高溫空氣燃燒技術的節能環保效益

作者：北京神霧熱能技術公司 謝民 蕭琦

摘 要：本文先容了高溫空氣燃燒技術的發展歷程和該技術在節能、環保方面的特征。以目前冶金行業部分應用高溫空氣燃燒技術企業的實際效果為依據，提出在我國應用該項技術具有巨大的節能和環保效益。 

關鍵詞：高溫空氣燃燒技術 蓄熱式燒嘴 節能 環保 

 

1 前言 

 

隨著產業的迅速發展和人口的不斷增長，能源和環境題目成為倍受國人矚目的兩大題目。目前全國的能源有90%以上來自燃燒化石燃料（煤、石油和自然氣）所開釋的能量。化石燃料在全國的儲量是有限的，我們需要開發新能源，而當前更重要的是現有能源的公道利用。相應地，全國70%以上的污染物也來自化石燃料的燃燒產物，如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、未燃碳氫化合物（UHC）和煙塵。二氧化碳、一氧化氮（CO）和甲烷（CH4）是溫室氣體，引起全球天氣惡化；一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、部分未燃碳氫化合物和煙塵可直接對人體和動植物產生危害；大氣中的二氧化硫和氮氧化物會產生酸雨，對建筑物和各種材料也會產生直接腐蝕。因此，在我國實施經濟可持續性發展戰略的關鍵時期，研究和應用節約能源、進步能源利用效率、減少污染物排放的燃燒技術成為我國產業界確當務之急。

 

高溫空氣燃燒技術（High Temperature Air Combustion）是二十世紀八十年代后期發展起來的一種燃燒技術，它的特征是煙氣熱量被最大限度地回收，助燃空氣被預熱到1000℃以上，燃料在低氧濃度下燃燒。高溫空氣燃燒技術可以實現燃料化學能的高效利用和有效控制燃燒主要污染物氮氧化物，是非常適合在我國產業界應用推廣的技術，為緩解我國的能源緊缺、改善自然環境提供了切實可行的方法。

 

2 高溫空氣燃燒技術的發展歷程 

 

最早的爐子，煙氣中的熱量無法回收利用，高溫煙氣帶走燃料中70～80%的能量，而爐子的熱效率只有20～30%。到了二十世紀中期，國內外開始采用在煙道上安裝空氣預熱器的方法往返收煙氣中的熱量；經過半個世紀的發展和完善，排煙溫度大幅度下降，爐子的熱效率進步到50%左右。盡管如此，煙氣仍然帶走燃料中40～50%的能量；而且空氣預熱器使用壽命有限，維修困難。

 

使用蓄熱室回收煙氣的熱量不能算一項新技術；在十九世紀末期英國已經有人采用，我國平爐煉剛用過的格子磚也是一例。當時的蓄熱室體積龐大，而且加熱空氣的效果并不十分理想，因此沒有得到廣泛應用。進進二十世紀八十年代以后，由于材料科學的飛速發展，在歐洲開發出一種陶瓷球蓄熱材料。這種陶瓷球熱導率高，比熱容大，耐高溫；以陶瓷球作為蓄熱體吸收煙氣熱量，空氣可以很穩定地預熱到1000℃以上。由于蓄熱燃燒技術節能效益明顯，因此在英國、美國得到應用。然而當時的蓄熱燃燒技術并不是真正意義上的高溫空氣燃燒技術。燃燒產物中NOX的濃度是和燃燒溫度成指數關系變化的；一味進步空氣預熱溫度而不采取有效措施抑制NOX的天生，會引起NOX排放的急劇增加。蓄熱燃燒技術在節能和環保兩方面的矛盾限制了蓄熱燃燒技術的推廣。

 

高溫空氣燃燒技術是田中良一等人在二十世紀八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府資助下，由日本一些企業和研究所共同開發完成。田中良一領導的研究小組以陶瓷蜂窩體作蓄熱體，預熱空氣的溫度僅比爐溫低50～100℃；同時，在燃燒區將助燃空氣的氧含量由21%降到2～4%，解決了高溫空氣燃燒下高NOX排放題目。使用高溫空氣燃燒技術，排煙溫度低于150℃，低溫煙氣帶走的能量只占燃料化學能的10%左右，爐子的熱效率接近90%。

 

3 高溫空氣燃燒技術的節能環保特征 

 

使用高溫空氣燃燒技術的加熱爐示意圖如圖1所示。常溫空氣流經換向閥進進蓄熱室A，在經過蓄熱體（陶瓷小球或蜂窩體）時被加熱，在短時間內常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度；高溫空氣進進爐膛后，卷吸四周爐內的煙氣形成含氧量低于21%的低氧高溫氣流，同時向這股氣流中注進燃料油或氣，使燃料在低氧狀態下燃燒；爐膛內燃燒后的煙氣流經蓄熱室B和換向閥排進大氣，高溫煙氣在經過蓄熱體時將熱量儲存在蓄熱體內，溫度降低至150℃以下。工作溫度不高的換向閥以一定的周期（一般為30～180秒）進行切換，使兩個蓄熱體處于蓄熱與放熱交替工作狀態。

