(完整版)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，是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，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