高温空气燃烧(HTAC)关键技术概述

doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2019.05.002
高温空气燃烧（HTAC）关键技术概述
□同济大学机械与能源工程学院（201804）杨钧秦朝葵
摘要：高温空气燃烧（HTAC）技术可在工业炉中同时提高燃烧强度并抑制NOx排放：本文简要综述了HTAC的基本原理和设备，讨论了该技术的高效与减排特性，并介绍了蓄热室设计
优化与燃料适应性研究方面的新趋势：
关键词：高温空气燃烧（HTAC）蓄热体优化抑制NOx机理燃料适应性
随着人口增长和经济发展，能源需求量急剧增加，目前80%，的能源消费均由化石燃料的燃烧转化而来叫工业炉是众多燃烧设备中的耗能大户，其热效率的提高往往以高污染为代价。

上世纪90年代，日本的研究人员在实验中发现：高速喷射（90m/s）的燃气与由蓄热室预热到1600K的空气混合燃烧时，火焰变得不可见了，但可根据烟道中极低的氧浓度推断出燃烧反应已完成；虽然预热温度很高，但烟道内NOx 浓度却不高（低于80ppmv）,这种新的燃烧方式被命名为高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion,HTAC）叫另外也有研究人员将其称为“无焰燃烧”（Flameless Combustion）、"无焰氧化"（Flameless Oxidation,FLOX）⑴、“中度或重度低氧稀释”燃烧（Moderate&Intense Low Oxygen Dilution,MILD）141o 本文简要介绍HTAC的系统组成、原理及研究与应用动态。

1HTAC工作模式
如图1所示，一个简单的HTAC系统由成对的燃
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烧器、蓄热体和换向阀以及相应的控制系统等组成。

当B燃烧器工作时，室温下的助燃空气被B燃烧器内已预热的高温蓄热体加热，喷入炉内，与燃气混合燃烧。

经炉内换热以后，由A燃烧器排出炉外，同时加热A燃烧器内的蓄热体。

经过适当时间后，通过换向阀的切换，转为A燃烧器工作、B燃烧器排烟，如此循环往复，完成蓄热、放热过程。

换向的频率通常设置为每次20s~120s叫
2HTAC关键设备
2.1蓄热室
蓄热体是蓄热式燃烧器的重要组成部分。

作为蓄热介质，蓄热体不仅耐高温，而且在沿气流方向承受较大的热应力（温度梯度）。

实际应用中，蓄热体通常是由氧化铝和其他更便宜的材料合成的，统称为陶瓷。

这些陶瓷的比热容和导热系数通常较小，可保证较高的储热能力和较低的散热率。

陶瓷蓄热体的结构主要分为两类：一类是用球形陶瓷填充床，如图2a所示，陶瓷小球是随机排列的，这种球形填料床的压降通常较大问。

另一类是蜂窝结构，如图2b所示，均匀布满六边形或方形孔道，这种结构的比传热面比球形陶瓷大，同时质量仅为同等体积球形蓄热体的一半巾。

此外蜂窝状流道还具有截面积大、压力损失小、粉尘堵塞少等优点。

一个设计良好的蜂窝陶瓷蓄热体可将空气预热到很高温度，最高可以仅比工作温度低50七同。

速度较慢。

HTAC系统中使用的烧嘴如图3所示，气体通过中心管和中心烧嘴进入炉膛，而助燃空气通过设置在燃气烧嘴周围的孔口射入炉膛，燃气和助燃空气几乎平行，且速度较快，因此动量大，喷射距离长，大量卷吸周围烟气，降低反应区的最高温度，从而减少NOx生成；混合燃烧区域一般在烧嘴的下游，可以形成更大的热氛围区域。

图3HTAC技术烧嘴示意图
3关键技术问题及研究进展
3.1蓄热体内的换热
图4为蓄热体的能流图。

在蓄热过程中，烟气从热侧进入蓄热体，将热量传递给蓄热体后排出。

在放热过程中，助燃空气从冷侧进入，吸热后进入炉内混合燃烧。

冷侧］蓄热体；热侧
a球形蓄热体b蜂窝蓄热体
图2蓄热体外观
2.2烧嘴
工业炉大多采用扩散式燃烧，扩散式烧嘴的气流
图4蓄热体能流图
一般工业炉中的空气预热器空气温度不超过400P,效能也一般在50%以下；而理想蓄热体预热的助燃空气温度可以超过1000T,同时效能达到80%左右叫
蓄热器传热优化是HTAC技术应用中的重要问题，也是影响整体节能效果的主要因素。

由于烟气的放热和助燃空气的吸热过程在同一个蓄热室内交替进行，较之常规空气预热器，蓄热体不仅要关注一个周
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期
杨钧等•高温空气燃烧(HTAC)关键技术概述
期内的对流传热问题，还要考虑自身蓄热能力以及蓄热的周期长短，故在材质一定的情况下，蓄热体的结构和两种工作模式的切换时间对传热优化有着重要影响，许多研究者对此进行了研究：瑞典Rafidi等人对蜂窝蓄热器的传热性能进行了数值仿真研究。

