连续式高温空气燃烧技术的开发

收稿日期 : 2008 - 05 - 16 夏德宏 (1963 - 　) ,教授 ; 100083 北京市海淀区。 连续式高温空气燃烧技术的开发 夏德宏　薛根山　敖雯青 (北京科技大学 热能工程系 ) 摘　要 　针对频繁换向的蓄热燃烧技术存在的不足 , 探讨了一种可实现连续燃烧的集中式蓄 热燃烧技术并了其优势 , 同时开发出了一种连续式的高温烟气余热回收装置 , 该装置结 合了换热器和蓄热室的优点 , 可以实现高温烟气余热的 “极限稳定回收 ”以及高温空气的 “连续燃烧 ”。 关键词 　高温空气燃烧 　蓄热室 　连续燃烧 D evelopm en t of con tinuous h igh tem pera ture com bustion technology Xia Dehong　Xue Genshan　Ao W enqing (University of Science and Technology Beijing) Abstract　To solve the shortcom ings resulting from the frequent switch - on - and - off in currently widely used regenerative combustion technology, an integrated regenerative combustion technology and a new higher efficient regenerator, which can extensively recover the waste heat from flue gas continu2 ously, have been developed. In this new regenerator, the advantages of heat exchanger and checker chamber are combined. The“utmost waste heat recovery”and“continuous high temperature air com2 bustion”are realized. Keywords　HTAC　checker chamber　continuous combustion 　　上世纪 80年代由日本研发的 “高温空气低 氧燃烧技术 ”得到了快速推广 , 目前该项技术 已在世界上许多国家工业炉窑上应用。然而在应 用过程中 , 不少研究者也对其合理性进行过一些 探讨 , 在实际应用中也发现 , 有些蓄热式加热炉 的经济效益跟常规加热炉差不多 , 甚至还不如。 吕以清 [ 1 ]通过从热效率、加热质量、运行维护 成本、环境污染等多个方面对比了蓄热式加热炉 和一般连续式加热炉 , 得出如下结论 : 蓄热换热 技术的真正节能意义在于把高炉煤气用于轧钢加 热炉 , 当燃料热值达到生产要求时 , 采用蓄热燃 烧技术得不偿失。之所以会出现这种结果 , 其中 一个最重要的原因是由于常规蓄热式燃烧需要频 繁的换向。频繁的换向造成炉温、炉压的波动 , 换向瞬间燃烧的不连续 , 加热质量的降低 , 钢料 加热 (尤其是开始需缓慢加热的钢种 ) 无法实现 , 此外还有容积效应以及高昂的运行维 护成本 , 所以综合考虑这些因素会发现常规换向 式高温空气燃烧技术的优势很小。所以 , 要真正 体现出高温空气燃烧的优势 , 必须要实现连续、 稳定的高温空气燃烧 , 文章正是基于这一点进行 了探讨分析。 1　换向式蓄热燃烧技术原理 高温空气燃烧技术的核心是蓄热室热回收技 术 , 蓄热室的出现具有革命性的意义 , 与金属换 热器相比 , 蓄热室采用耐火材料作为换热介质 , 可以承受很高的烟气温度而不必担心被烧坏 , 使 用寿命长 , 且材料比热大 , 蓄热能力强 , 可以将 空气预热到更高温度。 