高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀

李鵬輝，王新華，金 雷

1.湖南節(jié)能評(píng)價(jià)技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510600；3.南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421001

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健、持續(xù)的發(fā)展，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高效、節(jié)能的高溫空氣燃燒技術(shù)進(jìn)行了深入的研究并應(yīng)用于實(shí)際工程中，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的雙重效益.本文介紹了高溫空氣燃燒技術(shù)的燃燒特性、蓄熱體、NOx生成及控制和換向裝置及換向時(shí)間的研究現(xiàn)狀.

1 高溫空氣燃燒技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

高溫空氣燃燒技術(shù)又稱蓄熱式燃燒技術(shù)，它采用高效蓄熱式燃燒系統(tǒng)，采用將氣體燃料或助燃空氣與煙氣交替通過(guò)蓄熱體的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)“極限余熱回收”和氣體燃料與助燃空氣的高溫預(yù)熱并組織燃燒.其工作原理如圖1所示，運(yùn)行示意圖如圖2所示.

由圖1和圖2可知，當(dāng)系統(tǒng)工作在A狀態(tài)下時(shí)，燃料和來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的熱空氣經(jīng)換向系統(tǒng)分別進(jìn)入通道2，然后通過(guò)蓄熱室2.預(yù)熱后的燃料與空氣從通道2經(jīng)燒嘴A噴出并混合燃燒.燃燒產(chǎn)物對(duì)物料進(jìn)行加熱后進(jìn)入通道1，右側(cè)燒嘴B變?yōu)闊煹?，在蓄熱?內(nèi)進(jìn)行熱交換將大部分熱傳給蓄熱體后，以低于200 ℃的溫度進(jìn)入換向系統(tǒng)，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣.一定時(shí)間后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向裝置動(dòng)作，使空氣和燃料的流動(dòng)方向同時(shí)換向，此時(shí)系統(tǒng)工作在B狀態(tài)下，燃料和空氣從通道1經(jīng)燒嘴B噴出并混合燃燒，這時(shí)燒嘴A作為煙道.在引風(fēng)機(jī)的作用下，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室2內(nèi)進(jìn)行熱交換，將大部分熱傳給蓄熱體后低溫排出，完成一個(gè)換向周期.以上過(guò)程循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)爐窯的連續(xù)運(yùn)行.

圖1 高溫空氣燃燒技術(shù)的工作原理

圖2 高溫空氣燃燒技術(shù)的運(yùn)行示意圖

Fig.2The schematic diagram of high temperature air combustion operation and technology

1.2 特 點(diǎn)

高溫空氣燃燒不同于傳統(tǒng)的燃燒，其特點(diǎn)是：將爐子的供熱、供風(fēng)、余熱回收和排煙系統(tǒng)通過(guò)排煙通道(同時(shí)又是燃?xì)夂椭伎諝馔ǖ?、蓄熱室、換向系統(tǒng)、煤氣接口、空氣接口、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)及其附屬的管道和控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使?fàn)t子的熱效率提高至70%以上，助燃空氣的預(yù)熱溫度提高至1000 ℃以上，而排出的煙氣溫度可降低至200 ℃以下，接近煙氣的露點(diǎn)溫度.

相對(duì)于傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，高溫空氣燃燒技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于[1]：

(1)熱效率高.蓄熱體耐腐蝕，可以將煙氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下，回收水蒸氣冷凝潛熱，實(shí)現(xiàn)熱量的極限回收.

(2)擴(kuò)大火焰燃燒區(qū)域，爐溫分布均勻.由于空氣溫度已經(jīng)高于燃料的著火溫度，因此，燃燒的穩(wěn)定性提高.貧氧燃燒使火焰擴(kuò)展到大部分爐膛的邊界，從而可使?fàn)t膛內(nèi)的溫度分布均勻.

(3)NOx排放低.采用空氣高速射流卷吸煙氣回流，可在燃燒區(qū)域形成一個(gè)低氧氛圍，貧氧燃燒可顯著減少氧氮化合物的排放.

2 高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫空氣燃燒技術(shù)的研究主要針對(duì)燃燒特性、蓄熱體、NOx的生成及控制和換向裝置及換向時(shí)間等方面進(jìn)行.

