高温低氧空气燃烧技术在工业炉窑中的应用

摘要：如何实现工业炉窑的节能和降低排放污染问题一直是人类改善生活环境、实现可持续发展所需解决的重要课题之一。高温低氧空气燃烧技术的产生，解决了长期以来困扰燃烧界的节能与环保不能并举的问题，其在工业炉窑上的广泛应用已取得了很好的经济效益与社会效益。

关键字：高温低氧 节能减排 工业炉窑

在上世纪90年代初，日本人提出了高温低氧空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion.简称HTAC) 这一概念，该技术主要由高效余热回收和低NOX生成率两部分组成。

高效余热回收是通过蜂窝状陶瓷蓄热体对工业炉窑的排烟焓进行高效热回收并对助燃空气进行高温预热来实现的。良好的换热效果，降低了排烟热损失，显著提高了烟气余热回收率。为了解决高温燃烧产生高NOX的问题，HTAC技术在保持过量空气系数α>1的情况下，通过炉内烟气再循环或两段燃烧方法，组织合理有效的炉内燃烧，降低燃烧空间中的氧浓度，创造低氧燃烧条件来降低烟气中NOX的浓度。

一、HTAC技术的重要组成部分

采用一对带蓄热体的烧嘴（蓄热体可与烧嘴布置为一体，也可置于蓄热室内与烧嘴分开布置），在换向系统的控制下交替点火工作，完成烟气与空气热交换，实现高温低氧空气燃烧。其工作原理见图1所示。

图1 高温低氧空气燃烧技术的工作示意图

当烧嘴A工作时，助燃空气经过该侧蓄热体A加热后与燃料混合燃烧，生成的烟气自烧嘴B流出，并放热给蓄热体B。经一定时间（通常为30S）后，换向阀动作，燃料和助燃空气经蓄热体B由烧嘴B射入，烧嘴B工作，产生烟气流入烧嘴A，放热给蓄热体A后排出。HTAC技术主要通过一对蓄热体，一对烧嘴和换向系统组成。

1.蓄热体

蓄热体是实现高温烟气与低温助燃空气换热的介质，是实现高效节能的关键。其材质、形状、结构尺寸直接影响工业炉窑的烟气余热回收率和燃烧的稳定性。结构合理的蓄热体可使助燃空气预热达1000°C以上，只低于入口烟气温度50°C，使排烟温度低于150°C。

蓄热体的材质应具有耐高温性、传热性、高强度等特征。目前，在烟气温度小于1200°C时多采用堇青石质陶瓷，烟气温度为1200°C以上时多采用氧化铝或氧化硅质陶瓷，材质的选择还应把排烟气体酸碱度考虑在内。现较多采用的蓄热体的形状为球体和蜂窝体。虽然蜂窝体的传热系数小于陶瓷球体的传热系数，但其比表面积较大，单位体积传热能力可比球体的高出数倍，使其能在更小的空间、更短的时间内积蓄和释放大量热量。陶瓷蜂窝体的压力损失也相当小，在同一燃烧容量，同一横截面积下，为球体的1/3，可大大减少风机的动力消耗。评价蓄热体的性能时，温度效率和压力损失特性都是重要的参数。虽然气流的往复流动使得蓄热体内不易积灰堵灰，但当烟尘中结晶析出物粘性物含量多时也会出现堵塞现象。

2.换向系统

据设定的时间或流体温度值，由控制系统操纵，同时进行燃料、空气和烟气的换向，从而实现两个烧嘴的交替工作。现普遍采用四通换向阀来实现空气和烟气的换向。换向设备的可靠性、灵敏性、同步性直接关系到炉内燃烧的稳定性、完全性，炉温的波动状态。如果实现空气、烟气换向的四通换向阀不能及时关闭，燃烧器中的助燃空气就会有部分与烟气一起被引风机抽走，导致不完全燃烧。如果燃料换向阀和四通换向阀的动作不一致，会使炉内燃烧产生波动，如果某一时刻燃料过量，就会导致不完全燃烧。要尽量缩短换向时间，使燃料、空气换向同步。选择和设计换向系统既要考虑有一定耐压，抗冲击能力也应考虑驱动换向系统所需的动力消耗。

