蓄热燃烧技术

1、热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2004.08 于济钢于济钢热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2121 1 蓄热燃烧技术蓄热燃烧技术2 2 技术的先进性技术的先进性3 3 历史发展概况历史发展概况4 4 技术应用技术应用5 5 蓄热燃烧技术的几点思考蓄热燃烧技术的几点思考热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-213 它是将高温空气喷射入炉膛，维持低氧状态，同时将燃料输送到气流中，产生燃烧。空气（气体燃料）温度预热到8000C10000C以上，燃

2、烧区空气含氧量在21%2%，与传统燃烧过程相比，高空气燃烧的最大特点是节省燃料，减少CO2和NOX的排放及降低燃烧噪音，被誉为二十一世纪关键技术之一（1）技术原理 （2） 系统构成 （3）技术关键热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-214热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-215 烧嘴和蓄热体成对出现。助燃空气通过其中一个烧嘴，被加热后供燃烧用，另一个烧嘴充当排烟的角色，同时蓄热体被加热。当到达换向时刻时，换向阀动作使系统反向运行，烟气加热好的蓄热体被用来加热空气，助燃空气冷却的蓄热体又

3、被离开炉子的高温烟气加热，最后排出的烟气只有150200，空气预热温度1000 左右，切换阀在低温下工作，同时排出燃烧废气的风机也在低温下工作，标准风机就可以满足要求。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-216l燃烧器燃烧器 形状形状l蓄热体蓄热体 材质材质 尺寸尺寸 换向阀换向阀 l控制系统控制系统热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-217l形状选择条件：堆体积形状选择条件：堆体积稳定性、清灰难易程度、稳定性、清灰难易程度、加工难易程度、蓄热体加工难易程度、蓄热体来源以及成本高低；来源

4、以及成本高低；l陶瓷蓄热体的形状有：陶瓷蓄热体的形状有：球状、蜂窝状和八字形球状、蜂窝状和八字形；l陶瓷蜂窝蓄热体的结构陶瓷蜂窝蓄热体的结构特性特性, ,适用于切换时间短适用于切换时间短的小型化和轻型化的燃的小型化和轻型化的燃烧系统烧系统, ,因而应用广泛。因而应用广泛。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-218蓄热体材质要求：蓄热体材质要求：耐高温、良好传热性能、耐高温、良好传热性能、抗热震性好、强度高抗热震性好、强度高 ；材质的透热深度、单位体材质的透热深度、单位体积的表面积和结构强度要积的表面积和结构强度要好；好；蓄热体尺寸要求：蓄热

5、体尺寸要求：尺寸过大，会使蓄热室体尺寸过大，会使蓄热室体积庞大，换向时间长；尺积庞大，换向时间长；尺寸过小，会使换向时间缩寸过小，会使换向时间缩短得很短，电气和机械设短得很短，电气和机械设备都不能适应，换向的损备都不能适应，换向的损失也随之增大，还会使蓄失也随之增大，还会使蓄热体在气流的作用下漂浮热体在气流的作用下漂浮起来，破坏稳定状态。起来，破坏稳定状态。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-219热气出口热气出口热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2110五五通通换换向向阀阀旋旋转转换

6、换向向阀阀直直通通四四通通阀阀接烧嘴B空气入口接烧嘴A烟气出口两两位位三三通通阀阀如切换如切换时间为时间为3030S S，每年的每年的动作次动作次数约为数约为100100万次，万次，因而机因而机械方面械方面的可靠的可靠性和耐性和耐久性就久性就相当重相当重要要 热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2111（1）要求：（2）结构形式：a. 密闭，对煤气尤重要；b. 灵活；c. 长寿，100万次以上。a. 管道切换阀，用量多，成本高，维修点多。b. 升降开闭式四通阀，一个四通阀代替四个切换阀，用 气缸或液压缸带动两根阀杆升降。 c. 二位五通阀，

7、靠气缸或电力驱动。 d. 旋转四通阀，靠气压推动阀杆旋转90。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2112非稳定燃烧区域稳定燃烧区域、高温空气燃烧区域、高温火焰区域、普通燃烧区域稀释空气中氧气浓度( % )空气温度()热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2113l氮氧化物排放指数低氮氧化物排放指数低l可使用低热值燃料可使用低热值燃料l高效节能高效节能-接近极限节能接近极限节能l燃烧空间温度均匀燃烧空间温度均匀l贫氧燃烧贫氧燃烧l燃烧噪声低燃烧噪声低l产量提高产量提高热能工程系热能工程系D

