高溫空氣燃燒技術(shù)及其在我國的應(yīng)用前景

早期的回收余熱用于空氣預(yù)熱的熱回收裝置主要是間壁式換熱器和蓄熱式換熱器。間壁式換熱器氣體流向不變，工作狀況穩(wěn)定，但其預(yù)熱溫度不超過700℃，且壽命較短，熱回收率低，排放的煙氣仍有較高溫度。蓄熱式換熱器預(yù)熱溫度可達1200℃，而排煙溫度較低，可接近300℃，且壽命較長，熱回收率最高可達70％。但早期這種蓄熱式換熱器的蓄熱體采用格子磚材料，綜合傳熱系數(shù)較低，蓄熱體體積龐大、換向時間長、預(yù)熱溫度波動較大。同時，煙氣的排出溫度仍有300～600℃，換熱設(shè)備要求既耐熱、又氣密，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不靈活。綜合考慮換熱器的經(jīng)濟性、材料性能、熱效率等因素，目前性能較好的間壁式換熱器的受熱溫度可達1000℃左右，得到的最高預(yù)熱空氣溫度達700℃。若再提高預(yù)熱溫度，會出現(xiàn)高NOx問題及因換熱器傳熱面積擴大引起的設(shè)備費用增加和換熱器本身的壽命問題。而蓄熱式換熱器因高效節(jié)能的特性以及材料工業(yè)的發(fā)展而又展現(xiàn)出新的活力。

2 高溫空氣燃燒技術(shù)的由來 

1982年英國Hotwork公司和British Gas公司合作，首次研制出了緊湊型的陶瓷球蓄熱系統(tǒng)RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系統(tǒng)采用陶瓷球作為蓄熱體，比表面積可達240m2/m3，因此蓄熱能力大大增強、蓄熱體體積顯著縮小、換向時間降至1～3min，溫度效率明顯提高(一般大于80％)，而預(yù)熱溫度波動一般小于15℃。在隨后幾年里，對該蓄熱系統(tǒng)又進行了大量的實驗研究并作了試用。在不銹鋼退火爐、步進梁式爐上的應(yīng)用均達到了預(yù)期的效果，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 

日本在1985年前后詳細考察了RCB的應(yīng)用技術(shù)和實際使用情況后，開始進一步研制。20世紀(jì) 90年代初，日本鋼管株式會社(NKK)和日本工業(yè)爐株式會社(NFK)聯(lián)合開發(fā)了一種新型蓄熱器，稱為高效陶瓷蓄熱系統(tǒng)HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。在蓄熱體選取上，采用壓力損失小、比表面積更大的陶瓷蜂窩體，以減少蓄熱體的體積和重量。為了實現(xiàn)低NOx排放，蓄熱體和燒嘴組成一體聯(lián)合工作，采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環(huán)法來控制進氣，效果很好。NKK進行了多次試驗，對測得的數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)加熱后進入燃燒器的空氣溫度已接近廢氣排放溫度。數(shù)據(jù)顯示，空氣預(yù)熱溫度達1300℃、爐內(nèi)O2含量為11%時NOx排放量是40kg/m3 [1]。HRS的開發(fā)，不僅實現(xiàn)了煙氣余熱極限回收及NOx排放量的大幅度降低，而且這種新型燃燒器還引發(fā)產(chǎn)生了一種新的燃燒技術(shù)——高溫空氣燃燒技術(shù)HTAC(High Temperature Air Combustion)。 