他们发现，经过短时间的持续升温，蓄热体可以达到周期性的稳态，固体的平均温度以及进出口温度停止继续上升，呈现周期性稳定变化闻。

游永华等人通过三维数值模拟研究发现，当减少切换时长时，效能和预热空气温度都将增加，而上述性能指标也会随着通道长度的增加而增加闵。

袁飞等人通过数值模拟比较了蜂窝陶瓷蓄热器开孔形状对传热性能的影响。

他们发现方形开孔比六边形开孔蓄热体具有更高的能量回收率，但同时压力损失更大。

随着开口尺寸的减小，效能明显增加，但压力损失也会增大㈣。

3.2NOx减排
工业炉窑由于工艺要求，一般温度较高，NOx的来源是热力型NO。

大多数抑制NOx的技术都采取了降低峰值温度、降低高温区域存在时间和降低氧浓度等措施。

常规炉窑中抑制NOx的技术有火焰冷却、分级燃烧、烟气再循环、再燃、纯氧燃烧等叫
HTAC技术采用的是烟气再循环来降低NOx,通过内部燃烧器结构的气体动力学设计，将烟气引入到尚未燃烧的助燃空气或燃气中，不需要额外的动力设备，烟气再循环比定义为
M a
K v=.A.(1) M b+M/.
式中：血为烟气流量；必为燃料流量；M l为空气流量。

烟气再循环比总对峰值温度的影响可由下式估计
&+f、(2)
K v+1
式中％”为使用烟气再循环后燃烧产物的最高温度；&为未反应的燃料、空气和循环的烟气混合物的温度；&討为绝热燃烧温度。

由此可见，理论上只要增加心可以降低炉内的峰值温度，从而减少NOx生成，但要考虑到另一个重要问题就是火焰的稳定性，当K”足够大时，火焰会变得不稳定，甚至燃烧不会发生。

一般来说，为了获得稳定的燃烧，K、应该保持在0.3以下，如图5的A区域。

当K”超过0.3时，若炉内温度低于自燃温度，炉内不会发生反应；若炉内温度超过了自燃温度时，燃烧也会不稳定，：toB区域"1。

而上世纪90年代，德国研究人员Wunning通过实验中发现，在更高的温度和更高的K、下，也存在稳定的燃烧，如图5的C区域，理想情况下，火焰会变得透明。

实现这种燃烧的方法，也就是HTAC技术抑制NOx生成的方式，可以用图6的概念循环来介绍：首先，经过预热的助燃空气射入到区域I卷吸烟气，与热力型NO形成有关的混合物峰值温度和氧浓度都会降低，然后燃气注入到下游的区域口实现完全燃烧。

热烟气根据特定的工艺先加热工件，然后一部分从炉
助燃空气
生产用热
排烟
in
1¾¾¾¾¾^¾¾¾¾¾¾%¾
燃料
i n
图6HTAC燃烧过程循环概念图
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膛抽出，对燃烧空气进行预热，另一部分被空气射流
卷吸，完成再循环。

这种方法结合了前面所述烟气再循环技术和高温高速空气，实现了HTAC状态的燃烧，使得NOx的浓度被控制在极低的水平。

经研究发现，对于以天然气为燃料，为了实现这种HTAC状态下的无焰燃烧，烟气再循环率K”应大于4,炉温应高于800T-850T，同时，增加空气射流速度可以提高温度均匀性口。

3.3燃料适应性
虽然HTAC技术中最常使用的燃料是天然气，但由于助燃空气预热温度高，一些以往难以应用的低热值的燃料也可以被HTAC技术使用.实现高效、减排的目标。

意大利Cavigiolo等人发现，当K”>5并且炉温度超过800七时，低热值的生物质气也可以实现无焰燃烧，烟气中NOx浓度很低。

日本Kawai等人将HTAC 技术应用到以煤气化产生的低热值气体为燃料的锅炉上，降低了NOx排放低，同时具有传热性能好、噪声小等优点荷兰Zhu等人将HTAC技术应用于乙醇喷雾燃烧，并讨论了不同氧浓度和炉温对喷雾燃烧共流条件的影响网。

4结语
高温空气燃烧（HTAC）技术在与传统工业炉的燃烧技术相比主要特点如下：首先，助燃空气和烟气通过蜂窝陶瓷蓄热体间接交换热量，辅以对蓄热体结构和换向频率的优化设计，效能普遍高于空气预热器。

其次，高速喷射出的高温预热空气能够在内部卷吸烟气，降低了氧浓度，使温度分布趋于均匀，温度峰值降低，减少NOx排放。

另外，由于预热空气的热量大，更多的低热值燃料可以得到应用：
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