换向式蓄热燃烧技术工作原理 : 当助燃空气 通过一个烧嘴内的蓄热体进行预热时 , 另一个烧 嘴充当排烟的角色 , 排出的烟气同时加热该烧嘴 64 冶 　金 　能 　源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 　　　 　　　Vol127　No15 Sep t12008 内的蓄热体。也就是当常温空气由换向阀进入一 个蓄热室后 , 在经过蓄热体时被加热 , 在极短时 间内常温空气被加热到接近炉膛温度 (一般比 炉膛温度低 50～100℃) , 炉膛内燃烧产生的烟 气经过另一个蓄热室将热量存在蓄热体内 , 然后 以高于露点温度 20～50℃的低温排出。经过一 定时间后 , 空气和烟气互相切换流经蓄热室 , 完 成烟气的余热回收和高温空气燃烧。 2　换向式蓄热燃烧技术的不足 目前换向式蓄热燃烧技术代了相当高的水 平 [ 2 - 3 ]。利用蓄热室技术可以将烟气排放温度降 低到接近露点温度 , 实现 “极限余热回收 ”和 “高温低氧燃烧 ”。然而 , 通过分析蓄热室技术 的工作原理和系统组成 , 可以发现换向式蓄热燃 烧技术存在以下不足 [ 4 - 5 ] : (1) 蓄热室必须成对使用。烟气和空气间 歇经过蓄热体 , 烟气放热和空气吸热进行周期性 切换 , 一个蓄热室无法完成烟气和空气的换热。 (2) 蓄热室在换向时 , 由于容积效应 , 造 成了能量和燃料的浪费。换向时 , 经过蓄热室的 流体性质和方向也发生变化。当蓄热室由吸热周 期切换到放热周期时 ,原本向炉内通入经过预热 的空气或煤气 ,变为向炉外排放烟气 ,则蓄热室内 存留的部分高温空气或煤气也随着烟气一并排出 炉外 ,部分物理热或化学热被浪费掉。同理 ,当蓄 热室由放热周期切换到吸热周期时 ,会造成部分 烟气的回流。对于换向周期短 ,换向频繁的蓄热 室 ,这种现象就越发明显 ,能量浪费也越严重。 (3) 换向阀对蓄热室系统是必不可少的关 键部件之一 , 使得蓄热室造价提高 , 且系统复 杂。由于在蓄热系统换向的同时 , 燃烧系统也进 行换向 , 如果使用煤气作为燃料 , 燃烧系统的换 向 , 也增加了操作人员的操作风险 , 为解决这个 问题 , 也要投入相当的资金。 (4) 由于频繁的换向给燃烧带来了严重的 影响 , 换向时温度不连续 , 出现阶层波动 , 且在 原炉子预热段安装烧嘴 , 失去了预热功能 , 坯料 加热工艺 (尤其是开始需缓慢加热的 ) 制度无法 实现 ; 同时由于燃料是换向式燃烧 , 致使烧嘴造 成堵塞、结焦、断火、不燃、爆鸣、爆燃等问题。 (5) 喷嘴同时又是高温烟道 , 为使烟气能 顺利排出 , 喷口设计一般较大 , 而作为烧嘴应有 正常的喷出速度 , 极难两者兼顾 , 加之蓄热室大 (与常规烧嘴比 ) , 造成蓄热烧嘴的调节比小 , 加大了炉温调节的难度。 3　集中式蓄热燃烧技术 311　集中式蓄热室原理 为了克服频繁的换向燃烧带来的一系列问 题 , 即需要获得连续的高温空气才能维持稳定的 燃烧 , 笔者提出了一种集中式蓄热室技术 , 其原 理如图 1, 图 1所示为一种工作状态。两个蓄热 室为一组 , 第一种工作状态下 , 烟气经过 B 组 蓄热体 , 蓄热体被加热 , 烟气被冷却 , 烟气的热 量被蓄热体吸收 , 空气经过高温的 A 蓄热体 , 蓄热体被冷却 , 空气被预热到较高的温度。换向 后 , 所有畅通的管道变为关闭 , 关闭的管道变为 畅通 , 这时烟气经过 A蓄热体被冷却 , 空气经 过 B蓄热体被加热。通过两组蓄热体的组合 , 可以得到连续稳定的高温空气 , 当然 , 实际应用 中可以将 A蓄热室分成几个小的蓄热室 , 这样 可以减小一个蓄热室出现问题而影响整个生产的 可能性。 图 1是只预热空气时组合形式 ,当煤气和空 气都需要预热时 ,即再增加一组蓄热体即可 ,其原 理如图 2所示 ,空气经过 A或 B蓄热室被预热 , 煤气经过 C或 D蓄热室被预热 ,同样为了提高系 统的稳定性可以将每个蓄热室分成几个小蓄热 室。