連續(xù)式換熱高溫低氧燃燒爐內(nèi)煙氣組分研究

王 龍，吳晉湘

（1. 河南安鋼澤眾冶金設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455004；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion，簡(jiǎn)稱HTAC），亦稱無(wú)焰燃燒技術(shù)，是一種集高效、節(jié)能、低排放多重優(yōu)勢(shì)于一體的新型燃燒技術(shù)[1-2]。早在20 世紀(jì)90 年代初，日本和德國(guó)就最先開始了該技術(shù)的研究[3-4]，近幾年，國(guó)內(nèi)高校和企業(yè)合作，運(yùn)用該技術(shù)對(duì)全國(guó)數(shù)十家鋼鐵企業(yè)的熱工設(shè)備進(jìn)行了蓄熱式改造，并取得了顯著的節(jié)能效果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益[5]。該技術(shù)的基本思想是讓燃料在高溫低氧濃度氣氛中燃燒，它包含兩項(xiàng)基本技術(shù)措施：一是采用溫度效率高、熱回收率高的蓄熱式換熱裝置，最大限度地回收煙氣顯熱，用于預(yù)熱助燃空氣，從而獲得溫度接近爐內(nèi)煙氣溫度的高溫助燃空氣； 二是利用燃料分級(jí)燃燒技術(shù)和高速氣流卷吸爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物，稀釋反應(yīng)區(qū)域的氧濃度，減少燃燒區(qū)域的局部高溫，有效控制 NOx排放[6-7]。王愛(ài)華等[8]及胡雅琴[9]分別在不同的空氣預(yù)熱溫度和氧氣濃度下對(duì)火焰燃燒特性和污染物的排放進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究；YANG W H 等[10]對(duì)燃燒爐內(nèi)的各種氣體組分進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，得出裝有蓄熱式燃燒器的爐子更加高效節(jié)能；MI J C 等[11]利用高動(dòng)量初始射流來(lái)增強(qiáng)爐內(nèi)煙氣卷吸；賈力等[12]采用爐外煙氣再循環(huán)技術(shù)，對(duì)高溫空氣燃燒室的溫度分布、NOx排放及燃燒特性進(jìn)行了研究。大量的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用表明，蓄熱換向式的燃燒技術(shù)是間歇式排煙、脈沖式燃燒，頻繁的換向操作容易造成爐內(nèi)溫度和壓力的波動(dòng)，燒嘴的堵塞、結(jié)焦、斷火，蓄熱體的積灰、變形、坍塌等諸多問(wèn)題[13]。張建軍等[14]開發(fā)了可連續(xù)燃燒的自蓄熱高溫空氣燃燒器，克服了爐內(nèi)溫度場(chǎng)、壓力等的波動(dòng)，提高了燃燒效率，實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔庥酂岬摹皹O限穩(wěn)定回收”以及高溫低氧空氣的“連續(xù)燃燒”。

本文作者集中了煙氣自循環(huán)技術(shù)與高溫空氣燃燒技術(shù)兩者的優(yōu)勢(shì)，采用煙氣自循環(huán)燃燒器和高效間壁式換熱器，搭建了可連續(xù)換熱的高溫空氣燃燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需換向裝置即可進(jìn)行高溫低氧空氣的連續(xù)燃燒。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，對(duì)比分析了連續(xù)式換熱高溫空氣燃燒爐內(nèi)煙氣組分濃度隨空氣預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由煙氣自循環(huán)燃燒爐、 間壁式換熱器和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（見(jiàn)圖1）。煙氣自循環(huán)燃燒爐體模型為圓柱形，長(zhǎng)0.8 m，內(nèi)徑0.36 m。爐膛兩側(cè)共有8 個(gè)對(duì)稱布置的觀測(cè)窗口，爐膛保溫層由耐火泥層、陶瓷纖維層、玻璃棉層組成。燃燒器采用煙氣自循環(huán)燃燒器，該燃燒器是根據(jù)文丘里引射器原理設(shè)計(jì)出的一種利用空氣動(dòng)能引射爐內(nèi)煙氣回流的燃燒裝置，煙氣與空氣混合后可將氧濃度稀釋并將空氣進(jìn)行二次加熱[15]。

空氣氣源由空氣壓縮機(jī)提供，流經(jīng)緩沖罐、控制閥門、智能渦街流量計(jì)，進(jìn)入間壁式換熱器與高溫?zé)煔膺M(jìn)行連續(xù)換熱，生成高溫助燃空氣；燃料采用高純度丙烷，由質(zhì)量流量計(jì)控制噴入爐膛與高溫空氣混合燃燒；煙氣流過(guò)間壁式換熱器后沿?zé)煹琅懦觥?/p>

