蓄热式高温空气燃烧技术的应用

1、蓄热式高温空气燃烧技术的应用吴道洪 欧俭平 谢善清 杨泽耒 王汝芳 萧泽强关键词：蓄热室，高温空气，换向阀，燃烧，氮氧化物摘要：本文简述了蓄热式高温空气燃烧技术的原理、技术优势以及在我国的应用 前景，着重介绍我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究进展及其在我国 工业加热行业的推广应用与发展情况。1前言高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为HTAC技术，在西欧一些国家简称 为HPAC（Highly Preheated Air Combustion）技术，亦称为无焰燃烧技术 （Flameless combustion）。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度（体积）气氛中燃 烧。它包含两项基本技术措施

2、：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80% 以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气， 获得温度为8001000C，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 15%3%（体积）的低氧气氛。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。这种燃烧是 一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NOX排放等多种优点， 又被称为环境协调型燃烧技术1-2。高温空

3、气燃烧技术自问世起，立刻受到了日本、美国、瑞典、荷兰、英国、 德国、意大利等发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取 得了举世瞩目的节能环保效益3。2 HTAC技术的发展国内外各种工业炉和锅炉的节能技术发展都经过了废热不利用和废热开始 利用的两个阶段。在最原始的年代，炉子废热不利用，炉尾烟气带走的热损失很 大，炉子的热效率在30%以下，如图1所示。从六七十年代开始，国内外较普遍地采用了一种在烟道上回收烟气的装置一 空气预热器（或称空气换热器）来回收炉尾烟气带走的热量，如图2所示。采用这种办法可以降低烟气温度，增加进入炉膛的助燃空气的温度，这样做 达到了一定的节能效果，但仍存在以

4、下问题：（1）其回收热量的数量有限，炉子 热效率一般在50%以下；（2）空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿 命短、后者设备庞大、维修困难；（3）从燃烧器的角度来看，助燃空气的温度提 高以后，火焰区的体积越来越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部 的高温区，这样对于工业炉来说，容易使加热制品局部过热，也影响了工业炉的 局部炉膛耐火材料和炉内金属构件的寿命，对于锅炉来说影响其换热效率和水冷 壁的寿命，甚至引起爆管等事故；（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103ppm以上），对大气环境造成了严重的 污染。图1废热不利用的炉子示意图图2安

5、装空气预热器的炉子示意图八十年代初，美国的British Gas公司与Hot Work公司开发出一种在工业 炉和锅炉上节能潜力巨大的蓄热式燃烧器，产生了高温空气条件下的“第一代再 生燃烧技术”，用于小型玻璃熔窑上。其后，这种燃烧器被应用于美国和英国的 钢铁和熔铝行业中，尽管这种燃烧器具有NOX排放量大和系统可靠性等问题，但 由于它能使烟气余热利用达到接近极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、英 国等国家得以推广应用。进入九十年代以后，国内外学术界将蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触的难 题提到科技攻关的地位，对其进行了深入的基础性研究，旨在同时达到节能和降 低CO2、NOX排放。日本工业炉株式会社

6、田中良一领导的研究小组采用热钝性小 的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果1。由于能高效回收烟气余热的蓄热 材料和高频换向设备问题的解决，产生了高温低氧条件下的“第二代再生燃烧技 术”即现在所谓的“高温空气燃烧技术”。3蓄热式高温空气燃烧技术的原理及技术优势蓄热式高温空气燃烧技术的原理如图3所示。图3安装蓄热室的炉子当常温空气由换向阀切换进入蓄热室1后，在经过蓄热室（陶瓷球或蜂窝体 等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉膛温度低 50100C），高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量大大 低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油

7、或燃 气），这样燃料在贫氧（220%）状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经 过另一个蓄热室（见图中蓄热室2）排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将 显热储存在蓄热体内，然后以150200C的低温烟气经过换向阀排出。工作温 度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作 状态，常用的切换周期为30200秒。蓄热式高温空气燃烧技术的诞生使得工业 炉炉膛内温度分布均匀化问题、炉膛内温度的自动控制手段问题、炉膛内强化传 热问题、炉膛内火焰燃烧范围的扩展问题、炉膛内火焰燃烧机理的改变等问题有 了新的解决措施。由上所述，蓄热式空气燃烧技术的主要优势在于：（1）节能潜力巨大

