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蓄热式燃烧技术存在的问题


我国蓄热式燃烧技术目前存在的几点不足 目前,我国的资源和环境问题日益突出,迫切要求高能耗行业全 面推行高效、清洁的燃烧技术。蓄热式燃烧技术,又称高温空气燃烧 技术, 20 世纪 90 年代在发达国家开始推广的一项新型的燃烧技术, 是 它具有高效烟气余热回收、 空气和煤气预热温度高以及低氮氧化物排 放的优越性,主要用于钢铁、冶金、机械、建材等工业部门中,并已 出现迅猛发展的势头。至

今我们已有了自己的一些专利,并且在国内 有了相对广泛的应用,取得了相当的经济效益。 关键部件 1 蓄热体 蓄热体是高温空气燃烧技术的关键部件,其主要技术

指标如下: (1)蓄热能力:单位体积蓄热体的蓄热量要大,这样可减小蓄热 室的体积,需要通过材料的比热CP来衡量。(2)换热速度:材料的 导热系数 λ 可以反映固体内部热量传递的快慢,导热系数大可以迅 速地将热量由表面传至中心,充分发挥蓄热室的能力;高温时,材料 辐射率可表征气体介质与蜂窝体热交换的强弱。(3)热震稳定性:蓄 热体需要在反复加热和冷却的工况下运行, 在巨大温差和高频变换的 作用下,很容易脆裂、破碎和变形等,导致气流通道堵塞,压力损失 加大,甚至无法继续工作。(4)抗氧化和腐蚀性:有些材料在一定的 温度和气氛下发生氧化和腐蚀, 会堵塞气体通道, 增加流通阻力。 (5) 压力损失:在气体通过蜂窝体通道时,会产生摩擦阻力损失,在流经 两块蜂窝体交界面时因流通面积突变和各个通道之间可能发生交错

而产生局部阻力损失;前者对传热有利,后者对传热是不利的,因此 应尽力减少局部阻力损失来降低风机的动力消耗。(6)经济性:它是 一个重要的指标,一种蜂窝体如果各种性能都好,但成本很高,推广 和应用会受到限制。 2 换向阀 由于必须在一定的时间间隔内实现空气、煤气与烟气的频繁切 换,换向阀也成为与余热回收率密切相关的关键部件之一。尽管经 换热后的烟气温度很低,对换向阀材料无特殊要求,但必须考虑换 向阀的工作寿命和可靠性。因为烟气中含有较多的微小粉尘以及频 繁动作,势必对部件造成磨损,这些因素应当在选用换向阀时加以 考虑。如果出现阀门密封不严、压力损失过大、体积过大、密封材 料不易更换、动作速度慢等问题,会影响系统的使用性能和节能效 果。 3 烧嘴 烧嘴的设计原则是不能让空气和煤气混合得太快,这样容易形 成局部高温,但也不能混合得太慢,防止煤气在蓄热室出现“二次 燃烧”甚至燃烧不充分。为了保证燃料在低氧气氛中燃烧,必须在 设计其供给通道时,考虑燃料和空气在空间的扩散、与炉内烟气的 混合和射流的角度及深度,而这些参数应根据加热装置尺寸、加热 工艺要求、燃料种类、烧嘴大小、预热温度和空煤气压力等因素来 确定。 蓄热式燃烧技术又被称为“高温稀薄燃烧”技术。实现这种低