2 數(shù)值模擬方法

圖1 連續(xù)式換熱高溫空氣燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

本文所采用的燃燒系統(tǒng)模型如圖2 所示。煙氣自循環(huán)燃燒器包括引射回流管、 混合室和擴(kuò)壓段三部分?？諝馔ǖ罏榄h(huán)形結(jié)構(gòu)，經(jīng)空氣預(yù)熱器換熱生成的高溫助燃空氣，與引射來(lái)的煙氣混合后噴入爐膛，中心管為燃?xì)鈬姽?，燃燒器后為爐膛及煙道部分。本文對(duì)燃燒系統(tǒng)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，把8 個(gè)空氣噴管簡(jiǎn)化成一個(gè)環(huán)形噴管，煙氣回流通道轉(zhuǎn)化成環(huán)形的規(guī)則形狀，在Gambit 中按1∶1 畫出模型并生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖3 所示。為了更好的分析氣流的流動(dòng)情況，根據(jù)氣流的流向，在速度較大的區(qū)域采用密集的網(wǎng)格劃分，并采用Fluent 軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬[16]。

圖2 燃燒系統(tǒng)模型示意圖

圖3 煙氣自循環(huán)爐膛模型網(wǎng)格劃分示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在火焰能長(zhǎng)期穩(wěn)定燃燒的工況范圍內(nèi)，選取了空氣流量為25 m3/h，燃料流量為0.48 m3/h，丙烷在常溫下送入爐膛，常溫空氣經(jīng)間壁式換熱器預(yù)熱后進(jìn)入爐膛進(jìn)行燃燒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 爐膛尾部的煙氣變化

圖4～圖7 分別為爐膛尾部測(cè)量區(qū)域的O2、CO2，CO、CxHy、H2，NOx和爐內(nèi)壓力隨著空氣預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)。從圖4 和圖5 中可以看出，實(shí)驗(yàn)剛開始的一段時(shí)間內(nèi)，空氣預(yù)熱溫度和爐內(nèi)的溫度并不高，爐膛尾部的O2體積濃度瞬間由21.2%迅速下降到了15.1%，CO2的體積濃度也迅速上升到了4.3%；還生成了大量的中間產(chǎn)物 CO、H2和 CxHy，CO 體積濃度最高達(dá)到了 908.7×10-6，CxHy最高達(dá)到 531.1×10-6，H2也達(dá)到了154.4×10-6。隨著燃燒的繼續(xù)進(jìn)行，空氣預(yù)熱溫度越來(lái)越高，爐內(nèi)的溫度水平也逐漸升高，丙烷燃燒得也越來(lái)越充分，CO、H2和CxHy在爐膛尾部的含量大大減少，H2和CxHy分別迅速下降到了83.5×10-6和 9.7×10-6，最后都減少為 0，CO 則隨著反應(yīng)的進(jìn)行最終逐漸下降到了 43.3×10-6；O2、CO2的體積濃度也分別穩(wěn)定在了12.6%和5.5%； 圖7 爐膛內(nèi)部的負(fù)壓也從開始的-0.1 hPa 逐漸下降到了-0.4 hPa。

圖4 O2 和 CO2 體積濃度變化圖

圖5 中間產(chǎn)物 CO、CxHy、H2含量變化圖

圖6 NOx 含量變化圖

圖7 爐內(nèi)壓力變化圖

圖6 中NOx排放量隨著空氣預(yù)熱溫度的增加先快速增加后略有下降，再繼續(xù)上升，但NOx排放量最高并沒(méi)有超過(guò) 50×10-6。NOx中幾乎全是 NO，NO2的生成量很少，幾乎可以忽略不計(jì)。在實(shí)驗(yàn)初始階段，空氣預(yù)熱溫度和爐內(nèi)的溫度并不高，燃料濃度相對(duì)富裕，此時(shí)快速型NO 大量生成，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，爐內(nèi)的溫度也迅速上升，已生成的快速型NO 部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g產(chǎn)物，再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的反應(yīng)生成了大量的熱力型NO，因此才會(huì)出現(xiàn)圖中總NO 生成量先略有下降后又上升的變化趨勢(shì)。

3.2 爐內(nèi)火焰燃燒狀態(tài)

圖8 為不同空氣預(yù)熱溫度下分別從第一、 第二及第三觀察窗（從右至左）拍攝的火焰燃燒情況。從圖中的火焰變化情況來(lái)看，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰的體積略有變大，火焰顏色變亮，尤其是在第二、第三觀察窗的位置，第二觀察窗的黃色火焰逐漸變成了亮白色，使整個(gè)爐膛更加透亮；第三觀察窗中雖只有少量的火焰鋒面，但是此處的爐膛依然十分明亮，溫度也很高；而第一觀察窗中的藍(lán)色火焰增多，大量的藍(lán)色火焰在亮黃色火焰的映襯下顯得像薄霧一樣，甚至有時(shí)火焰鋒面消失，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被誤以為火焰熄滅。