8、，平均 节能25%以上。因而可以向大气环境少排放二氧化碳25%以上，大大缓解了大 气的温室效应。（2）扩大了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界， 从而使得炉膛内温度均匀，这样一方面提高了产品质量，另一方面延长了炉膛寿 命。（3）对于连续式炉来说，炉长方向的平均温度增加，加强了炉内传热，导致 同样产量的工业炉其炉膛尺寸可以缩小20%以上，换句话说，同样长度的炉子 其产品的产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价。（4）由于火焰不是在 燃烧器中产生的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧噪声低。（5）采 用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用 蓄

9、热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度非常高的情况下，NOX含量却大 大减少了。（6）炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯氧化烧损减少。（7）炉膛内为贫氧燃 烧，有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，以满足某些特殊 工业炉的需要。4.我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究4.1高温空气燃烧技术的机理研究1，4-61999年10月，在萧泽强教授的积极倡导下，北京神雾科技有限公司作为主 要支持单位之一与中国科学技术协会工程学会联合会在北京举办了 “高温空气 燃烧新技术国际研讨会”。自此，“高温空气燃烧技术”的概念正式传入我国并 引起我国科技工作者的高度重视。清华大学、中南大学、东北大学、

10、北京神雾科 技有限公司等科研院所对高温空气燃烧的机理和低污染特征进行了一系列研究。高温空气燃烧技术的基本思想是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧。它 包含两项基本技术措施:一项是采用温度效率高、热回收率高的蓄热式换热装置， 极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为8001000C， 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15%3%（体积）的低氧气氛。 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

11、程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧方式一方面使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 CO等温室气体的排放。另一方面 抑制了热力型氮氧化物（NO ）的生成。氮氧化物（NO）是造成大气污染的重要来源XX之一，各工业企业都在设法降低NO的排放。NO主要有热力型和燃料型。HTAC 烧嘴主要采用气体燃料，其中含氮化合物少，因此燃料型NO生成极少。由热力 型NO生成速度公式1可知，NO的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及 氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NO的主要因素。在高温空气燃烧条 件下，由于炉内平均温度升高，但没有传统燃烧的局部高温区；

12、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NO排放浓度低。X5蓄热式高温空气燃烧技术在我国的发展 2002年，全国的钢产量达1.8亿吨，全国冶金行业的加热炉达千座以上，年处 理钢坯可达2亿吨，目前我国轧钢加热炉的平均能耗为60Kg标煤/吨钢，国际先 进水平的加热炉平均燃料单耗为51kg标煤/吨钢。表1列出了日本NKK钢管公司 福山热轧厂230t/h热轧步进式加热炉1996年采用HTAC技术前后的技术参数 7。从表1参数不难看出，日本NKK钢管公司福山热轧厂改造前的平均能耗为48.6kg 标煤/吨钢，比我国的轧钢加热炉少耗能19% ；而

13、改造后NKK公司的轧钢加热炉 又比改造前节能25%。按我国每年加热钢坯1亿吨计算，全国的轧钢加热炉改 造后达到平均能耗40kg标煤/吨钢，相当于平均节能33%，改造后全国钢铁行 业仅轧钢加热炉一项每年可少消耗200万吨标煤，另外，热处理炉、钢包、中间 包烘烧器等设备由于工艺上的特殊性，目前的能源利用率更差，其节能的潜力将 更大。此外，还将对钢铁行业降低氧化烧损、减少环境污染、降低设备造价， 增加单炉产量等方面起到重要的作用。表1 230吨/小时热轧步进式加热炉采用HTAC技术前后的技术参数综上所述，新型蓄热式技术应用在工业炉上可以获得显著的节约能源和减少环境 污染的效果。我国工业炉窑种类繁多，

14、数量巨大，在我国推广应用这项新技术， 将会带来巨大的经济效益和社会效益。北京神雾公司自1995年底成立以来，利 用自己研制开发的新型节能燃油、燃气燃烧器已在全国冶金、机械、石化、陶瓷、 玻璃、火力发电等行业的近八百余家企业的各种工业炉和锅炉上推广了 WDH系列 节能燃烧器，因此对这些行业的工业炉和锅炉的设备状况有了较全面的了解。从 1996年开始，本公司积极跟踪国外的先进技术，组织了燃烧、工业炉、热工自 动控制、机械等方面的技术专家集中对蓄热式高温空气燃烧技术在工业炉和锅炉 上的应用进行开发研究。由于该技术的推广应用不单纯是一个燃烧问题，尤其在 工业炉领域，由于工业炉种类繁多，工艺要求千差万别

