王 蓉 李茂德 （同濟大學機械工程學院，上海 200092）
戴冶艇 趙無非 （上海七一一研究所，上海 200011）
摘要 高溫空氣燃燒技術是近10年來高速發展的一種新型燃燒技術，具有高效、節能和低污染等特性，目前正得到越來越廣泛的應用。介紹高溫空氣燃燒技術的由來、工作原理、特點及應用效果，并分析了這種燃燒技術在我國的應用前景。
關鍵詞：換熱器 蓄熱器 高溫空氣燃燒
1 引言
在冶金、機械、建材等部門所用的許多工業燃燒爐中，排出的廢氣溫度高達600～1100℃。為充分有效地把這部分熱量加以利用，許多研究人員在這方面做了大量研究工作。其中利用熱回收裝置回收煙氣帶走的余熱，加熱助燃用空氣和燃氣，再回送到爐子燃燒室，是一項有效且收益較大的措施。
早期的回收余熱用于空氣預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，工作狀況穩定，但其預熱溫度不超過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，綜合傳熱系數較低，蓄熱體體積龐大、換向時間長、預熱溫度波動較大。同時，煙氣的排出溫度仍有300～600℃，換熱設備要求既耐熱、又氣密，使結構復雜、操作不靈活。綜合考慮換熱器的經濟性、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，得到的最高預熱空氣溫度達700℃。若再提高預熱溫度，會出現高NOx問題及因換熱器傳熱面積擴大引起的設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能的特性以及材料工業的發展而又展現出新的活力。
2 高溫空氣燃燒技術的由來
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RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系統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％)，而預熱溫度波動一般小于15℃。在隨后幾年里，對該蓄熱系統又進行了大量的實驗研究并作了試用。在不銹鋼退火爐、步進梁式爐上的應用均達到了預期的效果，取得了顯著的經濟效益。
日本在1985年前后詳細考察了RCB的應用技術和實際使用情況后，開始進一步研制。20世紀 90年代初，日本鋼管株式會社(NKK)和日本工業爐株式會社(NFK)聯合開發了一種新型蓄熱器，稱為高效陶瓷蓄熱系統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。為了實現低NOx排放，蓄熱體和燒嘴組成一體聯合工作，采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環法來控制進氣，效果很好。NKK進行了多次試驗，對測得的數據進行了分析。結果發現，預加熱后進入燃燒器的空氣溫度已接近廢氣排放溫度。數據顯示，空氣預熱溫度達1300℃、爐內O2含量為11%時NOx排放量是40kg/m3 [1]。HRS的開發，不僅實現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產生了一種新的燃燒技術——高溫空氣燃燒技術HTAC(High Temperature Air Combustion)。
HTAC技術在燃燒條件、反應機理、火焰特征等方面均表現得與傳統的燃燒技術不同。它是預熱空氣溫度達到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，就可保證穩定燃燒。燃燒過程類似于一種擴散控制式反應，不再存在局部高溫區，NOx在這種環境下生成受到抑制。同時,在這種低氧環境下，燃燒火焰具有與傳統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；火焰形狀不規則，無火焰界面；常見的白熾火焰消失，火焰呈現薄霧狀；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技術的工作原理及特點
HTAC的技術關鍵是采用高效蓄熱式燃燒系統[3]。該系統由燃燒室、2組結構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。當燒嘴A工作時，加熱工件后的高溫廢氣經由燒嘴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，經四通閥排出。經過一定時間間隔后，切換閥使助燃空氣流經蓄熱體B，蓄熱體再將熱量迅速傳給空氣，空氣被預熱至800℃以上，通過燒嘴B完成燃燒過程。同時，燒嘴A和蓄熱體A轉換為排煙和蓄熱裝置。通過這種交替運行方式，可以實現煙氣余熱極限回收和助燃空氣的預熱。新型的陶瓷蜂窩狀蓄熱體可以達到排氣溫度與被預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優化設計的噴口后，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，與爐內含氧濃度較低的煙氣混合、燃燒。此時，爐內不再存在局部熾熱高溫區，形成溫度分布比較均勻的火焰。因此，NOx排放量大大降低。
HTAC技術主要是通過高效蜂窩式蓄熱系統來實現，其特點如下：
(1) 蓄熱體傳熱速度快，蓄熱能力強，切換時間短，動態換熱好，壓力損失少。
(2) 進入爐內的空氣和燃氣氣流速度快，爐內燃料裂解、自燃等燃燒過程加速進行，化學反應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，就可保證爐內穩定燃燒。