 

圖1 應用高溫空氣燃燒技術的加熱爐原理圖

為了有效地抑制NOX的天生，在燃燒組織和燒嘴設計時還應該采取一些針對性的措施，如燃料直接噴射、分級燃燒、濃淡燃燒和強制煙氣再循環等方法。蓄熱式燒嘴一般配備有長明燈；將長明燈安裝在主燒嘴上游，使長明燈的煙氣完全進進主燒嘴燃燒區，相當于分級燃燒。對于空氣單預熱的燒嘴，適當進步煤氣射流的速度，增強煤氣對煙氣的卷吸作用，可使煙氣在爐內再循環。空氣、煤氣雙預熱的燒嘴，可組織部分區域貧燃料燃燒、部分區域富燃料燃燒，即所謂濃淡燃燒。在噴嘴設計中，使空氣和煤氣射流有一定夾角，空氣煤氣逐步混合，一方面可調節火焰長度，另一方面可進步溫度場均勻性、避免局部高溫。對于部分蓄熱式燃燒裝置，如蓄熱式輻射管，可以增加煙氣循環管路，強制部分煙氣在燃燒器內再循環。北京神霧熱能技術有限公司設計的蓄熱式燒嘴已經采用了以上方法；實踐證實以上方法在抑制NOX天生方面有一定效果。

 

高溫空氣燃燒技術因降低排煙溫度，燃料能量利用率接近90%，與煙氣不回收的爐子相比可節能60%，減少溫室氣體CO2排放60%，與常規的煙氣回收的爐子相比也可節能30～40%，減少溫室氣體CO2排放30～40%。高溫空氣燃燒技術采用低氧燃燒和其它一些抑制NOX天生的措施，NOX排放濃度降至100ppm以下（目前國家標準為400mg/m3，換算成NO2為195ppm）。采用高溫空氣燃燒技術的爐子還有其他一些優點：在高溫加熱爐中可以使用低熱值燃料（如高爐煤氣）；爐內溫度場均勻，被加熱產品質量進步；相同生產率的爐子尺寸減少。

 

4 我國應用高溫空氣燃燒技術的效益 

 

二十世紀九十年代至今，高溫空氣燃燒技術已經在日本冶金行業得到廣泛推廣應用。以日本NKK鋼管公司福山熱軋廠230t/h熱軋步進式加熱爐為例，1996年采用高溫空氣燃燒技術后，噸鋼能耗減少25%（見表1）。

表1 福山熱軋廠230t/h熱軋步進式加熱爐技術參數

 

北京神霧熱能技術有限公司近幾年一直致力于在國內冶金行業推廣和應用高溫空氣燃燒技術，到目前為止已經成功設計和建造了20多臺應用蓄熱式燒嘴的各種形式的加熱爐。表2列出神霧公司設計的部分加熱爐的技術參數。從以上數據可以看到，所有應用高溫空氣燃燒技術改造后的加熱爐，單位產量能耗都有大幅度下降；其中軋鋼加熱爐的均勻單位產量能耗下降37%。

表2 神霧公司設計的部分加熱爐的技術參數

 

目前我國每年生產鋼鐵的產量超過一億噸；全國冶金行業的加熱爐超過一千座，軋鋼加熱爐的均勻單位產量能耗為1.76GJ/噸鋼。假如其中80%的加熱爐能使用高溫空氣燃燒技術進行改造，達到均勻節能25%的水平，按我國鋼鐵行業每年加熱鋼材一億噸計算，僅此一項全國每年節約的能量為120萬噸標準煤。對于其它燃燒效率更低的加熱爐，假如使用高溫空氣燃燒技術進行改造，節能潛力更加可觀。一些常規條件下難于燃燒的低熱值煤氣，以前只能排空放散，既污染大氣又浪費能源。高溫空氣燃燒技術可以使這部分低熱值燃料得到充分利用，變廢為寶。

 

使用高溫空氣燃燒技術除了經濟效益非常明顯以外，環保效益更加明顯。由于進步熱效率，燃料減少25%，相應的各種燃燒產物如CO2也減少25%；燃燒過程在高溫低氧條件下進行，不但含CO2和NOX煙氣的排放體積減少，而且排放濃度也有所降低，總排放量大幅度減少。煙氣中的顯熱回收后，排煙溫度大幅度降低（低于150℃），減少熱污染。低熱值燃料的利用，還減少排空放散對大氣的污染。

 

5 結論 

 

高溫空氣燃燒技術是一項高效低污染的燃燒技術，假如在產業生產中應用，將具有巨大的經濟和環保效益。從近年的產業規模應用情況來看，也碰到了一些題目；隨著技術的推廣，各種題目不斷得到解決，高溫空氣燃燒技術不斷得到完善。由于其巨大的節能潛力和環保效益，高溫空氣燃燒技術適合我國的經濟可持續發展戰略，一定會在我國得到廣泛應用。

 

參考文獻