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高温空气燃烧技术的应用 在工业燃烧炉中，对废物排放的利用非常有效。在冶金、机械、建材等工业部门所用的许多工业炉中,排出废气的温度高达600℃～1100℃。如果把这些高温废气全部排放到大气中,其热损失通常达到其总能耗量的60%～90%。如何充分有效地把这部分热量加以利用一直都倍受企业界和科学界的关注。 早期空气预热的热回收装置,主要有间壁式换热器和蓄热式换热器。间壁式换热器的气体流向不变、工作状况稳定、结构简单,但预热温度较低(不超过700℃)。并且寿命较短、价格较贵、热回收率较低、排放的烟气仍有较高温度,只能用于中低温烟气余热回收。采用蓄热式换热器可以达到的加热温度较高(1200℃左右),并且寿命较长、热回收率较高(最高可达70%)。早期的蓄热式换热器蓄热体采用格子砖材料,它的综合传热系数较低、单位体积蓄热体的换热面积小,导致蓄热体体积庞大、换向时间较长、预热温度波动较大,同时烟气的排出温度仍有300℃～600℃。另外换热设备要求既耐热又气密,以致结构复杂、操作不灵活、造价较高。目前,间壁式换热器受热温度可达1000℃左右,所得到的最高预热空气温度达700℃,但想再提高预热温度,就会出现高NOx问题,以及因换热器传热面积扩大所引起的设备费用增加和换热器本身的寿命问题,制约了它进一步发展。然而随着材料工业的发展蓄热式换热器又一次展现出了新的活力。 1 rcb余热回收系统在其他领域的应用 1982年英国Hotwork公司和British Gas公司合作,首次研制出了紧凑型的陶瓷球蓄热系统RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系统采用陶瓷球作为蓄热体,比表面积可达240m2/m3,因此蓄热能力大大增强、蓄热体体积显著缩小、换向时间可降至lmin～3min,空气预热温度提高、排烟温度进一步降低、热回收率明显提高,一般大于80%,而预热温度波动一般小于15℃。在随后几年里,对该蓄热系统又进行了大量的实验研究并作了试用,在不锈钢退火炉、步进梁式炉上的应用均达到了预期的效果,取得了显著的经济效益。 日本从1985年左右开始研制,在详细考察了RCB的应用技术和实际使用情况后,认为RCB余热回收系统尽管有许多优良特性,仍存在一些需改进的地方。第一,由于预热空气温度提高,使得NOx的排放量急剧增加,必须设法降低;第二,预热空气的温度仍比烟气低150℃～250℃,采取措施提高空气预热温度,可进一步提高热效率;第三,RCB系统的体积虽比以前的蓄热系统有了明显缩小,但仍比较庞大,只适用于中小型加热炉,因此限制了它的使用。为扩大它的应用范围,需进一步改进蓄热器,寻求性能更好的蓄热体。 日本钢管株式会社(NKK)和日本工业炉株式会社(NFK)联合研制了一种新型蓄热器,称为高效陶瓷蓄热系统HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。在蓄热体选取上,采用压力损失小,比表面积更大的陶瓷蜂窝体,以减少蓄热体的体积和重量。为了实现低NOx排放,蓄热体和烧嘴组成一体联合工作,并采用两段燃烧法和利用烟气自身再循环法来控制进气,效果很好。NKK进行了多次试验,对测得的数据进行了分析,结果发现预加热后进入燃烧器的空气温度已非常接近废气排放温度;数据显示空气预热温度达1300℃、炉内O2含量11%时、NOx排放量是40mg/m3。HRS的开发,不仅实现了极限回收烟气余热,而且NOx排放量大幅度降低。 2 nox排放量的影响 传统的燃烧技术是利用含氧21%的空气或超过21%的富氧甚至纯氧进行助燃,需要比理论空气量大得多的空气与燃料进行混合;燃烧所形成的火焰成一火炬,焰心温度较高,炉膛温度分布很不均匀。当把助燃空气温度提高到1000℃以上时,火焰区体积变小,中心温度猛烈提高并形成局部高温区,导致NOx排放量大大增加,局部炉膛耐火材料和炉内金属构件的寿命缩短,及工件局部过热,还影响锅炉换热效率。 高温空气燃烧技术是一种新型的燃烧技术,它在燃烧条件、反应机理、火焰特征等方面均不同于传统的燃烧技术。采用高温空气燃烧技术,预热空气温度达到800℃～1000℃以上,燃料在含氧较低(可低至2%)的高温气氛中燃烧。因为是在高温条件下,可燃范围扩大,含氧量只要大于2%,就可保证稳定燃烧。燃烧过程类似于一种扩散控制式反应,不再存在局部高温区,在这种环境下NOx生成受到抑制。同时在这种低氧环境下,燃烧火焰具有与传统燃烧截然不同的火焰特征:火焰体积明显增大,甚至可扩大到整个燃烧室空间;火焰形状不规则,无火焰界面;常见的白炽火焰消失,火焰呈现薄雾状;辐射强度增加,火焰的局部高辐射减少。整个燃烧空间形如一个温度相对均匀的高温强辐射黑体,再加上反应速度快,炉膛传热效率显著提高,而NOx排放量大大减少。 3 蓄热式燃烧烧圆 高温空