蓄热燃烧技术.ppt

1、HTAC-High Temperature Air Combustion,2004.08 于济钢,高温空气燃烧-蓄热燃烧,2,报告内容,1 蓄热燃烧技术 2 技术的先进性 3 历史发展概况 4 技术应用 5 蓄热燃烧技术的几点思考,3,1 蓄热燃烧技术,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,4,蓄热燃烧技术

2、的基本原理,5,工作过程,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。,6,蓄热式燃烧系统的构成,燃烧器 形状 蓄热体 材质 尺寸 换向阀 控制系统,7,蓄热燃烧关键部件-蓄热体,形状选择条件：堆体积稳定性、清灰难易程度、加工难易程度、蓄热体来源以及成本高低； 陶瓷

3、蓄热体的形状有：球状、蜂窝状和八字形； 陶瓷蜂窝蓄热体的结构特性,适用于切换时间短的小型化和轻型化的燃烧系统,因而应用广泛。,8,蓄热体材质和尺寸,蓄热体材质要求： 耐高温、良好传热性能、抗热震性好、强度高 ； 材质的透热深度、单位体积的表面积和结构强度要好；,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。,9,蓄热燃烧关键部件-蓄热烧嘴,热气出口,10,蓄热燃烧关键部件-换向阀,五通换向阀,旋转换向阀,直通四通阀,两位三通阀,如切换时间为30S，

4、每年的动作次数约为100万次，因而机械方面的可靠性和耐久性就相当重要,11,（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，靠气缸或电力驱动。 d. 旋转四通阀，靠气压推动阀杆旋转90。,12,高温空气燃烧技术关键稳定燃烧区域,13,2 技术的先进性,氮氧化物排放指数低 可使用低热值燃料 高效节能-接近极限节能 燃烧空间温度均匀 贫氧燃烧 燃烧噪声低 产量提高,14,新型火焰的特征,火焰 体

5、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,15,低氮燃烧,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 ）,的生成速度：,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，NOx含量却大大减少了。,16,低NOX燃烧的原理,17,低热值燃料得到有效利用,低热值燃料可用于钢坯加热等,18,极限余热回收,传统的预热技术：预热温度600 燃料节约 25-30% 蓄热式预热技术：预热温度800 -12

6、00 燃料节约50-60%,排烟温度降低到200 ，甚至更低，接近极限余热回收。因而 可以向大气环境少排放CO2 ，大大缓解了大气的温室效应。,19,燃烧炉膛温度均匀,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。 （1）一方面提高了产品质量； （2）另一方面延长了炉膛寿命。,20,贫氧燃烧,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，能保证陶瓷烧成等工艺要求，可以满足某些特殊工业炉的需要。,21,燃烧噪声低,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，因而燃烧噪声低。,22,炉子产量提高,炉膛温度的均匀性加强了炉内传热

7、，导致同样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高20%以上，大大降低了设备的造价。,23,3 历史发展概况,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），排烟温度降低，入炉气体温度提高。缺点是NOX排放增加，保温材料和控制技术没有发展的余地。 八十年代，出现蓄热燃烧器，节能显著， NOX排放大。 九十年代，HTAC技术出现，即节能有环保。,24,蓄热式换热器,1858年，回收烟气 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。,25,

8、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，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”。,蓄热式燃烧器,26,第一代再生燃烧技术,80 年代，蓄热式燃烧器,节能效果显著，被称

9、为 第一代再生燃烧技术， 但存在环境和可靠性问 题。,27,九十年代以来，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”。,高温空气燃烧,28,第二代再生燃烧技术,29,4 技术应用,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

10、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于轧钢加热炉、钢包烘烤装置、熔铝炉等热工设备上。,30,HTAC在加热炉上的应用,31,通道式管道布置在墙内（墙加厚）,32,外挂蓄热体式,33,烧嘴式（烧嘴与蓄热体一体化）,34,HTAC在加热炉上的应用,35,蓄热烧嘴式加热炉,36,HTAC两段蓄热式推钢加热炉,37,HTAC蓄热式步进加热炉,38,HTAC蓄热式锻造加热炉,39,环形加热炉,40,HTAC在烤包器上的应用,41,HTAC在烤包器上的应用,42,蓄热式辐射管,

11、43,蓄热燃烧式锅炉,44,国外应用效果,资料-日本自1998年开始工业规模的推广和改造后连续三年的效果实测,45,国内应用效果,（1）已有一百余座蓄热式加热炉 （2）在冶金行业应用广泛 （3）其他行业有待进一步开发 （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。 （5）使用中存在一些问题,46,5 蓄热燃烧技术的几点思考,经济性 对蓄热体的要求和使用条件 蓄热体形状的选择 球状蓄热体 结构参数 蜂窝状蓄热体结构参数 蓄热体材质的选择 低空气系数燃烧 换向周期 换向煤气损失 炉压控制 蓄热烧嘴能力平衡,47,经济性,右图为资料： 按照英国工业的水平，蓄热式烧嘴的费用最低,

12、48,对蓄热体的要求和使用条件,（1）准确的形状：常用的有：球状、大片状、长管状、蜂窝状、短空心状，算盘状和枣状等。 （2）透热深度：透热深度小-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：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：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：大，可以迅速的将热量由表面传到中心，充分发挥其蓄热能力。,49,（6）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，

13、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：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：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：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。,50,（10）阻力损失：希望小。有局部阻

14、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。 （11）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。 （12）清灰难易：烟尘会沉积、堵塞通道。气流反向流动有清除作用，但很有限。蓄热体尺寸越小，问题越严重。 （13）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。 （14）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。 （15）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。 全部满

15、足这些要求是不可能的，实用中要兼顾。,51,蓄热体形状的选择,52,球状蓄热体 结构参数,53,蜂窝状蓄热体结构参数,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。,54,蓄热体材质的选择,55,低空气系数燃烧,在保证完全燃烧 的前提下，过剩 空气系数越小节 能效果越好,56,换向周期,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 蜂窝体蓄热体 30s 小球蓄热体 3-4min,57,蓄热烧嘴结构优化,(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,58,炉压控制,炉压波动大是蓄热式加热炉的特点,改进措施: (1) 分散换向 (2) 炉子分段，段之间有压下 (3) 均衡发挥所有烧嘴的能力(抽力均衡) (4) 排烟管道严密,59,换向煤气损失,煤气换向过程中，从换向阀到炉膛管道内和烧嘴内的煤气要排空。 （1）造成能源的浪费35%； （2）造成环境污染 改进措施： 改变换向方式： 集中换向 分散换向 氮气吹扫,60,蓄热烧嘴能力平衡,根据管网特点，进行调节，保证每个烧嘴的能力发挥要一致。 (1) 在烧嘴入口设置调节阀； (2) 在烧嘴入口管道上设置测温孔。,61,应用优势,（1）大型化炉窑 （2）热装 （3）低热值燃料,62,炉型及炉温,（1）炉子应