采用这样的集中式蓄热室以后 ,工业炉窑可 以通过烟道排烟 ,而不需要通过每个燃烧器排烟。 312　集中式蓄热燃烧技术优势 集中式蓄热技术由于在炉尾进行集中换向 , 图 1　集中式蓄热室原理 (单预热 ) 74 Vol127　No15 Sep t12008 　　　 　　　 冶 　金 　能 　源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 图 2　集中式蓄热室原理 (双预热 ) 图 3　连续式高温余热回收装置工作原理 相对于常规的换向式蓄热燃烧技术 , 它具有如下 优点 : (1) 实现了连续、稳定火焰的蓄热式高温 空气燃烧。 (2) 一个燃烧器连通几个蓄热室 , 大大降 低了一个蓄热室出现问题而影响生产的可能性。 (3) 真正实现极限余热回收 , 可将高品质 有用能用于坯料预热 , 直接转化成有效热 , 减少 了能量转化过程中的间接损失。 (4) 由于煤气不换向 , 解决了热脏发生炉 煤气的蓄热燃烧问题 [ 6 ]。 (5) 解决了蓄热式高温空气燃烧技术中的 烧嘴堵塞、结焦、断火、爆鸣、爆燃等问题。 (6) 能在保持炉型不变的基础上 , 保持原 有烧嘴和原有的燃烧方式 , 将传统工业炉窑改成 蓄热式炉窑 , 简单方便 , 有利于蓄热室的推广。 可以说集中式蓄热燃烧技术的这些特点很好 的解决了常规换向式蓄热燃烧频繁换向带来的一 系列问题 , 将是今后蓄热燃烧技术研究的重点。 4　连续式高温余热回收装置的开发 集中式蓄热室技术虽然可以获得连续的高温 空气 , 维持稳定的燃烧 , 但它仍然需要庞大的换 向系统 , 换向过程中存在的容积效应也无法解 决 , 为了实现高温余热的连续稳定回收 , 必须避 免频繁换向的蓄热余热回收方式 , 为此笔者开发 出了新一代的连续式高温余热回收装置。 411　工作原理 连续式高温余热回收装置主要包括换热元 件、烟气通道和空气通道。其中 , 换热元件采用 耐高温、热导率高的材料 , 其工作原理如图 3所 示。换热元件里的气体通道被隔成相互独立的多 层空间 , 烟气和空气间隔经过各层空间 (即一 层为烟气通道一层为空气通道 , 交错往上的三明 治结构 )。连续式高温余热回收装置工作时 , 排 烟和鼓风同时进行 , 高温烟气的热量通过对流及 辐射换热传递给高导热高耐热材料。由于高导热 材料的热阻很小 , 热量很快就能传导至空气通道 一侧 , 然后冷空气通过对流换热吸收高导热材料 传递过来的热量 , 完成高温烟气余热的回收。空 气和烟气的流动方式可以采用垂直叉流或者垂直 叉流和逆流相结合的混合流等不同方式。 为保证余热回收装置的连续工作 , 烟气的放 热速度和空气的加热速度要很好的匹配 , 通过精 确计算和合理设计 , 可以实现在满足要求的情况 下稳定正常工作。实际应用中连续式高温余热回 收装置可以直接安装在炉子的烟道中。如果烟气 量大 , 需要较大的换热面积 , 这时可以做几种规 格的 , 相对较小的空气和烟气的交错通道模块 , 84 冶 　金 　能 　源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 　　　 　　　Vol127　No15 Sep t12008 在烟道中安装时就跟填充蓄热体一样 , 一块一块 排好 , 同时要注意密封好 , 保证空气和烟气通道 的独立性 , 这样就可以组装成一个较大的连续式 高温烟气余热回收装置。 412　技术优势 由连续式高温余热回收装置的结构和工作原 理可知 , 连续式高温余热回收装置不仅继承了集 中式蓄热室技术的很多优点 , 还具有如下技术优 势 : (1) 换热速率快 : 高热导率、高黑度的材 质、具有极大的换热面积 , 烟气和空气之间通过 辐射、对流、传导综合传热 , 烟气和空气之间能 迅速进行热交换 , 传热快 , 效率高。 (2) 连续工作 : 连续供风及排烟 , 炉内炉 压稳定、流场及温度场无频繁扰动。 (3) 寿命长 : 超强的横纵网格结构 , 消除 了换热元件中的内部应力 , 不会出现裂纹等缺 陷。 (4) 运行成本极低 : 换热元件无运动部件、 无急冷急热 , 稳定性好。 (5) 可灵活布置 : 设备紧凑 , 系统简单 , 便于安装和布置。 413　实际应用 连续式高温余热回收装置可以广泛应用于各 种工业炉窑 , 现已在重庆某企业的 WWB - 800 型号熔铝保温炉上投入长期工业应用。该熔铝炉 保温容量为 800kg, 炉子体积约为 6500 ×5500 × 4500, 燃烧产生的烟气通过炉盖进入热回收装置 将空气预热 , 从而能实现连续的高温空气燃烧。 该高温余热回收装置的换热热元件基本参数 见表 1, 投入应用后节能效果明显。稳定运行 1 周后 , 根据现场实测的数据 , 应用前后具体技术 指标对比见表 2。应用热回收装置节能达 2718% , 同时空气的高温预热 , 使燃烧条件得到 优化 , 炉温均匀性加强 , 减少了局部高温造成的 氧化烧损 , 带来了可观的经济效益。另外 , 由于 排烟温度的降低 , 现场工作环境较以前大有改 观。连续式高温余热回收装置在熔铝保温炉上的 应用可以证明其高效的换热效果 , 具有很好的发 展前景。 表 1　换热元件基本参数 换热元件 单位 数量 烟气侧孔径 mm ×mm 6 ×6 空气侧孔径 mm ×mm 6 ×6 尺　　寸 mm ×mm ×mm 180 ×254 ×530 比表面积 m2 /m3 200 表 2　热回收装置应用前后技术指标对比 名　　称 应用前 应用后 炉膛温度 /℃ 850 850 排烟温度 /℃ 840 252 空气预热温度 /℃ 25 634 可比热耗 / kJ·h - 1 1106 ×105 7165 ×104 节能率 /% - 2718 5　总结 燃烧的稳定性对于工业炉窑至关重要 , 而频 繁换向的蓄热燃烧技术无法保证燃烧的连续稳定 性 , 集中式蓄热技术虽然可以保持燃烧的稳定 性 , 但仍然需要频繁的集中换向 , 连续式高温余 热回收装置的应用准确地抓住了蓄热室的症结所 在 , 科学的分析和巧妙的设计 , 可以真正实现 “余热的极限稳定回收 ”和 “高温空气的连续燃 烧 ”, 使工业炉窑的发展上升到一个新的高度。 参 考 文 献 [ 1 ] 吕以清 1蓄热式燃烧技术在轧钢连续加热炉应用的 合理性与适用性 1第七届全国工业炉学术年会论文 集 , 2006, 363 - 374 [ 2 ] Choi G, KatsukiM. Advanced low NOx combustion u2 sing highly p reheated air. Energy conversion and Man2 agement, 2001, 42 (5) : 639 - 652 [ 3 ] L i J ia, J ianshu L i. The Experimental Study on Regen2 erative Heat Transfer in H igh Temperature A ir Combus2 tion. Journal of Thermal Science, 2004, 13 ( 4 ) : 366 - 370 [ 4 ] 杨泽耒 1蓄热式燃烧技术在非轧钢加热炉上的应 用 1工业炉 , 2005, 27 (2) : 22 - 25 [ 5 ] 许 　荣 , 郑树良 1蓄热式燃烧技术与环形加热炉 1 工业加热 , 2005, 27 (2) : 14 - 17 [ 6 ] 杨锡红 , 翟正耀 1热脏发生炉煤气的工业应用 1工 业加热 , 2001, 30 (2) : 33 - 36 思 　涌 　编辑 94 Vol127　No15 Sep t12008 　　　 　　　 冶 　金 　能 　源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY