1、三種熱風(fēng)爐無焰燃燒技術(shù)的研究及應(yīng)用摘要熱風(fēng)爐無焰燃燒最初的目的是抑制NOx的形成和提高燃燒的熱效率。在進(jìn)一步的研究中，現(xiàn)有三種不同的無焰燃燒技術(shù)，它們分別是高溫空氣燃燒（HTAC）、普溫空氣燃燒（NTAC）和無焰氧燃料燃燒。本篇論文描述了這三種不同的燃燒技術(shù)，以及它們在以氣體、液體、固體為燃料燃燒時的特性，和它們在工業(yè)上、科學(xué)研究上的應(yīng)用。這些無焰燃燒需要運(yùn)用一定燃燒技術(shù)來保證均勻的燃燒溫度分布、較低的耗油量和高生產(chǎn)率，例如運(yùn)用水煤氣法或使用低發(fā)熱值的燃料。關(guān)鍵詞高溫空氣燃燒；普溫空氣燃燒；無焰氧燃料燃燒.介紹化石燃料，例如煤、石油、天然氣，已經(jīng)被社會使用了上百萬年。高速發(fā)展的工業(yè)化道路和人口

2、的迅猛增加已經(jīng)導(dǎo)致了地球自然資源的過快利用。這將會直接導(dǎo)致化石燃料在未來的某一天完全枯竭。同樣，在本世紀(jì)，因?yàn)榭諝獾奈廴荆藗冊絹碓蕉嗟年P(guān)注到了化石燃料的正確使用。這些污染物有CO、CO2、NOx、碳?xì)浠衔?、煙塵等，其中顆粒狀物質(zhì)、金屬物資和呋喃樹脂被優(yōu)先考慮。全球氣候變暖是溫室效應(yīng)的直接后果，例如CO2和甲烷。環(huán)境問題和燃料資源的限制是設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)的首要考慮對象。這些限制條件使得研究人員和燃燒系統(tǒng)制造商不得不研究低污染和高效率的燃燒系統(tǒng)。1989年，一次在使用自療養(yǎng)燃燒器做實(shí)驗(yàn)的時候，發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。在鍋爐溫度1000 oC和空氣預(yù)熱溫度650 oC時，看不到任何火焰，也檢測不到任何

3、紫外線信號，見圖1。盡管這樣，燃料卻被完全燒焦。燃燒產(chǎn)物中一氧化物的含量低于1ppm。NOx的排放量在個位數(shù)上幾乎為零，起初以為是NO分析器的機(jī)械故障。這個燃燒很穩(wěn)定、很平靜，而且沒有火焰。于是給它命名為無焰燃燒。無焰燃燒技術(shù)已經(jīng)被研究了19年。無焰燃燒的主要特點(diǎn)是燃燒時沒有火焰前鋒，而且控制容積的反應(yīng)是基本統(tǒng)一的。無焰燃燒具有降低火焰燃燒溫度的優(yōu)點(diǎn)，因此減少的NOx的生成量。.基本定律在回?zé)崞髦校脧U氣的余熱給易燃物預(yù)熱是無焰燃燒的一個有實(shí)際應(yīng)用效果的理論技術(shù)。許多研究報(bào)告中都提到了這項(xiàng)技術(shù)2，Weinberg et al.3在燃燒熱焓中提出了回?zé)嵫h(huán)燃燒的概念。在燃燒過程中產(chǎn)生的燃燒總能

4、量表示如下：其中，是最終溫度，是初始溫度，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來的熱量，是附加的熱量，和是兩個不同狀態(tài)下的焓值。因?yàn)槿紵到y(tǒng)的總能量是燃料化學(xué)能和燃料通過廢氣預(yù)熱吸收的能量總和，所以它高于反應(yīng)物本身，如圖24?；?zé)岵糠治盏臒崃渴沟萌紵郎囟忍岣?，因此反映段的燃燒溫度會比傳統(tǒng)的反映段燃燒溫度高很多。對于絕熱系統(tǒng)，廢氣溫度會降低很多，燃燒的溫度和強(qiáng)度也高于無回?zé)崞鞯南到y(tǒng)，并且燃燒熱效率也得到了很大的提高。有三種技術(shù)都可以達(dá)到無焰燃燒。它們各自的燃燒方式的最主要區(qū)別在于燃燒時氧氣濃度的不同。根據(jù)燃燒特性的不同，它們分別命名為高溫空氣燃燒、普溫空氣燃燒和無焰氧燃料燃燒。.不同的技術(shù)A 高溫空氣燃燒高溫空氣燃

