0j 耋 g v 高温空气 ( a ) 经典式 高 燃烧室、 ttt 干 燃料 ( b ) 准常规式 图卜3 燃烧方式扩展 l 燃烧室 户j 一 蚶 燃料与高温空气 ( c ) 预混式 1 2 3 3 试验研究方法 除了在不同规模的炉窑上进行试验外，目前国际上用于h t a c 技术基础研 究的试验技术可以归纳为以下三种： ( 1 ) 用电加热提供高温空气，并通过在空气中渗入n 2 等惰性气体改变含氧量 来模拟空气稀释的情形【2 “。这种方式比较常见，试验条件易于控制，但加热功 率和加热温度受高温元器件的制约； ( 2 ) 采用预燃室提供高温烟气，通过渗入0 2 调节含氧量，然后供入燃烧空间， 再喷入燃料进行高温低氧燃烧。但由于供入炉膛的是相当于已经被烟气稀释的 空气，所以燃烧情况与典型的新鲜空气射流在炉内稀释的情形有所不同，但结 果是相似的 26 】； ( 3 ) 采用专门设计的高温空气发生器。将流经蓄热体的高温预热空气分成两 7 中南大学硕十学位论文第一章绪论 部分，一部分供入炉膛用于试验，另一部分进入装有同样蓄热体的另一侧。由 于需要不断换向，用于实验的高温空气流量会随之有所波动，但影响不大。这 种装置由日本设计使用2 7 1 。 1 2 3 4 主要研究内容 原理认识【2 1 1 装置的几何结构、空气预热程度和含氧量及其对燃烧性能和污染排放的影响 是研究的关键因素。 图卜4 燃料与空气射流 距离示意图 五d 。 图卜5n 0 。随燃料一空气射流相对距离变化 ( 燃料射流对空气射流的倾角= 0 ) 图1 - 5 【2 8 j 给出了燃料与空气射流之间的相对距离对n o 。排放的影响。n 0 。 排放量的高低取决于空气与燃料在掺渗之前被烟气稀释的程度，与燃料与空气 射流之剐相对距离成正比。该距离同时体现了绝对距离和空气射流通道直径的 变化，因此射流速度即烟气回流强弱程度的影响也就包括在里面。研究表明， 对受限空间的火焰而言，提高射流速度产生两种相反的效应：一是强化湍流效 应，缩短燃料与空气的混合距离和火焰长度；二是强化烟气循环，导致对燃料 与空气流的稀释效应，反而有增加混合距离的趋势。因此，存在一个最小的相 对距离，使后一种效应得到保证。 1 0 0 8 0 ：8 0 糌 柩4 0 螭 2 0 0 巾加热度0 t 1 0 0 * 一加刍f l 度f - 8 0 一加热度f - 们* 一加赫赢i o ( 冷空气) 空气曩蕴i a i ，l 矗o o8 0 01 2 1 6 烟气沮疰t - c a ) 空气碾鹤程度的影暗 b o 一 = 6 0 辞 耩4 0 瑶 2 0 第h 组天然气 氧化捌比饵m l0 鬻嚣触 _ - 1 0 0 、l 姐：嚣一： 4 0 08 1 2 i 咖2 0 烟气湿度，_ c ( b ) 曩馒瓤中氧摧发擞影响 图卜6空气预热程度和含氧量对炉窑热效率的影响 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 6 【2 9 1 是空气预热程度和氧化剂中氧含量对炉窑热效率的影响。可以看出 二者有相似之处。 火焰特性的研究 t a d a s h i 等人的实验研究表明【3 0 j ：“传统燃烧情况下，如果燃烧中空气温度 提高到一个较高水平，随着燃烧过程的进行，要出现一个最高温度。但如果燃 烧空气被不参加燃烧的惰性气体稀释，这个最高温度就会下降。与常规火焰相 比，高温稀释空气燃烧具有火焰体积显著增加、火焰亮度辐射减少、远离燃料 喷嘴下游部位的稳定燃烧、炉温分布均匀等特性。” 高温低氧燃烧条件下的火焰特性规律总结如下2 0 ，2 5 ，3 1 j ： ( 1 ) 传统燃烧采用含氧体积浓度为2 1 的普通空气或超过2 1 的富氧空气甚 至纯氧作助燃剂，通常在常温下就可燃烧；高温空气燃烧由于在氧体积浓度远 低于2 1 的气氛中进行，必须把助燃剂空气或助燃剂空气与燃料的混合物起 预热到高温，爿能保持连续稳定的燃烧。 ( 2 ) 助燃剂预热温度及合氧体积浓度是影响火焰体积的主要因素，随着空气 预热温度增加和氧浓度从2 l 降至2 ，燃烧的火焰体积增大，火焰温度更加 均匀。 ( 3 ) 高温低氧燃烧火焰的亮度低于同温度下的普通氧浓度( 2 1 ) 氛围下的 火焰，火焰亮度随着氧气体积浓度的降低里逐渐减弱的趋势，且这一趋势随预 热温度的升高而变得更为明显。 ( 4 ) 随着空气预热温度的升高和氧气浓度的降低，火焰颜色由黄色变为蓝色、 兰绿色、绿色，甚至无色。氧气浓度为2 l 时，火焰颜色以黄色为主，夹杂些 蓝色；当氧气浓度为l 5 ，预热温度为8 0 0 时，火焰颜色则以兰绿色为主：进 一步降低含氧体积浓度至5 ，提高助燃剂预热温度到1 0 0 0 时，火焰颜色基本 呈绿色；文献( 3 2 】把这一现象称为“绿色火焰效应”，高温空气燃烧产生绿色火 焰效应的真实机理还有待探究。当氧气浓度降至2 时，火焰颜色十分浅，在炉 壁的映衬下，看上去似乎没有火焰。 蓄热器的研究 八十年代，英国开发出以陶瓷球为蓄热载体的蓄热回收废热系统，使得燃 烧空气预热温度可以在工业生产条件下稳定的达到1 0 0 0 。九十年代，日本学 者s u z u k a w a 、a k i y a m a 和y a s u d a 等人采用壁厚为0 4 m m ，2 5 2 5 m 埘方孔的 6 5 0 6 5 0 m m 的蜂窝陶瓷做蓄热体，空气预热温度提高至1 3 3 0 34 1 。 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 关于降低氮氧化物排放的研究 当前降低氮氧化物排放量的主要方法有：燃气空气分级燃烧法、分布式 燃料喷射法、烟气回流法等。 燃料分级法是指1 03 0 的燃料( 一级燃料) 首先与高温预热空气混合，进 行一级燃烧，燃烧产物随剩余空气与炉内气体混合，因此氧气浓度降低，此时 再与二级燃料混合燃烧，可降低燃烧强度。合理布置二次燃料喷口，能有效消 除温度炙热点，达到降低氮氧化物的要求。 分布式燃料喷射法是采用燃气与空气成一角度喷入炉内，使燃气在炉内流 动中逐步与空气混合，同时气流对炉内燃烧产物有卷吸作用，这些因素综合作 用，使燃气在低氧沐度下与空气逐步混合，达到延缓燃烧。降低氮氧化物排放 的目的。 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，但是这种方法管路复杂，会引起额夕 能量 消耗和设备的增加。 s u z u k a w a 、a k i y a m a 和y a s u d a 等人在一定条件下将空气预热到1 3 3 0 ，采 用燃料分级喷入法，降低氮氧化物排放，其排放量为一般低氮氧化物燃烧器的 5 0 i ”】。n is 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，延缓它们 的混合燃烧，降低氮氧化物的生成，开发了c o b e l c 0 低氮氧化物高效热式燃烧 器。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 】) ，而c o b e l c o 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) 3 6 3 ”。 1 2 3 5h t a c 技术在我国的发展状况 高温空气燃烧技术的一部分一新型蓄热式高温余热回收和空气预热技术在 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初就已被介绍到我国，并成功应用于若干座工业窑 炉上，取得了相当的经济效益1 1 7 】。机械部第五设计研究院、北京科技大学等单 位丌发出的燃烧装置，在锻造加热炉上应用后，取得了余热回收率7 0 一8 0 、节 能( 燃料) 4 7 8 7 5 、装置热效率由原来的l o 1 5 提高到4 0 4 、产量提高 12 4 3 0 的巨大成绩“”j 。然而由于我国工业窑炉污染控制没有得到足够的重 视，这项技术在我国没有能够与低氧浓度燃烧相结合而发展成为国际上推崇的 高效节能和超低n o 。排放的全新型“高温空气燃烧技术”，而仍然属于常规燃烧 技术的范畴。 19 9 9 年1 0 月，在中南大学博士生导师萧泽强教授的积极倡导下，由中国科 协工程学会联合会主办，中南大学、北京神雾科技有限公司等单位协办的“高 l o 中南火学硕十学位论文 第一章绪论 温空气燃烧新技术国际研讨会”在北京召开，“高温空气燃烧技术”的概念正式 传入我国，其高效节能与环保的双重优势受到高度重视。