高温空气燃烧

1、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）烟道中的换热器使用寿命短、设备庞大、投资成本高且维修

2、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，使烟气余热利用达到接近极限的水平。 但是，NO

3、x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反应，炉内火焰透明无色，炉内温度分布几乎均匀

4、，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”。 燃料燃料燃料燃料燃烧器燃烧器 B B空气空气切换阀切换阀排气排气 150 150炉温炉温 1350 1350蓄热燃烧工作原理蓄热燃烧工作原理空气空气排气排气预热空气预热空气10001000炉温炉温 1350 1350蓄热室蓄热室B B燃料燃料燃烧器燃烧器 A A燃料燃料燃烧器燃烧器 B B切换阀切换阀蓄热室蓄热室A A蓄热燃烧工作原理蓄热燃烧工作原理2 2具有大幅度节能和大幅度降低烟气中具有大幅度节能和大幅度降

5、低烟气中NOX排放的双重优越性。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烧嘴炉子内部一次燃料二次燃料蜂窝体蓄热室助燃空气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

6、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25002000150010005000292521171395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） 燃烧器燃烧器 形状形状 蓄热体蓄热体 材质材质

7、 尺寸尺寸 换向阀换向阀 控制系统控制系统蓄热式燃烧系统的构成蓄热式燃烧系统的构成蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-蓄热体蓄热体蓄热体尺寸要求： 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蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-蓄热烧嘴蓄热烧嘴蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-换向阀换向阀 换向控制有集中换向阀和分散换向控制两种

8、。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。蓄热燃烧关键部件蓄热燃烧关键部件-换向阀换向阀五五通

9、通换换向向阀阀旋旋转转换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，开发了先进的MEET-IGCC生物质燃料

10、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。 HTACHTAC在加热炉上的应用在加热炉上的应用技 术项 目传统燃烧高温空气燃烧应用效果传 热提高炉膛温度局部高温存在可提高炉内的平均温度且炉内温度均匀高传热率，高加热速度，炉子尺寸减少脉冲燃烧特性每控制段的烧嘴能力同时升降每个烧嘴不受相邻烧嘴能力大力影响强化炉气循环，缩短加热时间 炉内温度

11、差1502002050提高加热质量，减少氧化烧损节能降耗预热空气温度2505509001000节能30以上减少或取消预热段因集中预热而不可能分散式余热回收使极限余热回收可能设备尺寸减少，可节能，提高生产率燃烧控制调节比一般为11.5最大可达到20效率大大提高可分区域控制因集中排烟而困难分散排烟容易适应各种轧制节奏出炉温度控制热惰性大，不适应出炉温度频繁的变化热影响性好，适合不同出炉温度的变化实现自由轧制过程环境控制CO2排放自然排放因强烈的烟气再循环可减少30减少 CO2排放NOx排放低NOx烧嘴低氧化燃烧实现的低NOx技术控制在100ppm燃烧噪音90110dB因在炉内较大区域燃烧只有708

12、0dB降低噪音总评价节能控制，低污染等技术已很难突破节能控制，低污染等方面有了重大飞跃是21世纪关键技术之一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25-30%以往的水平预热前窑炉出口排烟温度()14001200100080060040050-60%70 60 50 40 30 20 10 00 200 400 600 800 1000 1200 1400预热空气温度燃料节约率%出处：NFK公司（日本)：产品目录HTACHTAC在烤包器上的应用在烤包器上的应用 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

13、余热。节能率可达30%50%。由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；

14、热效率为62.8（传统辐射管为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

15、。由于烟气平均温度提高，使得炉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（H

16、TAG-MEET）两类系统。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

17、combustion）;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（低氧弥散燃烧（Dispersion combustion with low Oxygen-content, Dispersion combustion with low Oxygen-content, DCLODCLO）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

18、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）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

19、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

20、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，有效地阻止反应速率的骤然增大，没有激发传统燃烧中的快速燃烧反应，保证反应区低强度燃烧释热和小的温度升高。（4）“以低氧为前提，燃烧过程可控”。 降低燃烧反应速率并抑制快速燃烧反应，可调节这种燃烧行为，而这两项措施的关键是降低燃烧气流含氧体积浓度。燃烧温度和含氧体积浓度影响燃烧反应速率。燃烧温度主要

21、由入炉气流预热温度、装置热负荷、炉膛散热、燃料的化学和机械不完全燃烧损失、炉内多原子气体高温分解等因素决定。入炉助燃气流高速喷入、燃气或氧化剂气流从不同位置或在不同的时间里注入（分散注入）、炉外预先降低空气含氧浓度（直接低氧）、或快速切换利用切换过渡阶段滞留在炉内的烟气稀释空气含氧浓度（滞留稀释）等措施，能降低燃烧气流含氧体积浓度。 低氧弥散燃烧（DCLO）:以自燃为稳燃条件，燃烧反应点弥散且燃烧过程延时可控的燃烧。（1）“低氧”指发生炉内燃烧时燃烧气流含氧体积浓度低于传统燃烧的21%。低氧条件是低氧弥散燃烧的前提。在入炉助燃气流含氧浓度较高时，要设计一个炉内降低助燃燃气流含氧浓度的物理过程。