8、ept. of Thermal Engineering2022-2-2114火焰体积明显增大体积燃烧火焰亮度减弱火焰色差减小火焰为动态火焰燃烧噪音减小无高速气流噪声热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2115燃料燃烧生成NOX的机理有三种： 温度型NOX （也称热力型T-NOX ） 快速型NOX （也称瞬时型P-NOX ） 燃料型NOX （F- NOX ）RTeONdtNOd54200021224103NO的生成速度：l 采用蓄热式高温空气燃烧技术，在煤气和助燃空气预采用蓄热式高温空气燃烧技术，在煤气和助燃空气预热温度非常高的情况下，热温度

9、非常高的情况下，NOx含量却大大减少了。含量却大大减少了。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2116热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2117低热值燃料可用于钢坯加热等低热值燃料可用于钢坯加热等），废金理炉tttft,(1理炉tt75.07.07.065.0连续炉室状炉热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2118传统的预热技术：预热温度传统的预热技术：预热温度600 燃料节约燃料节约 25-30% 蓄热式预热技术：预热温度蓄热式预

10、热技术：预热温度800 -1200 燃料节约燃料节约50-60% 排烟温度降低到排烟温度降低到200 ，甚至更低，接近，甚至更低，接近极限余热回收。因而极限余热回收。因而可以向大气环境少排可以向大气环境少排放放CO2 ，大大缓解了，大大缓解了大气的温室效应。大气的温室效应。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2119 扩展了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到扩展了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，使得炉膛温度均匀。炉膛的边界，使得炉膛温度均匀。 （1）一方面提高了产品质量；）一方面提高了产品质量； （2）另一方面延长了炉膛寿命。

11、）另一方面延长了炉膛寿命。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2120炉膛内为贫氧燃烧，使得钢坯以及其它材料氧化炉膛内为贫氧燃烧，使得钢坯以及其它材料氧化减少，也有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶减少，也有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，可以满足某些特殊工业炉的瓷烧成等工艺要求，可以满足某些特殊工业炉的需要需要。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2121由于火焰不是在燃烧器中产生的，而在炉膛空间由于火焰不是在燃烧器中产生的，而在炉膛空间内才开始逐渐燃烧的，因而燃烧噪声

12、低内才开始逐渐燃烧的，因而燃烧噪声低。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2122炉膛温度的均匀性加强了炉内传热，导致同样炉膛温度的均匀性加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉和锅炉其炉膛尺寸可以缩小产量的工业炉和锅炉其炉膛尺寸可以缩小20%以上，换句话说，同样长度的炉子产量可以提以上，换句话说，同样长度的炉子产量可以提高高20%以上，大大降低了设备的造价。以上，大大降低了设备的造价。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2123 在二十世纪七十年代以前，余热都没有得到充分的利用，炉子系在二

13、十世纪七十年代以前，余热都没有得到充分的利用，炉子系统的排烟损失。统的排烟损失。 七十年代起，采用回收烟气显热的技术（换热器），排烟温度降七十年代起，采用回收烟气显热的技术（换热器），排烟温度降低，入炉气体温度提高。缺点低，入炉气体温度提高。缺点是是NONOX X排放增加，保温材料和控制技术没排放增加，保温材料和控制技术没有发展的余地。有发展的余地。 八十年代，出现蓄热燃烧器，节能显著八十年代，出现蓄热燃烧器，节能显著， NONOX X排放大。排放大。 九十年代，九十年代，HTACHTAC技术出现，即节能有环保。技术出现，即节能有环保。蓄热式换热器蓄热式燃烧器高温空气燃烧热能工程系热能工程系D

14、ept. of Thermal Engineering2022-2-21241858年，回收烟气年，回收烟气余热的蓄热式换热器余热的蓄热式换热器体积庞大，蓄热体厚，换向时间长，预热空气温度波动大，热回收率低。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2125 1982年英国Hot Work公司和英国British Gas公司合作首次研制出紧凑的陶瓷球蓄热系统RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系统采用再生燃烧器(高速切换燃烧器),以陶瓷球作为蓄热体，比表面积可达240m/m。因此蓄热能力大大增强，蓄热体体积显著减小，

