高温空气燃烧

20世纪80年代开始，英国天然气公司（British Gas）与Hot Work 公司共同努力下，开发出一种装备有陶瓷球的蓄热式高温空气燃烧器。 该燃烧器可以称为是高温空气燃烧技术的雏形。与换热式空气预热方式 相比，该燃烧器在一个循环周期内可将助燃空气预热到1000℃的水平， 使烟气余热利用达到接近极限的水平。 但是，NOx的排放量随着助燃空气温度的升高而增加，因此，在节 能的同时却没有达到环保的目的，如何在节能与环保之间找到一个平衡 点，成为后来国内外学术界对蓄热式高温空气燃烧技术研究的重点。 20世纪90年代以后，研究旨在同时达到节能和降低CO2、NOx排放 的双重目标。日本工业炉株式会社（NFK）田中良一领导的研究小组采 用热惰性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，并使用高频换向设备后，检测到NOx 排放量减少。 当通过炉内的空气流速增大时，NOx量会进一步地减少。同时，由 于助燃空气温度很高，这使得低氧气氛的燃烧成为可能，因此，在助燃 空气中添加惰性气体制造出低氧气氛后再通入炉膛参与燃烧反应，炉内 火焰透明无色，炉内温度分布几乎均匀，不存在局部高温区，破坏了 NOx的生成条件，这也使得NOx的生成量大大降低，达到了节能和环保 的双重目标。于是，高温低氧条件下的蓄热式燃烧技术诞生了，即现在 所谓的“高温空气燃烧室技术”。
燃烧空气中的氧浓度（体积浓度）
美国有“低氮氧化物喷射”燃烧技术（LNI-Low NOx Injection）
蓄热式燃烧系统的构成
• 燃烧器 形状 • 蓄热体 换向阀 • 控制系统 材质 尺寸
蓄热燃烧关键部件--蓄热体
蓄热体的工作特性是影响高温空气燃烧指标的关键因素之一。热效率、温 度效率、压力损失及波动、使用寿命和清灰难易等都是评价蓄热室中蓄热 体性能的重要指标
氛变化为宜。集中换向控制即单个蓄热室对应若干个烧嘴，采用气
体或液体驱动。该换向方式集中了换向配臵并简化了管路，但难以 控制炉压和炉内气氛。由于换向阀距离蓄热体较远，换向操作时残 留在管道内的燃气随烟气排出，且检修时必须停产。分散换向控制 由于每个蓄热室都有自己独立的换向系统，而且换向阀可紧靠蓄热 体，因此可以克服集中换向的缺点，避免了燃料浪费，但更改换向 方式造价较高，管道布臵复杂，占地面积较大，一般适用于但烧嘴
高温空气燃烧技术
Technology of High Temperature Air Combustion
第一章 概述
高温空气燃烧技术，是20世纪90年代以来在工业炉领 域内得到大力推广应用的一项全新燃烧技术。它通过极限回 收烟气余热并高效预热助燃空气，实现了高温（1000℃以 上）和低氧浓度（2%～5%）条件下的弥散燃烧，具有大幅 度节能和大幅度降低烟气中COx、NOX等有害物质的双重
优越性。
国际权威专家誉为“21世纪的关键技术之一”。
换热式回收烟气余热阶段
存在问题： （1）其回收热量的数量有限，助燃空气的预热温度一般 不超过600℃，而烟气温度仍有500 ℃之高； （2）烟道中的换热器使用寿命短、设备庞大、投资成本 高且维修困难； （3）助燃空气的温度提高以后，火焰中心的温度也大幅 度提高，造成了炉膛局部高温区的存在，不仅影响炉 膛局部耐火材料和炉内金属构件的寿命，而且使产品 质量下降； （4）助燃空气温度的增高导致火焰温度增高，NOx的排 放量大大增加（甚至可以达到 0.1% 以上），对大气环 境仍然造成了严重的污染。
蓄热体尺寸要求：
尺寸过大，会使蓄 热室体
积庞大，换向时间长；尺寸过小， 会使换向时间缩短得很短，电气 和机械设备都不能适应，换向的 损失也随之增大，还会使蓄热体 在气流的作用下漂浮起来，破坏 稳定状态。
蓄热燃烧关键部件--蓄热烧嘴
蓄热燃烧关键部件--换向阀
换向控制有集中换向阀和分散换向控制两种。评价换向阀的主 要标准有体积大小、换向动作的快慢、机械性能的可靠程度、寿命 的长短等。换向阀的频繁动作，应以不过多影响炉内压力波动和气
℃
HTAC在烤包器上的应用