3.燃烧器

合理的燃烧器结构，不但可以保证燃料的持续稳定燃烧，还可确保燃料在低氧浓度下燃烧，降低NOX的生成率。燃烧器的尺寸参数的优化设计，主要靠数值模拟和实验来确定。

二、影响HTAC技术应用效果的主要参数

1．蓄热体尺寸结构

蓄热体内的换热过程是包括对流、辐射和传导在内的复杂的非稳态传热。在蓄热体的材质和形状一定时，蓄热体的热交换系数与流体温度、空塔流速有关，流速、温度增加，热交换系数增加。蓄热体阻力损失与蓄热体的高度成正比，且随空塔流速、流体温度的增加而增加。把蓄热体的换热特性和阻力损失综合考虑，才能得到合理的尺寸结构。

2．换向时间

换向系统的切换时间对火焰燃烧状况、炉温波动幅度和换热效率有很大影响。换向周期愈短，预热空气温度、炉温和排烟温度波动愈小，蓄热体的蓄、放热时间愈短，使烟气余热得到充分利用，热回收效率增大。但是如果换向周期太短，换向频繁，对换向设备要求高，同时切换占用时间增多，影响炉内正常燃烧。换向时间太长又会造成排烟温度高，烟气余热回收率降低，同时预热空气温度波动大，造成炉温波动大，炉内温差增大，使换热效率降低。

三、HTAC技术的节能与环保分析

1.节能

高的烟气余热回收率，大大提高了燃料的节约率。在一定的氧浓度下，高的助燃空气温度保证了燃料的迅速燃烧。由于在HTAC条件下，随着助燃空气温度的升高及氧浓度的降低，火焰体积增大，甚至充满整个炉膛，再加上炉内烟气的回流，使得燃料与助燃空气在炉内得到很好的混合，在过量空气系数接近1的情况下也能实现完全燃烧，在完全燃烧的前提下，空气过量系数越小，节能效果越显著。

由于辐射换热能力的加强，换热效率的提高，可相对减少换热面积，缩小炉膛尺寸，节约设备资源。炉膛尺寸的缩小减少了散热面积，使得炉膛散热损失减少，相应地提高了燃料的热利用率。

2.环保

HTAC使NOX生成减少。由于节能率大大提高，生产等量产品所耗燃料量减少，生成CO2量就减少，大大降低了CO2的排放量。

由于燃烧不是在烧嘴内进行，而是在整个炉膛内进行，且在低氧条件下化学反应速度得以延缓，从而降低了噪音污染。

四、结论

目前，HTAC技术作为一项成熟的技术在日本、欧美等国家正被广泛地应用，对其的研究工作重点已转到扩大其应用范围上。上世纪90年代初，高温空气燃烧技术就已经被介绍到中国来了。但一直以来，人们都把研究重点放在了利用余热回收提高热效率的方面，对于高温燃烧所导致的大量NOX排放问题并没有重视。最近几年，由于人们环保意识的加强，我国越来越多科研院校与企业开始致力于该项研究。但目前该项技术在我国的应用还刚刚开始，我们要想更好地掌握和应用此项技术，拥有独立的设计产品，还需进行大量深入细致的研究工作。

参考文献

[1]罗国民, 张少忠, 苍大强, 郭汉杰. 高温空气燃烧系列技术在三轧厂加热炉维护与生产上的应用[J]. 冶金能源 , 2006,(04)

[2]杨军峰. 高温空气燃烧技术在锻造加热炉上的应用[J]. 工业加热 , 2004,(01)

[3]韩志敏, 徐继利. 加热炉封头异型大开孔设计[J]. 油气田地面工程 , 2005,(08)