15、空气预热温度提高，排烟温度大大降低，热回收率明显提高，节能效果十分显著。这是当时工业炉窑余热回收领域的一项重大技术进步，其它国家也相继开发和采用这项技术。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第一代再生燃烧技术”。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2126 80 年代，蓄热式燃烧年代，蓄热式燃烧器器节能效果显著，被称为第一代再生燃烧技术，但存在环境和可靠性问题。接 四 通 换 向 阀主 煤 气 进 口冷 却 风 进 口点 火 空 气 进 口点 火 煤 气 进 口电 子 点 火 杆热能工程系热能工程系Dept. o

16、f Thermal Engineering2022-2-2127 九十年代以来，国内外学者将蓄热式燃烧技术和环境保护相抵触的问题进行科技攻关，开发出了蓄热室杓最使空气预热温度超过了1000，同时实现了极限余热回收和降低NOx排放的目的,并因此提出了与传统燃烧方式机理完全不同的高温低氧燃烧技术，从而开创了针对燃用清洁或较清洁气体和液体燃料的工业炉和工业锅炉开发应用高温空气燃烧技术的新时代，使用这种蓄热式烧嘴的燃烧技术被称为“第二代再生燃烧技术第二代再生燃烧技术”。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2128热能工程系热能工程系Dept. of

17、 Thermal Engineering2022-2-2129加热炉，钢包烘烤器，锅炉，辐射管，其它应用领域 由于蓄热式燃烧技术拥有以上的一些技术优势，因此可由于蓄热式燃烧技术拥有以上的一些技术优势，因此可以广泛地应用于冶金、机械、建材等工业部门中的均热炉、以广泛地应用于冶金、机械、建材等工业部门中的均热炉、连续加热炉、锻造炉、退火炉、玻璃窑以及各种陶瓷烧成窑连续加热炉、锻造炉、退火炉、玻璃窑以及各种陶瓷烧成窑等工业炉窑。等工业炉窑。 现在采用陶瓷球和蜂窝体等高比表面积的蓄热体主要用现在采用陶瓷球和蜂窝体等高比表面积的蓄热体主要用于轧钢加热炉、钢包烘烤装置、熔铝炉等热工设备上。于轧钢加热炉、钢

18、包烘烤装置、熔铝炉等热工设备上。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2130热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2131热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2132热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2133热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2134热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2

19、022-2-2135热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2136热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2137热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2138热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2139热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2140热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-

20、2141升降式包盖支架钢包煤气换向阀空气钢包支架换向阀烟气煤气升降式包盖空气烟气升降式包盖支架钢包煤气换向阀空气钢包支架换向阀烟气煤气升降式包盖空气烟气热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2142热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2143热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2144 资料资料-日本自日本自1998年开始工业规模的推广和改造后年开始工业规模的推广和改造后连续三年的效果实测连续三年的效果实测工业炉工业炉燃料平均热利用率提

21、高50%以上节能率达到34%以上NOX排放下降至150ppm以下炉内温度和气氛更均匀热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2145l（1）已有一百余座蓄热式加热炉l（2）在冶金行业应用广泛l（3）其他行业有待进一步开发l（4）使用效果也参差不齐，有的效率达到70%以上，有的没有明显提高。l（5）使用中存在一些问题热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2146热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2147右图为资料：按照英国工业的水平，蓄热式

22、烧嘴的费用最低热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2148（1）准确的形状准确的形状：常用的有：球状球状、大片状、长管状、蜂窝状蜂窝状、短空心状，算盘状和枣状等。（2）透热深度透热深度：透热深度小透热深度小-当量厚度就薄当量厚度就薄，容易达到热饱和，利于发挥蓄热能力，减少用量。同时，预热温度波动小，换向时间短。（3）比表面积比表面积：其值大传热面积大，在同样传热系数条件下，传热多，蓄热室体积变小。（4）蓄热能力蓄热能力：比热容-单位体积或重量温升1所需的热，KJ/（kg）。蓄热能力大，蓄热室体积小，温度波动小。（5）导热性能导热性能：大，可

