三种无焰燃烧技术的研究及应用

1、三种热风炉无焰燃烧技术的研究及应用摘要热风炉无焰燃烧最初的目的是抑制NOx的形成和提高燃烧的热效率。在进一步的研究中，现有三种不同的无焰燃烧技术，它们分别是高温空气燃烧（HTAC）、普温空气燃烧（NTAC）和无焰氧燃料燃烧。本篇论文描述了这三种不同的燃烧技术，以及它们在以气体、液体、固体为燃料燃烧时的特性，和它们在工业上、科学研究上的应用。这些无焰燃烧需要运用一定燃烧技术来保证均匀的燃烧温度分布、较低的耗油量和高生产率，例如运用水煤气法或使用低发热值的燃料。关键词高温空气燃烧；普温空气燃烧；无焰氧燃料燃烧.介绍化石燃料，例如煤、石油、天然气，已经被社会使用了上百万年。高速发展的工业化道路和人口

2、的迅猛增加已经导致了地球自然资源的过快利用。这将会直接导致化石燃料在未来的某一天完全枯竭。同样，在本世纪，因为空气的污染，人们越来越多的关注到了化石燃料的正确使用。这些污染物有CO、CO2、NOx、碳氢化合物、烟尘等，其中颗粒状物质、金属物资和呋喃树脂被优先考虑。全球气候变暖是温室效应的直接后果，例如CO2和甲烷。环境问题和燃料资源的限制是设计燃烧系统的首要考虑对象。这些限制条件使得研究人员和燃烧系统制造商不得不研究低污染和高效率的燃烧系统。1989年，一次在使用自疗养燃烧器做实验的时候，发现了一个奇怪的现象。在锅炉温度1000 oC和空气预热温度650 oC时，看不到任何火焰，也检测不到任何

3、紫外线信号，见图1。尽管这样，燃料却被完全烧焦。燃烧产物中一氧化物的含量低于1ppm。NOx的排放量在个位数上几乎为零，起初以为是NO分析器的机械故障。这个燃烧很稳定、很平静，而且没有火焰。于是给它命名为无焰燃烧。无焰燃烧技术已经被研究了19年。无焰燃烧的主要特点是燃烧时没有火焰前锋，而且控制容积的反应是基本统一的。无焰燃烧具有降低火焰燃烧温度的优点，因此减少的NOx的生成量。.基本定律在回热器中，利用废气的余热给易燃物预热是无焰燃烧的一个有实际应用效果的理论技术。许多研究报告中都提到了这项技术2，Weinberg et al.3在燃烧热焓中提出了回热循环燃烧的概念。在燃烧过程中产生的燃烧总能

4、量表示如下：其中，是最终温度，是初始温度，是化学能转化而来的热量，是附加的热量，和是两个不同状态下的焓值。因为燃烧系统的总能量是燃料化学能和燃料通过废气预热吸收的能量总和，所以它高于反应物本身，如图24。回热部分吸收的热量使得燃烧温度提高，因此反映段的燃烧温度会比传统的反映段燃烧温度高很多。对于绝热系统，废气温度会降低很多，燃烧的温度和强度也高于无回热器的系统，并且燃烧热效率也得到了很大的提高。有三种技术都可以达到无焰燃烧。它们各自的燃烧方式的最主要区别在于燃烧时氧气浓度的不同。根据燃烧特性的不同，它们分别命名为高温空气燃烧、普温空气燃烧和无焰氧燃料燃烧。.不同的技术A 高温空气燃烧高温空气燃

5、烧（HTAC）技术的主要特点是预热温度很高，它的低能耗、稳定的火焰和低NOx排放吸引了众多的科学研究。这项技术有时也称为无焰氧化（FLOX）、低氮氧化物输入（LNI）或高效低氧（MILD）燃烧。5高温空气燃烧的概念是基于使用蓄热室将空气有效的预热。排出的烟气把蓄热室加热。燃烧的进行是靠内部烟气的再循环，和低氧条件下的高温空气加热。6作为一种新的燃烧技术，HTAC技术和传统技术有很大的区别。它在某些方面有着独一无二的特点，例如燃烧条件、反应机理和火焰特征。由于高温空气（大约1000 oC）的喷射速度很快，因此氧气分子数很少，而且只有很少的燃料分子与氧气分子混合并在烧嘴处燃烧，更多的燃料分子是被空

6、气流带到了远离烧嘴的炉膛中，然后在炉膛中燃烧。所以其燃烧特性完全发生了变化。其特点是燃烧反应发生在一个宽广的区域中，有时几乎是在整个炉膛中，而且没有可见的火焰。燃烧温度均匀地分布在炉膛空间中，没有哪个部分的温度会或高或低。到目前为止，高温空气燃烧技术已成功地应用于一些行业，包括钢铁、电力、化工等行业。然而，它仅限于使用气态燃料的设备。高温空气燃烧技术对于液体燃料和固体燃料是否可行，以及如何运用依然是研究的重点内容。如何将高温空气燃烧技术运用于液体燃料仍然是目前的研究目标。Roman Weber7致力于轻油（LFO）和重油（HFO）的研究，在1300 oC的条件下，20%的氧，60%的氮，14%