氧燃烧的有效途径之一是:合理的布置烧嘴的位置和数量以及各个 燃烧单元的相对位置关系和换向方式,有效地组织炉膛内气流的流 动,依靠预热后空气和煤气射流的高速卷吸,使炉内产生大量烟气 回流。一般来说,射流的速度越大,炉内的卷吸和回流作用越强烈, 就越有利于实现低氧的气氛,而这种相对很低的煤气和氧气浓度降 低了平均燃烧速度,拓展了燃烧边界,形成了均匀的温度场,并降 低了NOx的排放。 对现存几个问题的分析 蓄热式燃烧技术在中国发展了近二十年了,通过科研工作者的 努力,取得了相当的技术成果和经济效益。但也反映出了一些不足。 客观地讲, 我国对蓄热式燃烧技术的认识还不如国外发达国家深刻, 目前考虑的还仅仅是节能,并不是真正意义上的“第二代蓄热式燃 烧技术”。 1 蜂窝体的使用寿命不高 目前国内蜂窝体的使用寿命均不是很高。加热炉上的蜂窝体使用 寿命一般为 3~6 个月, 甚至出现过使用一个星期就大量碎裂的情况。 用于钢包烘烤器上的蓄热体因烟气温度低使用寿命有所增加。 蓄热体 在使用过程中经常出现的问题主要有熔化、软化、破裂、堵塞和腐蚀 等,其中蓄热体材料的抗热震稳定性差是工程设计中最常出现的问 题。造成以上问题的原因主要有以下三点: (1)材料问题蜂窝体长期工作在急冷急热、还可能带有腐蚀性气 体的恶劣环境中, 经常承受着高温作用和因内外温差变化而引起的应

力作用。这种工作环境对蓄热体的材料提出了苛刻的要求。 为了增加蓄热量,减小蓄热室的体积,需要增加蓄热体的密度。 但抗热震稳定性与密度在一定程度上是互相排斥的,即密度越高,抗 热震稳定性一般都比较差。 在使用过程中,蓄热体与气流进行热交换,一些带有腐蚀性的气 体和颗粒会对蜂窝体产生不利影响。 比如氧化铁颗粒会降低铝硅材质 的软熔温度,使蜂窝体熔化而堵死气孔;酸性气体会对蜂窝体产生腐 蚀作用;微小颗粒会附着在蜂窝体表面而堵塞气体通道等。 (2)偏流问题蓄热室内热交换过程大致如下:在排烟阶段,烟气流经 蜂窝体时将显热储存在蜂窝体中, 加热蜂窝体; 在燃烧阶段, 空气(或 煤气)流经蜂窝体时被加热,余热被重新带回炉内。在以上的任何一 个阶段,如果气体在蓄热室内出现偏流,经过若干次换向后容易导致 蜂窝体局部高温而产生热应力。当产生的温度应力超出其承受极限 时,蜂窝体就会破裂。 (3)“二次燃烧”问题蓄热式燃烧系统的空气喷口和煤气喷口一般 都是相互独立的,这样有利于形成炉内低氧气氛,拓展火焰边界,形 成均匀的温度场,提高加热质量和减少氮氧化物的排放。但是对空气 和煤气两股射流的速度、交角和距离的最佳值很难把握,一旦处理不 当则容易造成炉内局部煤气燃烧不充分而其它地方氧气还有剩余。 这 些烟气在被吸入蓄热室时,空气和煤气会重新接触产生“二次燃 烧”,放出的热量可以完全被蜂窝体吸收,尽管没有造成能量损失, 但局部高温很容易使蜂窝体熔化而失效。

研制出一种高品质的蓄热材料来适应蓄热体恶劣的工作环境是提高 其使用寿命最有效的办法。 2 关于副烟道的讨论 国内对此问题存在着两种观点,一种认为没有必要加副烟道;另 一种认为必须加副烟道。投入使用的蓄热式加热炉有的使用了副烟 道,有的没有使用。 (1)从能量的角度来看,只有高炉煤气双预热时水当量比略大于 1 0,而其它如焦炉煤气、天然气单预热时水当量比均大于 1 0。这 就意味着通过预热煤气和空气的办法仍然无法将烟气中的显热全部 吸收,一定要有少部分的烟气直接排出炉外。在不能提高蓄热室排烟 温度的情况下换向阀和引风机只能够承受有限的温度),只能通过副 烟道来实现这一目的。 (2)从工程实践的角度看,没有加副烟道的加热炉几乎无一例外的存 在炉压大、冒火严重等缺点。这样很容易烧坏现场的工作设备,恶化 车间的操作环境;如果使用高炉煤气等CO含量高的煤气,还容易因 燃烧不完全而对现场操作人员的身体健康造成危害。 (3)从风机工作能力的角度看,通常使用的引风机似乎也没有这个能 力将炉内的烟气全部引出。预热后的空气和煤气至少以 40~50m/s 的速度喷入炉内,经燃烧反应后体积膨胀,引风机是否能够以 40~ 50m/s甚至更高的速度将烟气从炉内引出值得怀疑。况且一味加大 强制排烟,是否会因引风速度过快而影响炉内的燃烧效果,还有待进 一步证实。