23、以迅速的将热量由表面传到中心，充分发挥其蓄热能力。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2149（6）耐热冲击性耐热冲击性：蓄热体在反复加热和冷却工况下运行，反复热胀冷缩易发生变形、裂缝和破碎，导致堵塞气流通道，使压力损失增加，甚至损坏不能再用，使寿命大大缩短。（7）传热性能传热性能：气流与固体之间的热交换，与固体表面的状态和形状有关。例如：表面的粗糙度大，通道形状复杂所形成的附面层很薄,容易使气流变成紊流。这些因素都使对流传热和辐射传热增加。（8）耐氧化性耐氧化性：有些材料在一定的温度条件下会发生氧化，产生的氧化皮堵塞通道和增加流动阻力，减

24、薄材料厚度从而缩短寿命。普碳钢只能在低温下使用。高温下必须使用含镍铬的耐热钢或其他的非金属材料。（9）结构强度结构强度：蓄热体承受高温和上层重量，必须有较高的荷重软化温度，即高温下耐压强度要高。否则，很容易发生变形和破碎。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2150l（10）阻力损失阻力损失：希望小。有局部阻力和摩擦阻力，前者远大于后者，且对传热无用，应减少局部阻力。l（11）堆体积稳定性堆体积稳定性：除大片、长管和蜂窝状外，蓄热体的空隙度受振动或热冲击时会变小，阻力增加。l（12）清灰难易清灰难易：烟尘会沉积、堵塞通道。气流反向流动有清除

25、作用，但很有限。蓄热体尺寸越小，问题越严重。l（13）加工难易加工难易：形状越复杂，加工难度就越大，不易大规模生产，成本高，价格贵。形状简单易推广。l（14）蓄热体来源蓄热体来源：来源广，开发价值高。如氧化铝的球、短空心圆柱、算盘珠状和枣状等蓄热体，来源广，易获得，价格便宜，推广应用就容易。l（15）成本高低成本高低：蓄热体的成本很高，应用就困难。这与蓄热体的加工难度和材料来源有关，是一个重要指标。l 全部满足这些要求是不可能的，实用中要兼顾。 热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2151序 号 项 目球状大片状长管状蜂窝状短圆柱状短空心圆

26、柱状算盘珠状枣状空心球状1透热深度CAABBAACA2比表面积BCBAAAAAB3蓄热能力BABCABBAC4传热能力ABBBAAABA5结构强度ABBABABAC6阻力损失BAAABABBB7堆体积稳定性CAAABBBBC8清灰难易AACCABBAA9加工难易ABBCAAAAA10蓄热体来源AAACAAAAA11规模生产程度ABBBAAAAA12成本高低AABCAAAAA总 评250300150-50400450350350200热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2152名称表达式单位ABCDEF直径Dmm151210853表面积F=D

27、2mm270645331420178.528.3体积V=D3/6mm3176790452326865.414.1所占空间V=D3mm333751728100051212527单位体积的传热面积a=D2/D3M2/m32092613143926281047单位体积的空隙体积C=1-bm3/m30.4770.4770.4770.4770.4770.477单位面积的流通面积D=1-D2/(4D2)%0.1250.1250.1250.1250.1250.125透热深度S=D/2mm7.56542.51.5不稳定速度W=158*D0.5m/s19.417.315.814.111.28.6热能工程系热能工

28、程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2153孔数n /in250100150200300比表面积 m2 /m31021138918601892176在体积相同的情况下，100孔陶瓷蜂窝体的比表面积是12陶瓷球的45倍。热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2154 名 称氧化硅氧化铝耐火粘土陶瓷碳化硅铸铁耐热铸铁碳钢不锈钢耐热钢1高温导热BBBCABBABB2低温导热BBBBAAAAAA3比热容ABBBAAAAAA4耐氧化AAAAABBCBB5耐高温AAAAACBCBB6耐热冲击CAACAAAAAA7价格

29、高低AAAACACACC8材料来源AAAACABABB总 评200250250100200200100200100100热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2155在保证完全燃烧在保证完全燃烧的前提下，过剩的前提下，过剩空气系数越小节空气系数越小节能效果越好能效果越好热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2156换向阀的切换时间是HTAC 技术中一个非常重要的参数。最佳换向时间最佳换向时间蜂窝体蓄热体 30s小球蓄热体 3-4min 热能工程系热能工程系Dept. of Thermal Engineering2022-2-2157(1) 整体尺寸 长 宽 高(2) 蓄热体孔径(3) 蓄热体孔壁厚度(4) 蓄热体高度热能工程系热能工程系De