HTAC技術(shù)在燃燒條件、反應(yīng)機理、火焰特征等方面均表現(xiàn)得與傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)不同。它是預(yù)熱空氣溫度達到800～1000℃以上，燃料在含氧較低(可低至2%)的高溫環(huán)境中燃燒。因為是在高溫條件下，可燃范圍擴大，在含氧大于2%時，就可保證穩(wěn)定燃燒。燃燒過程類似于一種擴散控制式反應(yīng)，不再存在局部高溫區(qū)，NOx在這種環(huán)境下生成受到抑制。同時,在這種低氧環(huán)境下，燃燒火焰具有與傳統(tǒng)燃燒截然不同的特征：火焰體積明顯增大，甚至可擴大到整個燃燒室空間；火焰形狀不規(guī)則，無火焰界面；常見的白熾火焰消失，火焰呈現(xiàn)薄霧狀；輻射強度增加，火焰的高度輻射減少。整個燃燒空間形如一個溫度相對均勻的高溫強輻射黑體，再加上反應(yīng)速度快，爐膛傳熱效率顯著提高，而NOx排放量大大減少[2]。

3 HTAC技術(shù)的工作原理及特點 

HTAC的技術(shù)關(guān)鍵是采用高效蓄熱式燃燒系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)由燃燒室、2組結(jié)構(gòu)相同的蓄熱式燃燒器和1個四通閥組成。燃燒器可對稱布置，亦可集中布置。圖1為2組燃燒器對稱布置時的原理圖。當(dāng)燒嘴A工作時，加熱工件后的高溫廢氣經(jīng)由燒嘴B排出，以輻射和對流方式迅速將熱量傳遞給蓄熱體。煙氣放熱后溫度降至200℃以下，經(jīng)四通閥排出。經(jīng)過一定時間間隔后，切換閥使助燃空氣流經(jīng)蓄熱體B，蓄熱體再將熱量迅速傳給空氣，空氣被預(yù)熱至800℃以上，通過燒嘴B完成燃燒過程。同時，燒嘴A和蓄熱體A轉(zhuǎn)換為排煙和蓄熱裝置。通過這種交替運行方式，可以實現(xiàn)煙氣余熱極限回收和助燃空氣的預(yù)熱。新型的陶瓷蜂窩狀蓄熱體可以達到排氣溫度與被預(yù)熱空氣溫度之間相差50~150℃。

為了降低NOx生成量，采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環(huán)法。圖2是蓄熱式燃燒器燒嘴的原理圖。燒嘴中心是空氣流道，喉部周圍切線方向上供給一次燃料，喉部出口處和空氣流道平行方向上供給二次燃料。一次燃料（比二次燃料少得多）的燃燒屬于富氧燃燒，在高溫條件下會很快完成。燃燒后的煙氣在流經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的噴口后，形成高速氣體射流和周圍卷吸回流運動，滲混后爐 

內(nèi)含氧濃度可達到5%～15%。大量燃料通過二次燃氣通道平行噴入爐內(nèi)，與爐內(nèi)含氧濃度較低的煙氣混合、燃燒。此時，爐內(nèi)不再存在局部熾熱高溫區(qū)，形成溫度分布比較均勻的火焰。因此，NOx排放量大大降低。

HTAC技術(shù)主要是通過高效蜂窩式蓄熱系統(tǒng)來實現(xiàn)，其特點如下： 

(1) 蓄熱體傳熱速度快，蓄熱能力強，切換時間短，動態(tài)換熱好，壓力損失少。 

(2) 進入爐內(nèi)的空氣和燃氣氣流速度快，爐內(nèi)燃料裂解、自燃等燃燒過程加速進行，化學(xué)反應(yīng)速率和燃燒效率提高。 

(3) 火焰不是在燃燒器中而是在爐膛空間內(nèi)才開始逐漸燃燒，燃燒噪音低。 

(4) 在高溫條件下，只要燃料混合物進入可燃范圍，就可保證爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒。 

