浅析高温空气燃烧(HTAC)技术

摘 要:本文主要介绍高温空气燃烧技术(HTAC)的原理,燃烧系统构成,历史与发展,并介绍其在蓄热式陶瓷炉上的应用。

关键词:高温空气燃烧 节能减排 HTAC 加热炉

中图分类号:TK16文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(a)-0099-01

高温空气燃烧技术是20世纪90年代发展起来的一种新型燃烧技术,它的特征是烟气余热被最大限度地回收,助燃空气预热到1000℃以上的同时把高温烟气的温度降到200℃以下。燃料在高温低氧混合气体的环境下与混合气体强烈快速混合燃烧。高温空气燃烧技术可以实现燃料化学能的高效利用并有效控制燃烧污染物的排放,达到节能与环保的目的,被世人评为理想的黄金燃烧技术。

1 蓄热燃烧技术

蓄热式高温空气燃烧技术HTAC(High Temperature Air Combustion)是目前国内外开始流行的一种革命性的全新燃烧技术,它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至1000℃以上,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21世纪关键技术之一。

简单说,就是先将蓄热体加热后,再通入空气,并将空气加热到高温,送入炉内与烟气混合(降低氧气含量,目的是降低氧化氮的含量)后,再与燃料混合燃烧。

要注意的是,蓄热燃烧,蓄热室必须是成对的,其中一个用来加热空气,而另一个被烟气加热。经过一个周期后,加热空气的蓄热室降温,而被烟气加热的蓄热室却升高温度,这样,通过换向阀,使两个蓄热室作用交换,这时原来是排烟口的,现在变成了烧嘴,而原来是烧嘴的,现在变成了排烟口。

蓄热式燃烧系统组成及其设计原则:

蓄热式燃烧系统主要由燃烧器,蓄热体,换向阀,控制系统组组成。

蓄热体是高温空气燃烧技术的关键部件,其主要技术指标如下。

蓄热能力:(1)换热速度;(2)热震稳定性;(3)抗氧化和腐蚀性;(4)压力损失;(5)经济性。

总之,在选择蓄热体材料时,应注意这几方面的问题,这样才能减小压力损失、提高换热速度、降低成本,最终使热效率得到提高。

2 换向阀

由于必须在一定的时间间隔内实现频繁的切换,换向阀也成为与余热回收率密切相关的关键件之一。尽管经换热后的烟气温度很低,对换向阀材料无特殊要求,但必须考虑换向阀的工作寿命和可靠性。因为烟气中含有较多的微小粉尘以及频繁动作,势必对部件造成磨损,这些因素应当在选用换向阀时加以考虑。如果出现阀门密封不严、压力损失过大、体积过大、密封材料不易更换、动作速度慢等问题,会影响系统的使用性能和节能效果。

3 烧嘴

烧嘴的设计原则是不能让空气和煤气混合得太快,这样容易形成局部高温,但也不能混合得太慢,防止煤气在蓄热室出现“二次燃烧”甚至燃烧不充分。

为了保证燃料在低氧气氛中燃烧,必须在设计其供给通道时,考虑燃料和空气在空间的扩散、与炉内烟气的混合和射流的角度及深度,而这些参数应根据加热装置尺寸、加热工艺要求、燃料种类、烧嘴大小、预热温度和空煤气压力等因素来确定。

蓄热式燃烧技术又被称为“高温稀薄燃烧”技术。实现这种低氧燃烧的有效途径之一是:合理的布置烧嘴的位置和数量以及各个燃烧单元的相对位置关系和换向方式,有效地组织炉膛内气流的流动,依靠预热后空气和煤气射流的高速卷吸,使炉内产生大量烟气回流。

一般来说,射流的速度越大,炉内的卷吸和回流作用越强烈,就越有利于实现低氧的气氛。

4 在陶瓷炉上的应用

4.1 节能

HTAC技术是由两个关键技术构成的。一是以蜂窝陶瓷为蓄热体的余热极限回收技术;二是以高温空气助燃和组织贫氧燃烧降低NOX排放技术。

陶瓷烧成窑炉主要以连续式窑炉为主,如隧道窑、辊道窑、推板窑等。

连续式窑炉的工作特点是:燃料燃烧产生的高温烟气在窑内与陶瓷制品逆向运动,从窑炉的烧成带流经预热带,最后从排烟口排出。烟气在流动过程将热量以辐射、对流和导热的形式传递给坯体、窑具和窑墙,最终以700℃左右的温度排出窑外,浪费了大量的能源。

在陶瓷烧成窑炉上应用余热极限回收技术,可以对窑炉的主烟道进行改造,将主烟道截面分成两个相等的部分,分别安装蜂窝陶瓷蓄热体,通过两个四通换向阀及两个引风机,构成烟道蓄热式烟气余热极限回收系统,换向操作循环进行,可完成窑炉烟气余热的极限回收,获得高温热空气,用于助燃或坯体干燥等。

4.2 减排

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800℃～1000℃,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3%～15%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,造成其与传统燃烧过程不同的热力学条件,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。

HTAC烧嘴主要采用气体燃料,其中含氮化合物少,因此燃料型NOX生成极少。

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;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NOX排放浓度低。

5 展望

HTAC技术能最大限度地回收炉窑烟气中的物理显热,降低能耗,使工业炉节能技术发展到一个新的阶段。鉴于它的技术、经济优势,在冶金、机械、建材等行业工业窑炉上应用有相当广阔的前景。由于陶瓷烧成工艺和窑炉结构的特殊性,直接应用HTAC技术存在较大的难度,所以,目前该技术尚未在我国的陶瓷行业。中国是能源消耗的大国,比发达国家落后约20年,且污染严重,所以蓄热燃烧在我国有广阔的市场前景,使用中要重视如下几方面:(1)关键部件的寿命和可靠性;(2)系统结构的优化;(3)运行过程参数的优化控制;(4)实际应用过程的保养及维护。

参考文献

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