2.1 燃燒特性

在日本“高性能工業(yè)爐發(fā)展計(jì)劃”的支持下，其研究人員對(duì)工業(yè)爐燃燒特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)1350 ℃的高溫空氣以90 m/s的速度噴射入爐內(nèi)時(shí)，燃燒火焰看不到明顯的邊界，形成一種無(wú)焰燃燒狀態(tài)，整個(gè)爐膛的溫度均勻性有了顯著的提高[2].

Yuan J等人[3-4]對(duì)湍流燃燒采用PDF模型，對(duì)輻射采用區(qū)域傳熱模型，對(duì)煙灰形成采用二步Tesner模型來(lái)綜合分析燃燒的特性.計(jì)算結(jié)果揭示了空氣預(yù)熱溫度和氧濃度對(duì)燃燒溫度的影響，燃燒溫度隨空氣預(yù)熱溫度的升高和氧濃度的增加而升高.

Girardi G等人[5]分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型模擬湍流流動(dòng)，用DO模型(離散坐標(biāo)模型)模擬輻射，PDF模型模擬燃燒，研究了在不同溫度下的高溫低氧燃燒特征.計(jì)算結(jié)果表明，兩種湍流模型的模擬結(jié)果基本一致.

Kawai K等人[6]對(duì)低熱值燃料的高溫空氣燃燒特性做了研究，結(jié)果表明，當(dāng)空氣預(yù)熱到1000 ℃以上時(shí)，低熱值氣體可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，且爐內(nèi)溫度場(chǎng)比較均勻.

Yang W H等人[7-10]對(duì)高溫空氣燃燒技術(shù)的研究結(jié)果表明：在一定的預(yù)熱溫度(800 ℃以上)下，隨著氧氣濃度的降低，火焰的峰值溫度明顯下降，溫度分布更加均勻，平均溫度提高，熱流密度增強(qiáng)，傳熱效率大大提高；在低氧濃度的條件下，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰的穩(wěn)定性增加，峰值溫度隨之上升，但上升的幅度減小，溫度分布更加均勻，表明在高溫低氧的條件下，空氣預(yù)熱溫度對(duì)火焰溫度分布特性的影響沒(méi)有氧氣濃度的顯著.同理，在低氧濃度下，隨著燃料初始溫度的升高，火焰的峰值溫度逐漸增加，且平均溫度分布改善明顯；當(dāng)氧氣濃度大于10%時(shí)，氧氣濃度的變化對(duì)燃燒室內(nèi)的溫度分布的影響不明顯.

Ishii等人[11]利用數(shù)值模擬手段對(duì)蓄熱式燃燒中NO的生成與排放特性進(jìn)行了分析，研究了熱力型NO、快速型NO及NO回燃三個(gè)過(guò)程，分析了過(guò)剩空氣系數(shù)及預(yù)熱空氣溫度對(duì)NO的生成與排放特性的影響，可為蓄熱式燃燒器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

高溫空氣燃燒技術(shù)傳入我國(guó)后,我國(guó)的一些學(xué)者也對(duì)其燃燒特性進(jìn)行了研究.清華大學(xué)的祁海鷹等人[12]將高溫低氧燃燒與常規(guī)燃燒進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高溫低氧燃燒全場(chǎng)溫差僅為200 ℃左右.

蔣紹堅(jiān)等人[13]也對(duì)高溫低氧燃燒技術(shù)的火焰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，觀察了丙烷在不同空氣預(yù)熱溫度和不同含氧濃度氣氛中的火焰特性，發(fā)現(xiàn)助燃劑預(yù)熱溫度及氧氣濃度是影響火焰體積的主要因素.對(duì)于普通空氣而言，只提高預(yù)熱溫度并不能使火焰體積明顯增大，只有在預(yù)熱溫度提高到一定溫度以上的同時(shí)降低氧含量，才能得到體積較大的火焰，使得火焰的主體呈濃霧狀，其邊緣無(wú)穩(wěn)定的形態(tài).隨著預(yù)熱溫度的逐漸提高，能保持穩(wěn)定燃燒的最低氧濃度越小.

