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新的高效洁净燃烧技术（一）蓄热燃烧技术苍大强北京科技大学冶金与生态学院国家钢铁冶金新技术重点实验室2015年1月17日能耗形势中国消耗全世界16%的总能源，产生了全世界8%的GDP。•中国钢铁工业能耗占全国能耗的16.3%，钢铁工业总产•值占全国GDP的3.2%。中国钢铁能耗占工业总能耗的23%。••钢铁工业处处有燃烧现象：•烧结：移动床煤焦的反向燃烧，煤气燃烧，料床表面点火与•移动燃烧；•焦化：燃烧室煤气燃烧，焦炭出炉后的燃烧；•高炉：风口区煤粉和焦炭燃烧（高压有限空间，大速差燃烧）•热风炉：煤气燃烧•转炉：射流区表面超高温碳—氧燃烧，炉内煤气燃烧，•烤包煤气燃烧；•电弧炉：辅助燃料燃烧；•轧钢加热炉：煤气、油、煤的燃烧；•热处理炉：煤气燃烧•自备电厂锅炉：煤气或煤粉燃烧等；•CCPP发电等。•1.蓄热式燃烧技术（煤气）•2.富氧燃烧技术（煤气）•3.高炉富氧燃烧技术（煤粉）•1.蓄热式燃烧技术2010-7-1730超低超低超低NOxNOxNOx燃烧技术燃烧技术燃烧技术燃烧区氧气浓度(%)不燃烧领域传统技术要脱硝预热空气温度K低NOx稳定燃烧2010-7-177①与传通炉子相比平均节能30%～50%;②烟气余热回收率高达90%;③冷空气温度可被预热到烟气温度的85%～95%。国内的”蓄热式燃烧”的技术•国外称作”高温空气”“高温低氧”燃烧技术(HTAC技术)•HTAC是20世纪80年代以来国际工业炉领域•大力推广的新型燃烧技术。特点：••１）实现助燃空气高温1000℃；（与炉温1250℃差距小）•２）低氧气浓度(2～5%)条件下的特殊燃烧过程；•３）源头降低了烟气中很难脱除NOx等有害物；•４）不同程度的节能效果。蓄热燃烧技术国外有几种不同的称呼:•（1)HIAC技术(高温空气燃烧技术):•HighTemperatureAirCombustion•(2)FLOX技术(无焰氧燃技术):•FlamelessOxidationCombustion•(3)EEC技术(过焓燃烧技术):ExcessEnthalpyCombustion•(4)DOC技术(稀氧燃技术):DiluteOxygenCombustion•(5)LNI技术(低NOx的射流技术):•LowNOxInjectionCombustion•(6)LOD技术(贫氧稀释燃烧技术):•LowOxygenDilutionCombustion•国际上对燃烧技术的统一要求是：•（1）高效•（2）洁净•（3）安全•蓄热燃烧技术是可以达到此三大要求的一种技术。•钢铁工业主要用于：•冶炼炉，加热炉，热处理炉，烤包炉等。（焦化炉）••1.HTAC技术的发展历程•蓄热式燃烧技术经历了两个重要的发展阶段：•（1）1982年英国的HotworkDevelopment公司和BritishGas公司•合作开发了用于小型玻璃熔化炉中的蓄热式陶瓷燃烧器•(RegenerativeCeramicBurner—RCB),节能效果十分显著。这种•燃烧器之后被广泛应用于英国和美国的钢铁和铝工业,后来这种•技术逐渐被应用在其他领域。•这种早期开发的高温空气燃烧技术一般被称为：•“第一代蓄热燃烧技术”-----主要目的：节能。•(2)早期开发的蓄热式高温空气燃烧技术存在的不足是:•1)预热能力不够,不能实现所谓的“极限余热回收”;••2)没有考虑减排NOx等环保问题。•经过十多年的发展,科研解决了上述问题,到了20世纪•90年代，此技术发展成为真正意义上的“蓄热式高温空气燃烧•技术”-----第二阶段蓄热燃烧技术。••第二代蓄热技术HTAC是由日本学者田中良一等人提出的一种新概念燃烧技术,它把回收烟气余热和高效燃烧及降低NOx排放等技术结合起来,实现了节能和环保的双重目的。