现在国内有不少科研 院所、大专院校开始从事高温空气燃烧技术的基础理论和实验研究。中南大学 热能工程系自1 9 9 8 年起便开始广泛收集国内外文献资料，在吸收国外先进技术 的基础上，与株洲工业炉制造公司合作开发研制了h t a c 火焰特性实验装置， 开展了火焰特性实验研究【4u _ 4 “。机械部第五设计院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 2 0 咖，单位体积的表面积为老式 蓄热室的1 0 倍以上，应用在以天燃气为燃料的锻造加热炉上，节能4 7 ，同时 产量提高l2 5 ，余热回收率7 0 到8 0 ，蓄热室温度效率9 0 眦4 “。北京 科技大学开发了自己的蓄热式换热器，蓄热体为黏土质和铸铁质波纹片，换向 时阳j3 5 分钟，在燃重油的锻造加热炉上实验，取得很好的效果43 1 。 1 3 基于h t a c 技术的生物质高温空气燃气化系统 1 3 1 基于h t a c 的高温空气气化技术 在蓄热式燃烧技术基础上发展起来的h t a c 技术随着不断发展和逐渐完善， 已经在不同领域得到了应用和发展，运用h t a c 技术进行高温煤气化、生物质 燃料气化，是其中一个重要的应用领域。 由r 本j s t ( j a p a n s c i e n c ea n dt e c h n 。l o g yc o f p o r a t i o n ) 支挎、日本东京工 业大学组织，只本、美国一些大学和企业合作承担的c r e s t ( c o r e r e s e a r c h f o r e v o l u t i o n a is c i e n c e e x t r a c t i o n i - e c h n 0 1 0 9 y ) m e e t ( m u l t i s t a g e d e n t h a l p y e x t r a c t i o nt e c h n o j o g y ) 新技术开发项目，从】9 9 7 年开始，投资6 0 0 一7 0 0 万美元， 将h ，r a c 技术与传统气化技术相结合，应用于煤和生物质燃料的气化处理，旨 在同时取得最佳的经济效益和达到最低的污染排放f 44 1 。1 9 9 9 年东京工业大学吉 川郑夫教授在此基础上提出了一种新型气化技术一“高温空气气化技术( h i 2 h t e m p e r a t u r e a i r g a s i f i c a t i o n ，简称为h t a g ) 【4 5 ，4 6 ，4 。它以h t a c 技术为基础， 采用l o o o 以上的高温空气作为气化剂，在低过剩空气系数下与固体燃料发生 不完全燃烧和高温气化反应，获得热值较高的燃气。由于空气温度很高，空气 过剩系数大为降低，气化反应大大增强，气化系统热效率比之采用常温空气气 化显著提高。 气化器中发生的主要化学反应为高温空气气化主反应和高温蒸汽重整副反 应。高温空气气化主反应为： ， 中南火学硕士学位论文 第一章绪论 c j + 0 2 + n 2 寸c o + h 2 + h 2 0 + c 0 2 + n 2 + q l ( 1 1 ) 烷烃7 为了抑制反应过程中烟尘的形成，通常在空气预热前添加l o 2 0 的水蒸汽。 固体燃料本身合有的水分及添加的水蒸气在高温气氛中可与c 及烷烃等发生高 温蒸汽重整副反应： c h 2 0 + c o + h 2 一q 2 ( 1 2 ) 烷烃7 出于高温空气气化主反应释放的热量q 】远大于高温空气重整副反应吸收 的热量q 2 ，燃烧室内气化温度高于预热空气初始温度，从而维持l o o o 以上的 气化温度。为了便于处理灰渣，气化温度应高于灰渣熔点，使灰渣熔化成液态 排出气化室，因此，必须合理地调节水蒸气的含量及燃料的添加速率，水蒸气 的含量通常不超过2 0 ，燃料的添加速率一般控制在使过乘4 空气系数为0 3 o 5 左右【4 引。 1 3 ，2 生物质m e e t 燃气化系统 c r e s t _ m e e t 项目包括h t a g m e