主要技术特点是：①蓄热式钢包烘烤器的排烟温度为150 ℃左右，比常规钢包烘烤装臵的排烟温度 (约1000 ℃)低很 多，充分回收了烟气余热。节能率可达 30% ～ 50% 。②由 于蓄热式钢包烘烤器为换向燃烧方式，同时又具有脉冲燃烧 特性，使得包内烟气强烈扰动，火焰对钢包内衬的加热温度 较均匀，包口与包底之间的温差≤30 ℃，能更好地满足生 产的需要。③蓄热式钢包烘烤器内火焰温度提高，热传输率 增大，加快了烘烤速度，从而缩短了烘烤时间。
环境 控制
CO2排放
NOx排放 燃烧噪音
自然排放
低NOx烧嘴 90～110dB 节能控制，低污染 等 技术已很难突破
因强烈的烟气再循环可减少30％
低氧化燃烧实现的低NOx技术 因在炉内较大区域燃烧只有70～80dB 节能控制，低污染等方面有了重大飞跃
减少 CO2排放
控制在100ppm 降低噪音 是21世纪关键技术之一
第二章
低氧弥散燃烧过程物理化学特性
高温空气燃烧（High temperature air combustion）; 低氧燃烧（Low oxygen combustion）; 稀 薄 燃 烧 或 稀 释 燃 烧 （ Dilution combustion, 或 Oxygen-diluted combustion, ODC）; 低NOX燃烧（Low NOX emission combustion ）; 无焰燃烧（Flameless combustion, colorless combustion）; 无焰氧化（Flameless Oxidation, FLOX）; 蓄热燃烧（Regenerative combustion）; 低氮喷射燃烧（Low NOx injection combustion, LNIC）; 中度强化稀氧燃烧（ Moderate and Intensive Low-oxygen Dilution Combustion, MILD） 强调：发生条件、排放特性、外观特性、依赖的技术。 低氧弥散燃烧（Dispersion combustion with low Oxygen-content, DCLO）
型蓄热室。
蓄热燃烧关键部件--换向阀
五 通 换 向 阀
空气入口
旋 转 换 向 阀
直 通 四 通 阀
接烧嘴A 烟气出口 接烧嘴B
两 位 三 通 阀
高温空气燃烧的应用
20世纪90年代，日本工业炉协会（NFK）承担了HTAC技术为 核心的日本“高性能工业炉的开发”项目。仅1999—2000年，日 本就将高温空气燃烧技术应用到 41 台加热炉、55 台热处理炉和 13 台熔炼炉上；并先后将其广泛应用于各种炉窑、钢包烘烤器和辐射 管加热器上。此外，还将其燃烧技术应用于固体燃料气化、燃料再 处理与转化等领域；开发了 MEET（多阶段焓提取技术）新项目， 用于处理固体废弃物等物质。另外，美国与日本合作，开发了先进 的MEET-IGCC生物质燃料气化系统。 近年来，中国一直致力于高温空气燃烧技术的研究开发与应用 ，特别是在技术应用方面取得了很大进步。在消化吸收国外先进技 术的基础上，在蓄热式烧嘴、蓄热体材料等方面拥有了几十种专利 ，并在冶金行业的上百座轧钢加热炉、均热炉、热处理炉、玻璃窑 、熔铝炉、锻造炉、钢包烘烤器等窑炉上成功应用，取得了显著经 济效益。
在工业锅炉百度文库的应用
将高温空气燃烧技术应用于传统工业炉的技术改造,对提高锅炉热效率， 减少环境污染 ,降低金属消耗，提高其运行的经济性等具有极其重要的意义 。日本已成功地开发了采用高温空气燃烧的锅炉（ＨＴＡＣ）锅炉，并建造 了示范工厂。与传统的锅炉相比，HTAC锅炉的特点是：①新型锅炉采用高 效蜂窝体可使预热回收率达到80％以上，炉内温度分布均匀，辐射能力因燃 料裂解而明显增强，换热效率显著提高。②由于烟气平均温度提高，使得炉 内辐射换热得以强化；由于省去了常规锅炉的对流换热段，使得体积明显缩 小。③污染显著降低。④能够燃用低热值燃料，不发生点火困难和熄火问题 ，燃料适应性范围扩大。⑤易获得高温高压蒸汽。
高温空气燃烧烧嘴型式
二次燃料 一次燃料 冷却空气 助燃空气 燃气 蜂窝体蓄热室 炉子内部 助燃空气/废气 炉墙 炉内烟气 高温预热空气
燃气+冷却空气
FDI烧嘴
• HRS烧嘴
日本开发了HRS烧嘴和FDI烧嘴，原理是利用额外热焓减 少NOx的排放。
燃料喷口
空气与烟气通道