该技术开创了当时针对燃用清洁或较清洁的气体和液体燃料的工业炉开发应用蓄热式高温空气燃烧技术的新时代。但是煤的燃烧过程暂时无法应用蓄热燃烧技术。•2.国外蓄热式燃烧技术的研究•2.1国际火焰协会(IFRF)的HTAC研究•IFRF在钢铁行业目前会员单位有九家:主要有德国阿赛洛公•司、荷兰CORUS公司、英国CORUS公司、日本神户制钢、日•本新日铁公司和中国宝钢等。研究项目：•HTAC(高温空气燃烧)项目、OxyFlam(富氧燃烧)项目等利用•钢铁行业煤气副产品的项目。•国际火焰燃烧协会IFRF对HATC开展的研究工作:•从20世纪90年代中期开始研究HTAC，使用高温预热空气分别与天然气\煤粉和其他燃料进行燃烧试验。•建立了专门的实验炉，研究以下内容:•(1)通过降低排烟温度200℃以下的最佳组合,降低热损失;•(2)减少NOx的形成，通过稀释燃烧降低峰值温度;•(3)通过均匀温度分布来提高产品质量;•(4)加快产品的传热来增加产量。IFRF研究领域包括:玻璃、钢铁、发电等行业，研究的主要内容:•(1)基础研究:流体力学，传热学，燃烧学和工件传热特性;•(2)应用方面:炉子高效燃烧技术和安全措施;•(3)洁净燃烧方面:大幅度降低NOx的技术。•IFRF项目研究的方式----“产、学、研”合作。•2.2荷兰CORUS钢厂HITAC应用••CORUS对热轧的加热炉进行了HTAC改造:•板坯尺寸12×1.5×0.2m;钢坯装炉温度:20－300℃;出炉温度:1150－1250℃;燃料:天然气＆焦炉煤气(100MW);助燃空气:400～600℃。•2006年春天安装了4个HTAC烧嘴，夏天进行了试验运转。2006～2007年一直进行现场生产试验。工业试验的效果证明:实现：•节能:27%;•大大减少了NOx的排放；•实现了稳定操作一年得目标。•2.3德国HTAC技术研发及应用•WS公司主要研究:火焰的特性，无焰的条件：空气预热、助燃空气低氧气浓度和大的燃烧空间等。•NOx的排放;•建立了FLOX火焰测量实验装置，完成了三维自动测量;•使用CFD建模进行了常规火焰与FLOX火焰温度分布和速度分布的研究;对烧嘴的结构进行了研究，包括辐射管烧嘴。主要应用于硅钢加热炉、蒂森克鲁伯的连续退火炉;开发的REGEMAT烧嘴使用在不锈钢连续退火炉上。另外就是将FLOX火焰烧嘴向其他领域推广。•在Stuttgart大学建立了FLOX试验装置，研究重点：蓄热燃烧过程的稳定性、适用性和安全性。•２.４美国燃烧技术现状•奥巴马总统保证美国要立法实现到2020年温室气体减排16%，到2050年温室气体减排80%，这样苛刻的立法建立后需要大量新技术，主要研究包括三方面:•1）燃烧前燃料处理(主要包括蒸气－氢重整技术);•2）高效的燃烧技术象HTAC、无焰燃烧和富氧燃烧技术;•3）燃烧后的CO2捕捉和储存技术---CCS。•完成加热炉富氧燃烧技术的工业示范。主要的关注燃烧的安全性和可靠性。•美国的GreatSouthernFlameless(GSF)公司已经开发出很新的无焰加热技术，使用了HTAC技术来提高效率和减少CO2排放，同时该工艺也实现了低NOｘ排放的目标本。•２.５加拿大燃烧技术研发•CANMETEnergyTechnologyCentre是加拿大规模最大的清洁能源研究和开发机构，拥有450个科学家、工程师和技术人员，超过100年的经验，该机构的目标是开发清洁能源技术，减少温室气体排放，改善加拿大的环境。许多的工业过程都使用HITAC技术，起初主要应用于钢铁行业。•开发模型来模拟不同工业炉燃烧过程和结果。通过试验测量来比较常规和HTAＣ火焰特性，火进行了焰辐射热流测量，与其他燃烧技术相比：•HITAC火焰有一个更低的峰值温度和更均匀的炉内温度，火焰的波动也比常规的小，HITAC的辐射热流比常规火焰的高。