22、（2）低氧弥散燃烧是和常氧（火焰）集中式传统燃烧相比较而言的。炉内发生低氧弥散燃烧时，反应速率降低，实现了延时、大空间范围内燃烧。反应区体积很大，反应物浓度梯度很小，燃烧前后气流温度升高不明显，炉温不高。（3）这种燃烧是完全燃烧，总氧量超过完全燃烧所需的理论氧气量。2.2 低氧弥散燃烧热力学特征（1）稳定燃烧机理 空气含氧浓度越低，稳定燃烧所需空气预热温度越高。稳定燃烧时空气含量浓度和预热温度的对应关系：21% O2 6%时，丙烷稳定燃烧曲线O2 6%时，稳定燃烧时所需的空气最低预热温度为1000。 燃烧温度与燃气、氧化剂和稀释剂的体积百分数，燃气和稀释剂属性，压力，燃气在反应区内停留时间等因

23、素有关。（2）燃烧温度不同空气预热温度条件下丙烷理论燃烧温度与含氧浓度的关系（1）尽管空气流量和预热温度增加使得其显热增加，但烟气流量也增加，且始终大于空气流量增加。在绝热条件下，烟气温度也高于空气温度。所以由烟气带走的显热超过空气带进的显热，低氧燃烧的理论燃烧温度低于传统燃烧的理论燃烧温度。（2）空气预热温度不变时，燃烧温度随着含氧浓度的增加而线性增加；空气含氧浓度不变时，燃烧温度随预热温度的增加也是线性增加的。（3）为达到相同的燃烧温度，在含氧浓度较低时，应提高空气温度。（4）含氧浓度越低，燃烧温度与空气预热温度差越小。（5）MILD燃烧技术基于“因助燃空气中稀释剂增加而导致燃烧温度降低的

24、热力学特征”2.3 低氧弥散燃烧动力学特性（1）Arrihenius 燃烧反应速率 燃烧火焰受燃烧热力学和动力学因素影响。就动力学影响因素而言，在以化学当量比混合的燃气和氧气分子总量不变时，由反应物浓度和燃烧温度决定的反应速率大小和火焰体积直接相关。反应速率越小，反应物消耗速率越慢，氧气和可燃气体分子才有可能扩散到越宽的区域，从而导致火焰体积越大。 Arrihenius：只有那些碰撞能量足以破坏现存化学键并建立新化学键的碰撞才是有效的。反应物分子碰撞引起化学反应所需的这种最小相对平移动能叫做活化能（E）。有效碰撞总次数与反应物浓度和燃烧温度有关。温度越高有效碰撞次数越大，反应物浓度降低，总碰撞

25、次数正比例减小，最终有效总碰撞次数取决于反应物浓度和温度综合效果。反应速率与有效总碰撞次数成正比。（2）燃烧分区慢速反应与快速反应的分界值：O2=15%、空气预热800小于此速度为慢反应（弥散燃烧）；快速反应（对应于传统燃烧）以含氧21%和空气预热560条件下的反应速率为参照值。由燃烧反应平衡决定O2,min=3%，对应预热温度1527。1）随燃烧温度和空气含氧浓度的降低，火焰体积逐步增大，从反应速率无限大的点燃烧变化到速率缓慢的大体积燃烧。AB线以下的工况火焰体积增大，ED线以下的工况火焰体积明显增大。2)弥散燃烧区域形状和大小与化学反应式有关。燃料种类和稀释剂不同，反应物浓度变化和活化能不

26、同，但定性规律不会改变。3）位于缓慢反应区CDEE时，由于含氧浓度低，反应速率对燃烧温度变化不敏感。在含氧浓度降低到一临界值后，无论燃烧温度多高，反应速率都不会出现明显变化。此临界含氧浓度就是E点的含氧浓度。4）若蓄热传热技术能生成比1527还高的助燃空气，B点向左延伸，则可组织超高温弥散燃烧。划定关键性A点有待于实验确定。 弥散度：相等氧消耗条件下反应区体积相对于传统燃烧反应区体积增大的倍数，即：式中：V火焰体积，下标DC表示弥散燃烧，tra表示传统燃烧。 等O2O2消耗相等。 Dfl直接反映弥散性能，与空气预热温度无直接关系。弥散度反映火焰热流强度的相对变化，是影响火焰平均温度的主要因素。

27、在现场操作中，实时检测可燃气体和氧气浓度空间分布，则可准确地确定火焰形状和体积。 为工程应用的需要，可将反应区体积Vfl与炉膛总容积V之比（Dn=Vfl/V）或将反应区表面积Afl与炉膛内壁面积A之比（Dfl=Afl/A）定义为弥散度。此时，弥散度受炉膛结构和大小的影响，间接反映弥散性能。2.4 弥散性能特征指标2.5 炉温不均匀度 燃烧温度场均匀是低氧弥散燃烧一大技术优势。这里用炉温不均匀度来衡量燃烧温度场均匀程度。式中： 炉温不均匀度，受空气预热温度、火焰体积和炉壁散热等因素影响，间接反映弥散性能的优劣。R定义考虑了网格不均匀分布对计算的影响，是不同位置炉温与平均炉温之差的相对大小的统计结果。 R越大，炉内温度场越不均匀。2.5 强化弥散性能的措施 控制燃烧温度、进行空气高速喷射、燃料或氧化剂气流分散注入、直接低氧或烟气滞留稀释，是强化燃烧