7、的水蒸气，6%的二氧化碳。轻油的燃烧过程和天然气非常的相似。然而，重油和煤的燃烧差异却极其显著，而且燃烧时火焰是基本可见的。A.Milani和A. Saponaro 8通过图3展示了运用HATC技术燃烧重油时的燃烧情况。NOx的排放量从火焰燃烧模式的250ppm降到无焰燃烧模式的10ppm。自从煤是主要能源以来，这一技术对煤的运用得到了世界的普遍关注。最近，Suda开展了一些基础方面的研究工作9，10，包括对助燃空气或燃料颗粒进行了预热。Kiga et al.11 用再生烧嘴做了落下管炉实验。他们的测量表明，随着空气预热温度的增加，燃烧效率提高，氮氧化物的排放量降低，然而，燃烧空气氧含量的减少

8、会导致燃烧效率的降低，并会伴随着NOx的略微减少或增加，所以说，“高温、稀释的空气不适合于煤粉燃烧”。但是G.Scheffknecht和D.Ristic在斯图加特大学，用落下管炉对三种不同类型的煤进行了实验，得到了煤粉的无焰燃烧图，见图4，并得出结论：高温空气燃烧技术是可行的，有利于煤粉的燃烧。12另外，如果在使用煤或其它化石燃料的锅炉中，传统的蜂窝状蓄热体就很难应用了，因为烟气在如此高的温度下很容易地产生结渣和污垢。所以高温空气燃烧技术应用于煤的燃烧，需要我们付出更大的努力。B普温空气燃烧研究发现，高温预热燃烧空气并不是唯一途径来实现无焰燃烧。在附加焓值燃烧的基本思想上，已经成功地开发了一项

9、新技术普温空气无焰燃烧（NTAFC）技术13，14。技术的关键是如何合理地在炉内和蓄热室内增加一个燃烧搅拌反应器。反应区的结构和材料是传热方式的主要影响因素，它使得燃料在普温无焰燃烧时的传热方式由对流传热变成辐射传热，而且空气在炉膛内发生旋转，高温烟气余热被重复利用，回热器中发生热量交换，其燃烧火焰见图5。与高温空气燃烧技术相比，普温空气无焰燃烧技术不需要预热系统和开关阀，简化了无焰燃烧的条件，所以燃烧设备的投资成本得到了降低，避免了燃烧脉动，而且它可以用于废气温度低于800 oC的锅炉和燃烧高灰烬的燃料。同时，这项技术保留了HATC的高容量热负荷、低能耗和低污染物排放等优点。NTAFC需要更

10、多的关注和科学研究，以研制出具有以下特点的新锅炉：简单的结构，较低的制造成本、可靠的工作稳定性、方便的设备维护、高效率和低污染物排放。C. 无焰氧燃料燃烧众所周知，增加有氧燃烧过程的氧浓度会增加热效率、降低燃料消耗和氧气排放。它还会导致火焰温度、生产率、和转化效率的全面提高。但是只提高氧浓度会使得燃烧温度增加，导致NOx的排放量增多。因此，为了降低NOx的排放，将废气通过烧嘴砖再循环，这样不但降低了火焰温度，而且改善了废气的流动方式。这就导致了一种新的氧燃料技术的发现，即无焰氧燃料技术。从技术角度来说，这里有两种方案获得无焰氧燃烧：利用废气的循环使得火焰温度降低；将燃料和氧气以高速度注入炉膛，

11、使得燃料和氧气分离。AGA已率先在再热炉中使用100%的氧燃料，并取得了液化石油气的无焰燃烧。W. Blasiaka15在半工业化锅炉中对两种展示的无焰烧嘴进行了测试。这两种烧嘴是HTAC烧嘴和无焰氧燃料烧嘴。结果表明这两种技术都有具有一个大的化学反映域。它们都有很高的热效率和低CO2排放的特点，而且它们的最高点温度值较低，锅炉的温度分布均匀。HTAC的温度分布要比无焰氧燃烧技术要稳定一些。无焰氧燃烧技术的烧嘴最高点温度仅比HTAC的高出36oC。4.总结中国是一个有着丰富的化石燃料的资源的大国。但是中国在化石燃料的使用一直是低效的，同时引起严重的污染。在进一步研究、开发和应用过程中，发现无火

12、焰燃烧技术可充分利用我国现有的矿物燃料，而且可以减少污染物排放、提高燃烧效率、节省能源和可持续发展我国的经济。我们相信，无火焰燃烧可以更合理、有效的解决能源短缺和环境污染等深远性问题。5参考文献1I.B. Ozdemir, N.Peters, “Characteristics of the reaction zone in a combustor operating at mild combustion,” Experiments in Fluids, vol. 30,pp.683-695,2005.2F.J.Weinberg,“ Heat-recirculating burners: pri

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