5、燒（HTAC）技術(shù)的主要特點(diǎn)是預(yù)熱溫度很高，它的低能耗、穩(wěn)定的火焰和低NOx排放吸引了眾多的科學(xué)研究。這項(xiàng)技術(shù)有時也稱為無焰氧化（FLOX）、低氮氧化物輸入（LNI）或高效低氧（MILD）燃燒。5高溫空氣燃燒的概念是基于使用蓄熱室將空氣有效的預(yù)熱。排出的煙氣把蓄熱室加熱。燃燒的進(jìn)行是靠內(nèi)部煙氣的再循環(huán)，和低氧條件下的高溫空氣加熱。6作為一種新的燃燒技術(shù)，HTAC技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)有很大的區(qū)別。它在某些方面有著獨(dú)一無二的特點(diǎn)，例如燃燒條件、反應(yīng)機(jī)理和火焰特征。由于高溫空氣（大約1000 oC）的噴射速度很快，因此氧氣分子數(shù)很少，而且只有很少的燃料分子與氧氣分子混合并在燒嘴處燃燒，更多的燃料分子是被空

6、氣流帶到了遠(yuǎn)離燒嘴的爐膛中，然后在爐膛中燃燒。所以其燃燒特性完全發(fā)生了變化。其特點(diǎn)是燃燒反應(yīng)發(fā)生在一個寬廣的區(qū)域中，有時幾乎是在整個爐膛中，而且沒有可見的火焰。燃燒溫度均勻地分布在爐膛空間中，沒有哪個部分的溫度會或高或低。到目前為止，高溫空氣燃燒技術(shù)已成功地應(yīng)用于一些行業(yè)，包括鋼鐵、電力、化工等行業(yè)。然而，它僅限于使用氣態(tài)燃料的設(shè)備。高溫空氣燃燒技術(shù)對于液體燃料和固體燃料是否可行，以及如何運(yùn)用依然是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。如何將高溫空氣燃燒技術(shù)運(yùn)用于液體燃料仍然是目前的研究目標(biāo)。Roman Weber7致力于輕油（LFO）和重油（HFO）的研究，在1300 oC的條件下，20%的氧，60%的氮，14%

7、的水蒸氣，6%的二氧化碳。輕油的燃燒過程和天然氣非常的相似。然而，重油和煤的燃燒差異卻極其顯著，而且燃燒時火焰是基本可見的。A.Milani和A. Saponaro 8通過圖3展示了運(yùn)用HATC技術(shù)燃燒重油時的燃燒情況。NOx的排放量從火焰燃燒模式的250ppm降到無焰燃燒模式的10ppm。自從煤是主要能源以來，這一技術(shù)對煤的運(yùn)用得到了世界的普遍關(guān)注。最近，Suda開展了一些基礎(chǔ)方面的研究工作9，10，包括對助燃空氣或燃料顆粒進(jìn)行了預(yù)熱。Kiga et al.11 用再生燒嘴做了落下管爐實(shí)驗(yàn)。他們的測量表明，隨著空氣預(yù)熱溫度的增加，燃燒效率提高，氮氧化物的排放量降低，然而，燃燒空氣氧含量的減少

8、會導(dǎo)致燃燒效率的降低，并會伴隨著NOx的略微減少或增加，所以說，“高溫、稀釋的空氣不適合于煤粉燃燒”。但是G.Scheffknecht和D.Ristic在斯圖加特大學(xué)，用落下管爐對三種不同類型的煤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了煤粉的無焰燃燒圖，見圖4，并得出結(jié)論：高溫空氣燃燒技術(shù)是可行的，有利于煤粉的燃燒。12另外，如果在使用煤或其它化石燃料的鍋爐中，傳統(tǒng)的蜂窩狀蓄熱體就很難應(yīng)用了，因?yàn)闊煔庠谌绱烁叩臏囟认潞苋菀椎禺a(chǎn)生結(jié)渣和污垢。所以高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)用于煤的燃燒，需要我們付出更大的努力。B普溫空氣燃燒研究發(fā)現(xiàn)，高溫預(yù)熱燃燒空氣并不是唯一途徑來實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。在附加焓值燃燒的基本思想上，已經(jīng)成功地開發(fā)了一項(xiàng)