15、，如果不与具体的工业炉 工艺要求相匹配，就不可能开发出实际应用的成熟产品。通过几年的开发研究， 在钢铁、机械及有色金属工业的各种工业炉上的应用研究进展较大，本公司已能 为企业提供成熟的技术。在此，以轧钢加热炉为例，对我公司开发的技术作一介 绍。5.1空气、煤气双预热我国多数轧钢加热炉使用发热值较低的混合煤气、转炉煤气甚至高炉煤气作为燃 料。在燃用低热值煤气的情况下，如果单预热空气，对废气余热的回收是不充分 的。燃用低热值煤气和高热值煤气，单预热空气和空气、煤气双预热时对废气余 热的回收利用情况参见表2。由表2可以看出，在燃混合煤气的情况下，如果只预热空气，仍有约34%的可 回收热没有得到利用，

16、这是很可惜的；同时也可以看出，燃用低热值煤气时，空 气和煤气双预热的效果，比燃用高热值煤气时双预热的效果大.此外，燃用低热 值煤气时空气和煤气双预热，炉子的烟气可以全部经空气蓄热室和煤气蓄热室排 出，炉子无须设置排多余高温烟气的烟道和烟囱，使炉子的构造和布置简单化。回答人的补充2009-10-29 12:03表2几种情况下废气余热回收率的比较 另一方面，煤气和空气双预热，可以使高炉煤气达到足够高的燃烧温度，因 而为加热炉单一使用发热值很低的高炉煤气创造了条件，这样可以使钢铁厂副 产品一一高炉煤气得到更充分的利用。空、煤气双预热的加热炉，分别设置空气蓄热室和煤气蓄热室以及相应的空气换 向阀和煤气

17、换向阀，经空气换向阀排出的烟气和经煤气换向阀排出的烟气由各自 的引风机抽出。蓄热式空、煤气双预热的推钢式加热炉和步进式炉简图见图5与图6。图5蓄热式推钢加热炉简图图6蓄热式步进加热炉简图5.2蓄热室的群合式配置所谓蓄热室的群合式配置，即1个空气蓄热室以及1个煤气蓄热室对应一群烧嘴， 而不是1个蓄热室对应1个烧嘴，其组合形式参见图7。群合式布置方式可以简 化管路系统和减少换向装置数量，燃烧自动控制系统也简化了，特别是在空、煤 气双预热的情况下，这些优点更显突出。蓄热室布置在炉子两侧，一般每侧分别 设46个空气蓄热室和煤气蓄热室。推钢式连续加热炉将蓄热室直接放在炉底下 面，而步进式加热炉则将蓄热室

18、摆放在炉墙外侧。图7群合式蓄热室布置图图8蓄热室群合式布置的烧嘴结构5.3集中换向装置在群合式配置蓄热室的基础上，换向阀的配置进一步集中，采取多个蓄热室配一 个换向阀。其管路系统参见图9。为开发蓄热式加热炉，我公司专门投入人力、物力研制开发出了加热炉专用的升 降开闭式四通换向阀，其原理结构参见图10。空气或煤气与烟气在阀内分流并定时换向，阀中采取特殊结构使每个阀板紧密关 闭，保证可靠密封。采用气缸或液压缸驱动，均带有缓冲性能，以保证开关阀门 稳定及减小冲击。阀门4个进出风口通径最大达700 mm。每个进出风口可有34 个方向任意设置，因此在现场安装十分方便，可以安放在炉旁，也可以装在炉顶 之上

19、。图9集中换向装置管路系统图图10四通换向阀简图 换向时间以定时控制为主，在出蓄热室的烟气温度超温的情况下，则根据温度信 号强制换向，换向时间一般为1.53.0分钟。5.4燃烧器的布置燃烧器布置在炉子的两侧，两侧的烧嘴交替进行燃烧和排烟。燃烧过程主要在炉 内进行，高速气流使炉内气体产生很强的搅混作用，炉内气流的主导流向是从一 侧到另一侧，并且不断的正反变向，这些特点都使得炉膛宽度方向温度均匀化， 有利于提高钢坯长度方向加热均匀性，因此蓄热式燃烧器布置在侧墙上完全克服 了一般侧烧嘴固有的缺点，尤其是炉膛宽度大的炉子，在炉子侧向布置蓄热式燃 烧器的优点更加突出。燃烧器几乎沿整个炉长均匀布置，取消了