最好的办法就是在蓄热式加热装置上安装可调烟道闸板和金属 换热器(加热炉可以适当增设预热段)。 当然采取这种措施的利弊还要 视具体情形来定。 3 节能效果的分析 查阅许多文献资料,经常能看到这样一句话:“蓄热式燃烧技术 可实现烟气的极限回收。”根据目前蓄热式燃烧的应用效果来看,空 气和煤气的预热温度似乎与理论计算还有差距。 要想实现所谓的“极 限回收”,以下三个条件必须认真考虑: (1)确保烟气最大程度地通过蜂窝体排出 蓄热式燃烧要想最大程度的回收烟气中的显热,就必须最大程度 的使烟气流经蓄热室。蓄热式烧嘴在燃烧状态时,为了合理组织炉内 气体流动,必须使煤气和空气高速喷入炉内,这就需要适当的缩小喷 口面积;而下个状态——蓄热状态时,本来烟气排出的速度就小于空 气和煤气的流入速度,加上烟气的流动阻力加大和流通面积变小,相 比之下,排烟量在一定程度上远小于煤气或空气的流入量,从而影响 节能效果。所以笔者认为,蓄热式燃烧技术需要认真研究的课题之一 就是:如何在不影响燃烧效果的前提下,增加流经蓄热室的烟气量。 如果这个问题没有得到很好的解决, 很可能会成为制约蓄热式燃烧技 术节能效果的瓶颈。 (2)蜂窝体的体积必须合理 蓄热室中蜂窝体的体积大小必须合适,蜂窝体的多少与排烟量、 蜂窝体的比表面积、烟气温度、蜂窝体的传热系数、比热、煤气种类

和烧嘴能力等诸多因素有关。 如果蜂窝体放少了, 在一个换向周期内, 蜂窝体没有能力将烟气当中的显热全部回收,节能效果将下降。但也 并非多多益善,如果蜂窝体放得太多,会使排烟温度过低,腐蚀性气 体如硫化物以及水蒸汽在其内大量凝结(因为很多煤气的燃烧产物中 都含有SOx和H2O),硫化物容易腐蚀蜂窝体,水的出现无疑将加 剧蜂窝体的损坏,两者都将降低蜂窝体的工作性能和使用寿命,影响 节能效果。 在设计蓄热室时, 不能单纯为了减小其体积而一味地提高蜂窝体 的比表面积,要考虑蜂窝体的堵塞问题;同时还应考虑蜂窝体的质量 是否能将一个换向周期内的烟气显热全部吸收。 (3)提高蓄热室内气流的均匀度 蓄热室气流分布状况将影响蓄热室的热交换能力、 空气煤气的预 热温度、蜂窝体的使用寿命等,所以提高蓄热室内烟气、空气和煤气 分布的均匀性是一个迫切需要解决的问题。 因为气流在蓄热室中均匀 流动时,会提高蜂窝体的利用率,从而提高蓄热室的温度效率和热效 率,同时还可以减小蜂窝体因各处温度不均产生危险的温度应力。为 了提高蓄热室内气流的均匀度, 一般采取的措施有增加烧嘴内扩散段 的长度、安装导流板、防止蜂窝体之间互相遮蔽、尽量避免气体流道 出现剧烈的转弯等。 其它诸如引风机的工作能力、 切换阀的密封性能等也是保证节能 效果的关键因素。 蓄热式燃烧系统是一个有机的结合体, 作为该系统关键设备的蜂

窝体、换向阀和烧嘴,必须有着很高的工作性能和使用寿命。在我国 的能源严重紧缺, 环境污染日益严重的情况下, 迫切需要新型、 高效、 环保的燃烧技术,蓄热式燃烧技术顺应了当前的形势,具有广阔的发 展前景。但目前我国对蓄热式燃烧技术的研究还存在一些不足,在推 广和应用的同时,应加大研究力度,掌握此项技术的精髓。


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