(5) 在高溫低氧環(huán)境中燃燒產(chǎn)生大量裂解，形成大量C2，從而引發(fā)強烈的熱輻射效應(yīng)，輻射力增強。 

(6) 爐膛溫度分布均勻，燃燒時最高溫度降低，平均溫度大大提高，傳熱效率明顯增大。 

(7) NOx和二惡英的生成受抑制，排放量大大減少。 

(8) 除蓄熱式燃燒器和爐體外，其他設(shè)備都在低溫端運行。

4 HTAC技術(shù)的應(yīng)用效果 

4.1 結(jié)構(gòu)緊湊，初投資少 

HRS系統(tǒng)的蓄熱體和爐體部分均因換熱能力大大增強，使體積可大幅度縮小。從蓄熱體排出的廢氣（溫度只有200℃左右）通過引風(fēng)機抽出，去除了需耐火材料內(nèi)襯的較長煙道和煙囪。簡化了設(shè)備，且用地面積減小，從而使初投資較少。除建造新爐外，HTAC技術(shù)也適合于舊爐改造。蓄熱式燃燒器是采用蓄熱體與燒嘴相結(jié)合的構(gòu)造，它可以外掛蓄熱式燒嘴的形式與舊爐爐型相結(jié)合進行改造。只需在爐子原有基礎(chǔ)上，對爐體稍加改動即可。 

4. 2 溫差小，加熱質(zhì)量好 

應(yīng)用HTAC技術(shù)后，燃燒爐內(nèi)溫度分布均勻，溫差達±5℃，加上爐內(nèi)較低的含氧環(huán)境，對加熱工件極為有利。既提高了加熱速度和加熱質(zhì)量，又減少了工件氧化燒損率，大大提高了爐子產(chǎn)量。此外，通過調(diào)節(jié)流量，可方便而精確地對爐溫進行調(diào)節(jié)和控制，達到均衡的爐膛溫度，以滿足不同的加熱要求。 

4. 3 布置靈活，操作方便 

HRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，布置比較靈活。它可根據(jù)工藝要求和爐體形狀確定燒嘴的位置和數(shù)量。燒嘴的位置可設(shè)在側(cè)面、頂面和軸向（需要爐鼻段）。成對燒嘴可獨立換向，也可多對燒嘴分段集中換向，控制比較靈活[4]。四通閥和控制系統(tǒng)均處于低溫端，因此，操作方便且安全、可靠性高。 

4. 4 節(jié)能效果顯著 

采用蜂窩式陶瓷蓄熱體實現(xiàn)了煙氣余熱的極限回收，煙氣的余熱回收率可達85%以上。同時，在較高空氣預(yù)熱溫度及混合均勻的低氧環(huán)境下，燃料與O2分子一經(jīng)接觸，便能迅速燃燒。因此，實現(xiàn)完全燃燒的過剩空氣系數(shù)可接近1，大大減少爐子進出流量及排煙損失，進一步提高了燃料節(jié)約率。實際應(yīng)用情況表明，燃料節(jié)約率可達55%以上。 

4. 5 污染物排放少 

HTAC技術(shù)的應(yīng)用，對環(huán)境保護的積極作用有：(1) HTAC燃燒器的高效節(jié)能以及燃燒過程的充分性大大減少了煙氣中CO、CO2和其他溫室氣體的排放；(2) 高溫低氧的燃燒環(huán)境以及煙氣回流的摻混作用，大大抑制了NOx的生成，使NOx排放量下降到100 mg/m3以下；(3) 高溫環(huán)境抑制了二惡英的生成，排放廢氣迅速冷卻，有效阻止了二惡英的再合成，故二惡英的排放大大減少；(4) 火焰在整個爐膛內(nèi)逐漸擴散燃燒，燃燒噪音低。 

4. 6 工業(yè)爐燃料范圍擴大 

HTAC技術(shù)的開發(fā)，大大擴展了工業(yè)爐燃料的適用范圍。它可以很好地燃用低熱值燃料而不存在點火困難和脫火問題，而且燃料品種也不局限于氣體或液體。隨著高溫空氣相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，煤、工業(yè)垃圾等固體燃料也可以使用。目前，日本已開發(fā)出高溫空氣燃氣化的多段焓提取技術(shù)，它能處理多種熱值的原料，包括各類廢棄物和生物質(zhì)可燃物。固體燃料的使用通常是先用高溫空氣氣化成燃氣，凈化處理后，再用于高溫空氣燃燒。 

