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高温空气燃烧技术的研究与应用 |
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作者：谢善清 吴道洪 |
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摘 要：本文概述了我国热工设备和工业炉窑热效率低下，燃料消耗大及污染较严重的现状，阐述了高温空气燃烧技术（HTAC）的原理与特性以及北京神雾公司HTAC关键技术与创新要点。重点介绍了北京神雾公司HTAC技术效果与推广应用及其技术经济效益和社会效益。同时，文章对HTAC技术对推动技术进步和科学发展的作用和HTAC技术国内外比较及目前尚待解决的问题进行了探讨和评述，并对HTAC技术的发展趋势提出了初步看法。
关键词：高温空气燃烧技术（HTAC），研究，应用，技术进步
1 概述
目前全球90%的工业燃料来自于化石燃料（石油、天然气、煤炭），这种形型在今后20年内将不会改变。而石油和天然气的储量主要集中在中东地区。一些工业发达国家清楚地认识到，其经济的发展在很大程度上依赖于能源，而这些能源又大量地由他国控制。为了减少在能源上对别国的过分依赖，节能作为一项切实可行的技术措施，受到各国政府的普遍重视。同时降低燃料消耗及有害气体的排放，是保护环境，实现可持续以展战略的必然要求。
热工设备是消耗工业燃料的主要用户，中国主要的热工设备是各行各业的各种工业炉窑及热水、蒸气及发电锅炉。上海是中国工业技术总体水平比较先进的城市，表1是五年前上海市典型工业炉窑热效率的调查结果，其平均热效率为22.9%，其产品平均能源消耗比日本等发达国家高出30%左右。这些热工设备燃烧后烟气所带走的热损失是热效率不高的主要原因。因此使用余热回收装置降低烟气排放温度是降低热工设备燃料消耗，减少烟气中污染物排放的最有效办法。传统的办法是采用各种换热器来回收余热，但效果不甚显著。 表1 上海市典型工业炉窑热效率（%）
 高温空气燃烧技术（HTAC）是90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新型燃烧技术，它具有高效烟气回收和高温预热空气及低NOx排放的多重优越性。我国近几年在这一技术领域亦开始起步，并且在工业生产中取得显著的技术经济效益。北京神雾热能技术有限公司经过几年来的开发研究，采用HTAC技术回收余热，已在多家国有大型企业的加热炉上示范应用成功，均达到了节能30%以上，NOx排放量下降40%以上的效果。
2 HTAC技术原理与技术特性
HTAC技术是日本学者田中良一等人[2-3]于80年代末提出的一种全新概念燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来，从而实现了极限节能和极限降低NOx排放量的双重目的。HTAC技术的基本原理如图1所示，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，在经过蓄热式燃烧器B（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度（一般比炉温低50～100°C），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气开成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2～20%）状态下实现燃烧，与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时，将显热储存在蓄热式燃烧器A内，然后以低于150°C的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，从而达到节能和降低NOx排放量等目的，常用的切换周期为30～200秒。HTAC技术可广泛应用于冶金、石化、机械、建材、锅炉等行业的热工设备上。
图1 HTAC技术的工作原理图
HTAC技术的主要特征是：（1）采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够最大限度地回收高温烟气的物理热，从而达到大幅度节约能源（一般节能10%～70%），提高热工设备热效率，同时减少了对大气的温室气体排放（CO2减少10%～70%）；（2）通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使得炉内温度分布均匀；（3）通过组织贫氧燃烧，大大降低了烟气中NOx的排放（NOx排入减少40%以上）；（4）炉内平均温度增加，加强了炉内的传热，导致相同尺寸的热工设备，其产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价；（5）低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）借助高温预热的空气或高温预热的燃气可获得较高的炉温，扩展了低热值燃料的应用范围。
3 HTAC关键技术与创新要点
(1)北京神雾热能技术有限公司率先在我国用蓄热式高温空气燃烧技术原理研制出蓄热式燃烧器。此前，国内只有传统的内置通道蓄热式加热炉和外置通道式蓄热加热炉。
(2)本公司率先在我国研制出专门烧超低热值煤气——高炉煤气的空气、煤气双预热的蓄热式燃烧器（已成功应用于石家庄钢铁公司、临汾钢铁公司、唐山钢铁公司等）。
(3)本公司率先在我国研制出专门烧中等热值煤气——发生炉煤气或混合煤气的空、煤气双预热蓄热式燃烧器（已成功应用于洪都钢厂和鞍钢等）。
(4)本公司率先在国际上研制出专门烧劣质渣油、焦油的蓄热式燃烧器（已成功应用于湖北冶钢集团）。
(5)本公司率先在我国研制出用蜂窝陶瓷材料作蓄热体的蓄热式燃烧器，此前国内全部采用陶瓷小球作为蓄热材料（已成功应用于邯钢等多家企业）。
(6)本公司率先在我国研制出小型三通换向阀与空、煤气双预热蓄热式燃烧器组成的性能先进的蓄热式燃烧系统，避免了此前国内采用的大型四通换向阀给加热炉工艺带来的一些严重弊端（已成功应用于江西洪都钢厂等多家企业）。
4 HTAC技术效果与推广应用及技术经济和社会效益
HTAC技术可以广泛应用于钢铁、石油化工、玻璃、陶瓷、机械、锅炉等行业的各类工业炉。
2001年1月，由北京神雾公司燃烧研究组设计，在邯郸钢铁公司中板厂投产了中国第一座蓄热式烧嘴加热炉，该加热炉长27.7m、宽6.4m，加热坯料的最大的规格为2500´1200´220（mm3），加热能力为80t/h，加热钢温为1150～1250°C，空气预热温度达1100°C，燃料为高炉焦炉混合煤气，热值为6688kJ/Nm3，改造前的吨钢能耗为2.0GJ/t，改造后的能耗为1.1GJ/t，节能达40%以上。改造后烟气中有害成分NOx的排放浓度小于80PPm，钢坯的氧化烧损率下降40%以上。改造后每年的经济效益可达1500万元以上。该座加热炉的顺利投产标志着首次在中国大型加热炉上研制成功燃气蓄热式烧嘴，首次在中国大型蓄热式加热炉上研制成功蜂窝状陶瓷蓄热体，首次在中国大型蓄热式加热炉上实现从冷炉点火到达正常工作温度仅需2小时。
2001年8月，由北京神雾公司燃烧研究组设计，在石家庄钢铁公司中型厂投产中国第一座空气、高炉煤气双预热蓄热式烧嘴加热炉。该加热炉长32.8m，宽3.48m，加热坯料规格为220´300´3000（mm3），加热温度为1200°C，加热能力为65t/h，燃料为高炉煤气，热值为3344kJ/Nm3，改造前吨钢能耗为3.5GJ/t，改造后达到1.4GJ/t，节能达50%以上，由于该加热炉的钢种为合金钢，此炉投产以后，将对我国合金钢生产的节能技术改造产生重大的作用。
这些案例的应用结果表明，HTAC技术是一项跨世纪的先进节能环保技术，每年可以为中国的企业带来300亿元以上的经济效益，每年可给国家节约3000万吨以上标煤。我国政府和工业界应对此项技术的研究与推广引起足够的重视。它不仅能使我国的工业能耗整体水平得到大幅度的降低，而且还能使我国工业能耗指标在最短的时间内超过世界先进水平，实现跨跃式发展目标。
5 HTAC对推动技术进步和科学发展的作用
高温空气燃烧技术自上世纪80年代未问世以来，成为国际90年代迅速发展的高效、节能、环保型先进燃烧技术。与传统燃烧技术相比，高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气回收，可使空气预热温度达烟气温度的95%，炉温均匀性≤±5°C，其燃烧热效率可高达80%，高温空气燃烧技术通过HTAC烧嘴及回收装置可节能达60%以上，因而或降低CO2排放60%以上，同时HTAC技术实现贫氧区域燃烧，使NOx排放大大降低，可达40´10-6数量级。此外HTAC技术燃烧噪音低，减轻了噪音污染。高温空气燃烧技术被国际专家誉为燃烧技术的革命，并预示今后50年内没有超过它的高效、节能和环保技术，也被日本政府被称为二十一世纪的关键技术之一。
6 HTAC技术国内外比较及尚待解决的问题
蓄热式高温空气燃烧技术是日本学者田中良一等人于80年代未提出的一种全新概念的燃烧技术，它把烟所余热回收与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来，从而实现了极限节能和极限降低NOx排放量的双重目的。表2示出了高温空气燃烧技术与传统燃烧技术的比较[7]。
日本政府为执行京都会议所承诺的2010年降低大气层中6%CO2排放量的指标，于1993年～1999年间投入180亿日元用于开发研究[5]。至1997年，日本已有800余台工业炉窑应用了HTAC技术[4]，均达到了节能30%以上，NOx排放量下降到50PPm以下的目的。美国、英国、法国等国正在积极进行开发研究，尚未进入大力推广阶段。表2 高温空气燃烧技术和传统燃烧技术比较
 我国与工业发达国家能源结构有很大区别，发达国家的燃料主要是轻质油、天然气、液化气等优质能源，技术开发难度相对较小。而我国的燃料较多是超低热值、低热值煤气或劣质柴油、重油、渣油、焦油等，技术开发难度远远大于发达国家。虽然我国HTAC技术研究开发工作起点较晚，但从某种意义来说，北京神雾公司研究开发HTAC的技术创新成果已超过了日本等发达国家的水平。
７HTAC技术发展趋势展望
北京神雾热能技术有限公司研制开发的HTAC技术在邯钢应用成功后，国内钢铁企业迅速推广，目前已有太钢、武钢、南钢等20余家企业30多座蓄热式加热炉投入运行，均取得十分显著的节能效果。我国数以万计的工业加热炉和其它各类工业炉窑，采用HTAC技术后，平均节能率可达30%，HTAC技术具有广阔的应用前景。
HTAC技术高效、节能和环保的多重优越性及巨大的技术经济效益和社会效益正在被越来越多的企业所认识，并且正在拓展到石化、陶瓷、玻璃、锅炉、机械等行业的热工设备上。预计我国工业炉窑和锅炉等采用HTAC技术后，每年可以创造300亿元以上的经济效益。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/23/2004) |
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