圖8 不同空氣預(yù)熱溫度下火焰燃燒狀態(tài)對(duì)比圖

4 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 模擬工況

為了更好的同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，模擬時(shí)選擇與實(shí)驗(yàn)相同的工況，工況如表1，采用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

表1 模擬工況

4.2 爐膛尾部煙氣組分對(duì)比分析

圖9～圖12 分別為爐膛尾部煙氣組分CxHy，CO、H2，CO2、O2和 NOx隨空氣預(yù)熱溫度變化趨勢(shì)的對(duì)比分析。圖9 表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果中，在空氣預(yù)熱溫度大于550 K 時(shí)，爐膛尾部碳?xì)浠衔锏暮渴冀K保持為0，說(shuō)明燃料在爐膛內(nèi)都得到了充分的燃燒。圖10 中CO 和H2隨空氣預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)略有不同。實(shí)驗(yàn)所測(cè)到的爐膛尾部H2含量很少，幾乎可以忽略不計(jì)，而CO 則是隨空氣預(yù)熱溫度由最初的 425.8×10-6大幅度下降到了 43.3×10-6； 而數(shù)值模擬的結(jié)果則顯示為H2和CO 分別由375.9×10-6和432.5×10-6呈線性下降到了 263.6×10-6和 308.7×10-6，二者下降的斜率也很相似。圖11 中實(shí)驗(yàn)得出的O2和CO2濃度隨空氣預(yù)熱溫度的變化分別基本穩(wěn)定在了12.6%和5.5%左右，數(shù)值模擬的O2和CO2濃度則是分別穩(wěn)定在了13.0%和4.4%左右，實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)果相差不大。圖12 可以看出，在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果中，爐膛尾部NOx的排放量都隨著空氣預(yù)熱溫度的增加而增加，分別由 20.5×10-6和 3.5×10-6上升到了 30.5×10-6和 13.0×10-6，二者的 NOx排放量均未超過(guò)50×10-6，一方面是由于爐內(nèi)的溫度還不足以大量生成NOx，另一方面是因?yàn)闊煔庾匝h(huán)使大量的煙氣參與回流，強(qiáng)化了爐內(nèi)反應(yīng)物的混合，使?fàn)t膛內(nèi)的氧氣濃度得到了稀釋，從而溫度分布更加均勻，有效地控制了NOx的生成和排放。

圖9 CxHy 含量對(duì)比圖

圖10 CO 和H2 含量對(duì)比圖

圖11 CO2 和O2 體積濃度對(duì)比圖

圖12 NOx 生成量對(duì)比圖

4.3 燃燒器特性分析

圖13 和圖14 分別為煙氣自循環(huán)燃燒器影響助燃空氣的含氧濃度和預(yù)熱溫度的模擬結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，采用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量的難度較大，因此只進(jìn)行了數(shù)值模擬。從圖中可以看出，參與回流的高溫低氧煙氣可以將助燃空氣進(jìn)行二次稀釋和加熱。當(dāng)空氣預(yù)熱溫度為573 K，含氧濃度為21%時(shí)，在引射器喉部助燃空氣氧濃度下降至16.9%，溫度上升至814 K，在引射器出口即爐膛入口處，由于高速射流卷吸了周圍的燃燒產(chǎn)物，進(jìn)一步稀釋和加熱了助燃空氣，此處的氧氣濃度為16.7%，溫度為831 K。隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，煙氣自循環(huán)燃燒器稀釋和加熱助燃空氣的效果越來(lái)越好，引射器喉部、煙氣回流通道和引射器出口處氧氣濃度逐漸下降，溫度逐漸上升。

圖13 氧氣濃度變化圖

圖14 溫度變化圖

由于受到換熱器材質(zhì)的限制以及爐體還存在著散熱和漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣的預(yù)熱溫度距離高溫空氣燃燒的理想高溫條件還有一段距離，再加上數(shù)值模擬時(shí)對(duì)燃燒爐模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同模擬結(jié)果在數(shù)值上存在差異，但是隨著空氣預(yù)熱溫度的增加，爐膛尾部煙氣成分的變化趨勢(shì)是基本一致的。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬的對(duì)比分析可以看出，除了由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和數(shù)值模擬的簡(jiǎn)化造成的數(shù)據(jù)誤差外，爐膛尾部各煙氣成分隨著空氣預(yù)熱溫度增加的變化趨勢(shì)是基本吻合的。

（2）連續(xù)式換熱高溫空氣燃燒系統(tǒng)避免了蓄熱換向式高溫空氣燃燒所帶來(lái)的燃燒不連續(xù)及爐溫、爐壓的波動(dòng)等許多問(wèn)題，還省去了頻繁換向的大量能耗，有很高的研究?jī)r(jià)值，但是若要提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，在換熱器的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的采集和燃燒爐的保溫密封方面仍需要進(jìn)一步的完善。