2.2 蓄熱體

蓄熱體作為蓄熱室余熱回收設(shè)備的核心材料承擔(dān)著在冷熱介質(zhì)間傳遞熱量的任務(wù).目前常用的蓄熱體有陶瓷小球和蜂窩陶瓷(圖3).國(guó)內(nèi)外目前對(duì)蓄熱體的研究主要集中在尺寸、形狀和材質(zhì)等方面.

圖3 陶瓷球和蜂窩陶瓷蓄熱體

Zarrinehkafsh等人[14]對(duì)陶瓷球蓄熱室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，實(shí)驗(yàn)中分析了氣體流速和換向周期對(duì)熱效率的影響.將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果略高于實(shí)驗(yàn)值，主要原因是實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，但計(jì)算模型也需要進(jìn)行必要的改進(jìn).

Park等人[15]建立了陶瓷球和外界流體耦合傳熱一維模型，對(duì)陶瓷球蓄熱室的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行了研究.分析了陶瓷球的填充長(zhǎng)度、陶瓷球的直徑、煙氣與空氣流速等參數(shù)對(duì)蓄熱式換熱器的熱效率及阻力損失等的影響.該研究有助于為蓄熱室的設(shè)計(jì)提供一種可行的計(jì)算方法.

Rafid等人[16]通過(guò)數(shù)值模擬分析了蜂窩陶瓷內(nèi)部和外部流體的動(dòng)態(tài)溫度及速度分布.模擬中采用二維計(jì)算模型，并且考慮了蓄熱體內(nèi)部與氣流平行和垂直方向的導(dǎo)熱，流體及蓄熱體熱物性隨溫度的變化，另外還考慮了煙氣和蓄熱體之間的輻射傳熱，結(jié)果表明，蜂窩陶瓷蓄熱體有良好的蓄熱性能.

尚永紅等人[17]通過(guò)建立陶瓷蜂窩蓄熱體傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，把數(shù)值計(jì)算得到的氣體溫度與某煉鋼廠的蓄熱式鋼包烘烤器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，分析了高溫燃燒系統(tǒng)中蜂窩陶瓷蓄熱體和氣體間的熱量交換，對(duì)于由溫度分布不均勻及陶瓷蓄熱體膨脹或收縮受限制所產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析，得出了蜂窩體的應(yīng)力分布情況以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蜂窩體橫截面上的熱應(yīng)力和傳熱過(guò)程的影響.

賈力等人[18]用CFX軟件對(duì)蜂窩陶瓷蓄熱體的傳熱過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，分析了蓄熱體與氣體的軸向溫度分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律.針對(duì)蓄熱式換熱器的啟動(dòng)過(guò)程，分析了換向時(shí)間、氣流溫度、蓄熱體總長(zhǎng)度及材料熱物性等對(duì)熱飽和時(shí)間的影響.在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了換向周期對(duì)蓄熱式燃燒系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合.

王皆滕等人[19]采用理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了蜂巢蓄熱體的傳熱機(jī)理、換熱特性、溫度特性及熱回收率等性能參數(shù)及其隨幾何尺寸和換向時(shí)間的變化規(guī)律，并且通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得出了最佳換向時(shí)間，總結(jié)了流動(dòng)阻力的計(jì)算公式.

艾元方等人[20]用基于單參數(shù)攝動(dòng)的半解析數(shù)值計(jì)算法研究薄壁蓄熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響.其研究結(jié)果表明，存在最大相對(duì)溫度和最佳切換時(shí)間，最大相對(duì)溫度與氣流通道的長(zhǎng)度成正比.通道的內(nèi)周長(zhǎng)的變化，會(huì)導(dǎo)致最大相對(duì)溫度的改變.最佳切換時(shí)間與間壁厚度成正比，最佳切換周期解析值和試驗(yàn)值基本吻合，證實(shí)了用半解析數(shù)值法進(jìn)行蜂窩陶瓷蓄熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操控優(yōu)化的可行性.此外，艾元方等人[21]提出了一種蜂窩陶瓷蓄熱體氣固耦合周期傳熱的數(shù)學(xué)解析研究方法.該方法忽略沿氣流流動(dòng)方向的固體導(dǎo)熱，建立了薄壁蓄熱體周期傳熱數(shù)學(xué)模型，并對(duì)線性偏微分方程組進(jìn)行了無(wú)量綱化處理，在Matlab軟件上利用拉普拉斯變換法，求出蜂窩陶瓷蓄熱體的氣固溫度連續(xù)分布函數(shù)的精確解，并獲得了溫度分布數(shù)值解，與純數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明，兩者吻合較好，說(shuō)明高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確地獲取蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱半解析數(shù)值解是可行的.