9、新技術(shù)普溫空氣無焰燃燒（NTAFC）技術(shù)13，14。技術(shù)的關(guān)鍵是如何合理地在爐內(nèi)和蓄熱室內(nèi)增加一個燃燒攪拌反應(yīng)器。反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)和材料是傳熱方式的主要影響因素，它使得燃料在普溫?zé)o焰燃燒時的傳熱方式由對流傳熱變成輻射傳熱，而且空氣在爐膛內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，高溫?zé)煔庥酂岜恢貜?fù)利用，回?zé)崞髦邪l(fā)生熱量交換，其燃燒火焰見圖5。與高溫空氣燃燒技術(shù)相比，普溫空氣無焰燃燒技術(shù)不需要預(yù)熱系統(tǒng)和開關(guān)閥，簡化了無焰燃燒的條件，所以燃燒設(shè)備的投資成本得到了降低，避免了燃燒脈動，而且它可以用于廢氣溫度低于800 oC的鍋爐和燃燒高灰燼的燃料。同時，這項(xiàng)技術(shù)保留了HATC的高容量熱負(fù)荷、低能耗和低污染物排放等優(yōu)點(diǎn)。NTAFC需要更

10、多的關(guān)注和科學(xué)研究，以研制出具有以下特點(diǎn)的新鍋爐：簡單的結(jié)構(gòu)，較低的制造成本、可靠的工作穩(wěn)定性、方便的設(shè)備維護(hù)、高效率和低污染物排放。C. 無焰氧燃料燃燒眾所周知，增加有氧燃燒過程的氧濃度會增加熱效率、降低燃料消耗和氧氣排放。它還會導(dǎo)致火焰溫度、生產(chǎn)率、和轉(zhuǎn)化效率的全面提高。但是只提高氧濃度會使得燃燒溫度增加，導(dǎo)致NOx的排放量增多。因此，為了降低NOx的排放，將廢氣通過燒嘴磚再循環(huán)，這樣不但降低了火焰溫度，而且改善了廢氣的流動方式。這就導(dǎo)致了一種新的氧燃料技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，即無焰氧燃料技術(shù)。從技術(shù)角度來說，這里有兩種方案獲得無焰氧燃燒：利用廢氣的循環(huán)使得火焰溫度降低；將燃料和氧氣以高速度注入爐膛，

11、使得燃料和氧氣分離。AGA已率先在再熱爐中使用100%的氧燃料，并取得了液化石油氣的無焰燃燒。W. Blasiaka15在半工業(yè)化鍋爐中對兩種展示的無焰燒嘴進(jìn)行了測試。這兩種燒嘴是HTAC燒嘴和無焰氧燃料燒嘴。結(jié)果表明這兩種技術(shù)都有具有一個大的化學(xué)反映域。它們都有很高的熱效率和低CO2排放的特點(diǎn)，而且它們的最高點(diǎn)溫度值較低，鍋爐的溫度分布均勻。HTAC的溫度分布要比無焰氧燃燒技術(shù)要穩(wěn)定一些。無焰氧燃燒技術(shù)的燒嘴最高點(diǎn)溫度僅比HTAC的高出36oC。4.總結(jié)中國是一個有著豐富的化石燃料的資源的大國。但是中國在化石燃料的使用一直是低效的，同時引起嚴(yán)重的污染。在進(jìn)一步研究、開發(fā)和應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)無火

12、焰燃燒技術(shù)可充分利用我國現(xiàn)有的礦物燃料，而且可以減少污染物排放、提高燃燒效率、節(jié)省能源和可持續(xù)發(fā)展我國的經(jīng)濟(jì)。我們相信，無火焰燃燒可以更合理、有效的解決能源短缺和環(huán)境污染等深遠(yuǎn)性問題。5參考文獻(xiàn)1I.B. Ozdemir, N.Peters, “Characteristics of the reaction zone in a combustor operating at mild combustion,” Experiments in Fluids, vol. 30,pp.683-695,2005.2F.J.Weinberg,“ Heat-recirculating burners: pri

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