(5) 在高溫低氧環境中燃燒產生大量裂解，形成大量C2，從而引發強烈的熱輻射效應，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，其他設備都在低溫端運行。
4 HTAC技術的應用效果
4.1 結構緊湊，初投資少
HRS系統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）通過引風機抽出，去除了需耐火材料內襯的較長煙道和煙囪。簡化了設備，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合的構造，它可以外掛蓄熱式燒嘴的形式與舊爐爐型相結合進行改造。只需在爐子原有基礎上，對爐體稍加改動即可。
4. 2 溫差小，加熱質量好
應用HTAC技術后，燃燒爐內溫度分布均勻，溫差達±5℃，加上爐內較低的含氧環境，對加熱工件極為有利。既提高了加熱速度和加熱質量，又減少了工件氧化燒損率，大大提高了爐子產量。此外，通過調節流量，可方便而精確地對爐溫進行調節和控制，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系統結構緊湊，體積小，布置比較靈活。它可根據工藝要求和爐體形狀確定燒嘴的位置和數量。燒嘴的位置可設在側面、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]。四通閥和控制系統均處于低溫端，因此，操作方便且安全、可靠性高。
4. 4 節能效果顯著
采用蜂窩式陶瓷蓄熱體實現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，在較高空氣預熱溫度及混合均勻的低氧環境下，燃料與O2分子一經接觸，便能迅速燃燒。因此，實現完全燃燒的過剩空氣系數可接近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約率。實際應用情況表明，燃料節約率可達55%以上。
4. 5 污染物排放少
HTAC技術的應用，對環境保護的積極作用有：(1) HTAC燃燒器的高效節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) 火焰在整個爐膛內逐漸擴散燃燒，燃燒噪音低。
4. 6 工業爐燃料范圍擴大
HTAC技術的開發，大大擴展了工業爐燃料的適用范圍。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。隨著高溫空氣相關技術的發展，煤、工業垃圾等固體燃料也可以使用。目前，日本已開發出高溫空氣燃氣化的多段焓提取技術，它能處理多種熱值的原料，包括各類廢棄物和生物質可燃物。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，應用范圍廣
HTAC技術優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爐。目前可使用該技術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。此外，HTAC技術也適用于生產不穩定、產量波動較大的企業。
5 HTAC技術在我國的應用前景
我國是世界燃料消耗大國。從我國能源現狀來看，HTAC技術在我國將有廣闊的應用前景。
我國工業爐是能耗大戶。“七五”期間，窯爐能耗占全國工業總能耗的1/4，占工業能耗的40%。而工業爐平均熱效率較低，只有20%左右。產品平均單耗比發達國家高出40%。據統計，窯爐大部分能量歸結為排煙損失，估計全國每年這部分能量相當于超過5000萬t的標準煤。針對這種情況，提高我國工業爐燃料利用率及煙氣余熱回收率從而達到節能的潛力是很大的。
長期以來，大氣有害物超標排狀況在我國相當嚴重。世界10個大氣環境污染最嚴重的城市，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的技術特征，即高效、節能和低污染。因此，HTAC技術在我國的應用勢在必行。
從我國能源結構來看，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80年代后，總的發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，但隨著我國能源結構的調整、“西氣東輸”工程的實施、四川、內蒙等地不斷發現天然氣新資源以及HTAC技術的進一步開發，可以預計，HTAC技術在我國的應用將會有迅速的發展。
6 結語
HTAC技術具有高效、節能和低污染等特性，自從面世以來，就受到世界工業界和企業界的廣泛關注。它徹底打破了傳統燃燒的模式，進入到新的未知領域——高溫低氧燃燒領域。它是一項既節能又利于環保且極具活力的技術，值得大力推廣和開發。對于企業界來說，它可以大幅度降低能耗和生產成本，提高其運行的經濟性和市場競爭力。 HTAC技術被認為是具有創造性、實用性以及增長潛力的新的戰略技術。
我國能源狀況不容樂觀，高能耗、高污染、低效率相當嚴重。隨著經濟的不斷發展，將面臨能源緊張的嚴峻考驗。因此，大力推廣HTAC技術在我國的應用，將為我國快速發展帶來一次歷史機遇。
7 參考文獻
1 Yutaka Suzukawa. Regenerative burner heating system. Proceeding of High Temperature Air Combustion Symposium. Beijing, Oct, 1999: 169～180.
2 周懷春. 高溫空氣燃燒技術—21世紀關鍵技術之一. 工業爐， 1998, (1):19～27.
3 蔣紹堅. 高溫空氣燃燒新型鍋爐及特性分析. 熱能動力工程， 2000, 15(7): 348～351.
4 朱敏之. 日本高性能工業爐的開發戰略與實施進展. 工業加熱， 2001, (1):10～13. |