針對(duì)蜂窩體和球狀體這兩種陶瓷蓄熱體形式，歐美以球狀體為多，日本以蜂窩體為多.而我國(guó)由于受燃料結(jié)構(gòu)、換向系統(tǒng)及成本等多方面因素的影響，主要以球狀體為多.表1為陶瓷球體和蜂窩陶瓷蓄熱體的性能比較[22].

由表1可見(jiàn)，陶瓷球與蜂窩陶瓷蓄熱體各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)特定的工況合理選用.

表1陶瓷球與蜂窩陶瓷蓄熱體的性能比較

Table1Theperformancecomparisonofceramicballsandhoneycombceramicregenerator

蓄熱體性能蓄熱體形式陶瓷球蜂窩陶瓷體比表面積小大堆積密度大小蓄熱能力低高換向周期/s180～30030～60氣流方向任意直通流動(dòng)阻力大小溫度均勻性不均勻均勻使用壽命長(zhǎng)較短對(duì)材質(zhì)要求低高積灰積渣易難價(jià)格低高

除了常用的陶瓷球和蜂窩陶瓷體外，有學(xué)者對(duì)一些非常規(guī)蓄熱體進(jìn)行了研究.其中Choudhury等人[23]對(duì)以鵝卵石為蓄熱體的蓄熱式換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究.其數(shù)學(xué)求解、模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合比較好.Duprat等人[24]分別將陶瓷球、巖石和編織網(wǎng)劃分為一定數(shù)目的區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域建立能量守恒、質(zhì)量守恒方程，并對(duì)蓄熱體進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，陶瓷球蓄熱體的結(jié)構(gòu)緊湊但阻力大，編織網(wǎng)蓄熱體的蓄熱性能與孔隙率有關(guān)，孔隙率低時(shí)熱效率高但壓力損失也大，孔隙率高時(shí)與整塊巖石的性能相似.從工程應(yīng)用的角度分析，這些非常規(guī)蓄熱體沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，難以大規(guī)模使用，因此，真正適合工業(yè)應(yīng)用的蓄熱體還是陶瓷球和蜂窩陶瓷.

2.3 NOx的生成及控制

從NOx的生成機(jī)理可看出，NOx主要有熱力型和燃料型，分別簡(jiǎn)稱為T-NOx和F-NOx.其中T-NOx是由空氣中的N2在高溫下氧化生成的，而F-NOx是燃料中的氮化合物在燃燒過(guò)程中分解氧化而形成的.氣體燃料在燃燒時(shí)主要形成的是熱力型NOx，因此只要合理控制爐內(nèi)的氧濃度分布和最高溫度，就可有效地抑制熱力型NOx的生成.

Dugue J等人[25]研究了燃料與空氣射流之間的相對(duì)距離對(duì)NOx排放的影響規(guī)律，認(rèn)為燃料與空氣射流之間的相對(duì)距離對(duì)煙氣的回流、卷混和稀釋程度有很大的影響，相對(duì)距離越大，稀釋程度越大，NOx的排放就越少.但相對(duì)距離增大到一定程度后，NOx的排放減少的幅度會(huì)降低.

Wei D等人[26]采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、混合燃燒模型、Zeldovich的熱力型NOx生成機(jī)理和DO Soete快速型NOx生成機(jī)理，用離散坐標(biāo)法模擬輻射，采用對(duì)數(shù)率壁面函數(shù)，對(duì)IFRF提供的實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高溫空氣燃燒過(guò)程主要是受空氣-燃料-已燃燒氣體的混合程度的制約.

為了抑制NOx的生成，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了許多低NOx燃燒器，其中以日本研制的FDI燃燒器、德國(guó)研制的FLOX燃燒器和中國(guó)神霧公司研制的自身蓄熱式燃燒器為代表.