FLOX烧嘴结构示意图
德国发展的所谓的“无焰氧化”燃烧技术（FLOXFlameless Oxidation）
蓄热燃烧工作原理
燃料
燃料
燃烧器 B
炉温 1350℃ 钢板 1250℃
空气 排气 150℃ 切换阀
预热空气
1000℃
蓄热燃烧工作原理2
燃料 燃烧器 A
燃料 燃烧器 B
炉温 1350℃
钢板 1250℃
空气 排气
蓄热室B
蓄热室A
切换阀
具有大幅度节能和大幅度降低烟气中NOX排放的双重优越性。
HTAC技术的优势主要是:
意大利具有所谓的“中度与强化的低氧稀释”燃烧技术（MILDModerate and Intensive Low Oxidation Dillution）
2500 富氧空气 贫氧空气
2000
绝热燃烧温度
1500 温 度 / ℃
富 氧 火 焰
常 规 火 焰
MILD模式
1000
自动着火 500
0 29％ 25％ 21％ 17％ 13％ 9％ 5％
(1）回收烟气余热85%～95%，节能效果显著。 （2）炉温分布均匀，有助于提高产品产量和质量，延长 炉内相关设备寿命。 （3）COx和NOx排放量大大减少。 （4）扩展了低热值燃料的应用范围。借助高温预热的空 气，可以使低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、 低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）点火容易， 不脱火，并且可以获得较高的炉温。
HTAC在加热炉上的应用
高温空气燃烧技术与传统燃烧技术在加热炉上的应用对比
技术 项目 提高炉膛温度 传热 脉冲燃烧特性 炉内温度差 预热空气温度 节能 降耗 减少或取消 预热段 调节比 燃烧 控制 可分区域控制 出炉温度控制 传统燃烧 局部高温存在 每控制段的烧嘴能力 同时升降 150～200℃ 250～550℃ 因集中预热而不可能 一般为1～1.5 因集中排烟而困难 热惰性大，不适应出 炉温度频繁的变化 高温空气燃烧 可提高炉内的平均温度 且炉内温度均匀 每个烧嘴不受相邻烧嘴能力大力影响 20～50℃ 900～1000℃ 分散式余热回收使极限余热回收可能 最大可达到20 分散排烟容易 热影响性好，适合不同出炉温度的变化 应用效果 高传热率，高加热速度， 炉子尺寸减少 强化炉气循环，缩短加热时间 提高加热质量，减少氧化烧损 节能30％以上 设备尺寸减少，可节能 ， 提高生产率 效率大大提高 适应各种轧制节奏 实现自由轧制过程
在固体废弃物气化工艺上的应用
运用高温空气燃烧技术进行高温煤气化和垃圾等废弃物固体燃 料的气化，是高温空气燃烧技术的一个重要领域。此领域的应用当 首推日本政府启动的 MEET(Multi-staged Enthalpy Extraction Technology ，即“多级焓提取技术”) 新技术开发项目，目前已处 于商业化阶段。它主要包括蒸汽 / 空气重整式（ STAR-MEET ）和 高温空气气化多级焓提取技术（HTAG-MEET）两类系统。
辐射管燃烧器
应用高温空气燃烧技术的蓄热式辐射管燃烧器主要用于金属材料的热处 理工艺设备上，如可控气氛炉、塔式炉、辊底式炉、真空热处理炉、高速带 钢连续热处理炉和带钢热镀锌用退火炉等，取得了很好的效果。它具有热效 率高、节能效果好、污染排放少、适应性强等优点。以日本研制的双端式辐 射管燃烧系统应用实践为例，其单管可节能30％以上；热效率为62.8％（传 统辐射管为44.7％）；废热回收率为72.4％（传统辐射管为23.3％）；温差 约 45C （传统辐射管约 80C ）；所排废气中 NOx 为 81×10-6 （传统辐射管 为80～90×10-6）；CO2的年排放量降低了1089 t。
总评价
0 70
%
60
50
50-60%
预热前窑炉出口排烟温度(℃) 1400 1200 1000 800 600
燃 料 40 节 约 率 30
20
25-30%
以往的水平
节 能 潜 力
400
10
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
预热空气温度
出处：NFK公司（日本)：产品目录