4. 7 適用性強，應(yīng)用范圍廣 

HTAC技術(shù)優(yōu)良的特性使它的適用范圍較寬，它能用于多種不同工藝要求的工業(yè)爐。目前可使用該技術(shù)的爐型有大中型推鋼式及步進式軋鋼加熱爐、均熱爐、罩式熱處理爐、輻射管氣體滲碳爐、鋼包烘烤爐、玻璃熔化爐、熔鋁爐、鍛造爐等等。范圍涉及冶金、金屬加工、化工、陶瓷和紡織等行業(yè)。此外，HTAC技術(shù)也適用于生產(chǎn)不穩(wěn)定、產(chǎn)量波動較大的企業(yè)。

5 HTAC技術(shù)在我國的應(yīng)用前景 

我國是世界燃料消耗大國。從我國能源現(xiàn)狀來看，HTAC技術(shù)在我國將有廣闊的應(yīng)用前景。 

我國工業(yè)爐是能耗大戶。“七五”期間，窯爐能耗占全國工業(yè)總能耗的1/4，占工業(yè)能耗的40%。而工業(yè)爐平均熱效率較低，只有20%左右。產(chǎn)品平均單耗比發(fā)達國家高出40%。據(jù)統(tǒng)計，窯爐大部分能量歸結(jié)為排煙損失，估計全國每年這部分能量相當(dāng)于超過5000萬t的標(biāo)準(zhǔn)煤。針對這種情況，提高我國工業(yè)爐燃料利用率及煙氣余熱回收率從而達到節(jié)能的潛力是很大的。 

長期以來，大氣有害物超標(biāo)排狀況在我國相當(dāng)嚴(yán)重。世界10個大氣環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市，我國就占了7個。為降低大氣污染物排放量，首先要降低能耗，其次是控制排放量。而這2點正好符合HTAC的技術(shù)特征，即高效、節(jié)能和低污染。因此，HTAC技術(shù)在我國的應(yīng)用勢在必行。 

從我國能源結(jié)構(gòu)來看，煤等固體燃料占的比重較大，液體和氣體燃料比重較小。但進入20世紀(jì)80年代后，總的發(fā)展趨勢是燃煤和燃油的窯爐比例下降，而燃氣的窯爐比例大幅度上升。盡管目前HTAC技術(shù)還僅適合于直接燃用氣體及部分液體燃料，但隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、“西氣東輸”工程的實施、四川、內(nèi)蒙等地不斷發(fā)現(xiàn)天然氣新資源以及HTAC技術(shù)的進一步開發(fā)，可以預(yù)計，HTAC技術(shù)在我國的應(yīng)用將會有迅速的發(fā)展。

6 結(jié)語 

HTAC技術(shù)具有高效、節(jié)能和低污染等特性，自從面世以來，就受到世界工業(yè)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。它徹底打破了傳統(tǒng)燃燒的模式，進入到新的未知領(lǐng)域——高溫低氧燃燒領(lǐng)域。它是一項既節(jié)能又利于環(huán)保且極具活力的技術(shù)，值得大力推廣和開發(fā)。對于企業(yè)界來說，它可以大幅度降低能耗和生產(chǎn)成本，提高其運行的經(jīng)濟性和市場競爭力。 HTAC技術(shù)被認為是具有創(chuàng)造性、實用性以及增長潛力的新的戰(zhàn)略技術(shù)。 

我國能源狀況不容樂觀，高能耗、高污染、低效率相當(dāng)嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，將面臨能源緊張的嚴(yán)峻考驗。因此，大力推廣HTAC技術(shù)在我國的應(yīng)用，將為我國快速發(fā)展帶來一次歷史機遇。