20、传统的推钢式和步进式连续加热炉的不 安装烧嘴的预热段，这样能充分发挥整个炉子的加热作用。炉长方向的炉温制度 不再是明显的三段式炉温制度，但仍然可以分为几个加热区，可根据加热的品种 和产量灵活调整各段的温度。燃烧器设置的数量，根据炉子热负荷的分配以及适 当的燃烧器间距来确定。为了起炉的需要，还在炉子的适当位置布置一定数量的 常规烧嘴。蓄热式加热炉中烧嘴的布置方式见图11。图11蓄热式烧嘴的布置方式5.5空气、煤气和排烟系统空气和煤气总管连接各自的换向阀，换向阀后分两路连接到炉子两侧的蓄热室， 从蓄热室出来再分若干路连接到各个燃烧器。空、煤气管路系统设有流量测量和 调节装置，流量分配调节装置和安全

21、装置等。空气和煤气的供给压力，应考虑包 括换向阀和蓄热室在内的整个系统的阻力损失，因此按可靠的依据确定换向阀和 蓄热室的阻力损失十分重要。烟气从蓄热室出来，温度已降至200C左右，所以可以直接经空、煤气的金属管 道流经换向阀，经过换向阀后的烟管、排烟机和烟囱排入大气。经煤气换向系统 和空气换向系统的烟气分别有各自的排烟机抽引排出。排烟机的能力根据烟气量 和烟气流路的系统阻力确定，所以正确确定烟气流经换向阀和蓄热室时的阻力也 是很重要的。烟管上设置调节装置，用以控制炉膛压力。如上所述，蓄热式炉的设计在许多方面有别于普通炉子的设计，我们在这方面的 技术开发取得了重大成果，我们将继续努力，使这项技术

22、不断达到新的水平。6蓄热式高温空气燃烧技术在工业炉窑中的应用及效果6.1神雾蓄热式工业炉的主要应用业绩北京神雾科技公司为推广高温空气燃烧技术在中国的应用作了积极的努力，已将 该项技术推广应用到冶金、能源、机械加工、化工等多个领域，并成功实现了燃 油炉的蓄热式改造，热回收效率高的蜂窝型蓄热体得到了大量使用，空气-煤气 双预热技术也得到了大力发展，低热值燃料得到了有效利用。6.2应用效果的案例分析邯郸钢铁公司中板厂蓄热式板坯加热炉2000年12月，神雾公司完成了对邯钢中板厂板坯加热炉的蓄热式改造，改造后 效果显著。该厂委托北京科技大学对该蓄热式加热炉进行热平衡测试，测试结果 见下表8。连续加热炉热

23、平衡表测试结果表明，改造后由于炉内燃烧产物的显热得到有效利用，加热钢坯的有效 热大幅度升高。据统计，该加热炉能耗从改造前的2.0GJ/t下降到1.1GJ/t，节 能率达44%；产量提高15%以上，NOx排放浓度小于100ppm；钢坯氧化烧损下降 40%以上。攀钢集团成都无缝钢管有限责任公司钢包烘烤器攀钢集团成都无缝钢管公司委托神雾公司对其90t钢包的卧式烘烤装置进行蓄 热式改造。本次改造以天然气为燃料，采用蜂窝型蓄热体，改造后的效果如表4。表4 钢包烘烤器的蓄热式改造效果武汉钢铁有限责任公司大型轧钢厂加热炉2002年4月，武钢大型轧钢厂与神雾公司合作，完成了对3#加热炉蓄热式改造。 六月七日正

24、式投产。与改造前的系统相比，新系统具有安全性好、改造费用低、 维护方便、加热能力大，热负荷可调等优点。从目前运行情况看，钢坯加热温度能满足轧钢工艺要求，节能效果明显。表现在：空气预热温度高，温度波动较小，均热段和加热段的温度波动分别约为18C 47C。总体炉温水平较高，观察各区域炉温分布均匀，看不见明显的火焰，由于 频繁换向燃烧，炉宽方向温度均匀，钢坯长度方向加热温度十分均匀。排烟温度 不高，波动分别为20C40C内。由于空气预热温度高达11001200C，排烟温度降低，加热炉的能耗大幅降低。 该炉在低产时(因品种原因要求双炉生产，月产仅5万吨)的情况下，煤气单耗在 1.41.5GJ/t坯，在产量大于300t以上的平均单耗只有1.125 GJ/t坯。改造 前原3#炉煤气单耗为1.9 GJ/t坯。节能效果达20%以上。统计期间均为双炉生 产，平均产量较低，生产不够稳定；且系投产初期，工人操作技能还没有达到设 计要求的熟练程度，因此节能效果还有进一步提高的空间。南钢中板厂加热炉南钢中板厂1#加热炉改造前的吨钢能耗为2.1GJ/t以上，为实现节能降耗的目 的，采用神雾公司的蓄热