2.4 換向裝置及換向時(shí)間

由于高溫空氣燃燒技術(shù)需要在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣與煙氣的按時(shí)切換，因此，換向閥是其關(guān)鍵部件之一.目前使用的換向閥主要有閥體直線運(yùn)動(dòng)和閥體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種，有兩位三通閥、四通閥、五通閥及其組合等.其換向動(dòng)力系統(tǒng)主要有氣動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電-液傳動(dòng)系統(tǒng)等.表2為幾種換向閥的性能對(duì)比.

表2幾種不同的換向閥性能對(duì)比

Table2Theperformanceofseveraldifferentreversingvalve

性能指標(biāo)換向閥種類五通閥四通閥三通閥動(dòng)作時(shí)間安全性密封性控制方式成本使用壽命慢差差集中低較長(zhǎng)較好較差較好分散較高短很好較好較好分散較高長(zhǎng)

從表2可以看出，三通閥的綜合性能相對(duì)較好，在實(shí)際應(yīng)用中使用較多，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖4和圖5所示.

換向時(shí)間影響著蓄熱體的溫度效率和熱效率，同時(shí)對(duì)爐溫波動(dòng)幅度和火焰燃燒狀況也有很大影響.延長(zhǎng)換向時(shí)間，一方面會(huì)使蓄熱體的蓄熱量增加，蓄熱體的溫度相應(yīng)升高，進(jìn)而強(qiáng)化放熱階段冷空氣與蓄熱體的對(duì)流換熱，促進(jìn)余熱回收率的升高；另一方面使流過(guò)蓄熱體的空氣總質(zhì)量升高，在蓄熱量一定的情況下，單位質(zhì)量空氣所能帶走的熱量必然降低，不利于維持較高的余熱回收率.因此，選取合適的換向參數(shù)是非常重要的.

圖4 三通換向閥結(jié)構(gòu)

圖5 換向裝置的工作原理

張先珍等人[27]實(shí)驗(yàn)研究了換向時(shí)間對(duì)蓄熱式燃燒爐的爐溫波動(dòng)性、爐溫分布均勻性，蓄熱體換熱效率及爐子熱效率的影響，最后確定了在實(shí)驗(yàn)工況下的最佳換向時(shí)間為40 s，在此換向時(shí)間下，溫度效率可達(dá)98.5%，爐子的熱效率可達(dá)88.29%.

陶曙明等人[28]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法，重點(diǎn)研究了換向時(shí)間對(duì)蓄熱式均熱爐能耗的影響.結(jié)果表明：蓄熱式均熱爐存在最佳換向時(shí)間，蓄熱式均熱爐在最佳換向時(shí)間下工作時(shí)可以顯著降低能耗；換向時(shí)間影響煤氣損失量，如根據(jù)均熱爐的實(shí)時(shí)煙氣流量和排煙溫度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)換向時(shí)間，還可進(jìn)一步降低均熱爐的能耗.

劉慧等人[29]分析了換向時(shí)間與余熱回收效率之間的關(guān)系，建立了一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系式.通過(guò)此關(guān)系式找出合理的換向時(shí)間，可獲得最大余熱回收效率.并驗(yàn)證了在某一特定的工況下，考慮預(yù)熱溫度和蓄熱室空隙體積對(duì)換向時(shí)間的影響，將所計(jì)算的理論換向時(shí)間與小球的透熱時(shí)間作比較，最終得到最佳換向時(shí)間.

劉映輝等人[30]應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)兩種不同蓄熱室模型進(jìn)行了最佳換向時(shí)間的預(yù)估研究，得出在兩種工況下的最佳換向時(shí)間分別為40 s和39 s，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù).

3 結(jié) 語(yǔ)

高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)爐，大大降低了冶金企業(yè)的能耗，是一種節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)，因而被廣泛應(yīng)用.但目前國(guó)內(nèi)對(duì)高溫空氣燃燒技術(shù)的研究與國(guó)際先進(jìn)水平之間還存在不小的差距，如何設(shè)計(jì)出節(jié)能、低污染、高效率且運(yùn)行可靠的蓄熱式燃燒爐還有待熱工技術(shù)人員作進(jìn)一步研究.

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