2.6法国对HTAC燃烧技术的研究•将HTAC技术用在高炉热风炉上，该技术首先于1991年由法液空立项研究，后来又联合西马克－德马克进行市场化推广，该过程在一个特殊的反应器中进行，获得了一下结果：•1）低的压力损失,2）更低的热损失,•3）更剧烈的燃烧，4）更紧凑的燃烧空间，•5）投资减少了25～30%,6）实现节能8%,•7）可以不用高热值煤气;8）获得更低的污染物排放(NOX•、CO、CO2等)•9）燃料的成本节约25%。•中国：•我国在1992年进行了第一座高效蓄热式工业炉工业试验,以•后越来越多的钢厂都采用了蓄热式加热炉,各厂家还结合自身的•实际情况进行了各种改进。蓄热燃烧技术在钢铁工业节能减排方•面发挥了积极的作用。•３.国内蓄热燃烧技术研究现状•３.1换向式蓄热燃烧技术•在国内工业炉上主要应用的是换向式蓄热燃烧系统，由燃烧器、换向阀、蓄热器与控制系统构成。•与传统的燃烧技术相比，该系统能最大限度回收高温烟气的余热，大大地降低了加热炉的排烟损失，达到了有效利用能源的目的，可使预热空气温度达到800～1200℃；•扩大了燃料的范围，使得低热值的高炉煤气也可以用于燃烧，还从源头大大减少了NOx生成量。由于空气喷口和燃料喷口之间有一定距离，在空气与燃气混合前，高速的空气射流卷吸一定量的炉内烟气，使助燃空气中的含氧量降低到15％或更低。•因为空气温度已经被预热到燃料燃点以上，可以实现稳定燃烧，还使得火焰的峰值温度降低，火焰拉长，炉内的温度分布均匀，有利于提高被加热产品的质量。•国外：绝大多数的工业炉如玻璃熔炉、锻造炉、熔铝炉等应用蓄热燃烧系统的节能减排效果明显。但在不用高炉煤气为燃料的连续式加热炉上采用蓄热燃烧系统，则节能效果并不大。•相同的工况条件下，当采用单预热蓄热燃烧时，轧钢连续加热炉的热效率与工作优良的传统连续式加热炉差别不大。•蓄热式换向燃烧技术是间歇式排烟、脉冲式燃烧,换向时间约为3～8s。在这段时间内，炉膛压力会产生明显波动。•由于燃料是换向式燃烧，易使烧嘴造成堵塞、结焦、断火、不燃、爆鸣、爆燃等问题。3.2连续式蓄热燃烧技术•连续式蓄热燃烧技术的研究稍后于换向式蓄热燃烧系统的研究。早在1995年，德国WS公司和ASPER公司就开始了连续式蓄热燃烧技术的探索。•国内在2002年也开始了这方面的研究工作，晋能集团铝材公司的熔铝炉上首先使用了连续式蓄热燃烧技术，取得了理想的效果。•2005年，国内提出了档位式蓄热器的蓄热方案，其外观类似于回转式蓄热器，可实现对炉窑的连续供气，保证了炉内火焰的稳定性，从而使炉内工况不易波动。•2008年，又提出了可实现连续燃烧的集中式蓄热燃烧技术，开发出了一种连续式的高温烟气余热回收装置,该装置换热元件里的气体通道被隔成相互独立的多层空间,烟气和空气经过各层空间。•连续式蓄热燃烧系统特点：•(1)不用再设置传统方法先将炉温提高到800℃以上再开启蓄热系统的方法，或采用长明灯或值勤烧嘴连续点燃换向烧嘴的方法；•(2)可以连续调节火焰的大小，装完冷料的炉子或烘炉也可以正常使用蓄热式系统。•(3)燃气管道与烟气/空气供应管道分离,所以该蓄热系统安全。•(4)燃气不需切换装置，解决了切换式HTAC技术中的烧嘴堵塞、结焦、断火、不燃、爆鸣、爆燃等问题。•(5)保持原有炉型不变,保持原有烧嘴或减少烧嘴的数量，不改变原有的燃烧方式。适于新炉，也可用于旧炉节能改造。•(6)占地少、安装简便、自动控制。3.3HTAC技术在宝钢2050mm热轧厂2号炉的运用•2号加热炉投产至今,由于燃料的变化、热轧产品质量要求和燃烧技术的限制,目前的燃耗水平与世界先进水平尚有差距;计划结合加热炉的大修进行蓄热式燃烧的技术改造,满足低耗、优质的要求。•2050mm加热炉上蓄热式烧嘴具备如下条件:•(1)采用较高发热值的混合煤气,低热值9614kJ/m3,。•(2)HTAC控制系统和以前的燃烧控制系统可以融合。•(3)关键技术、设备,比如系统控制方法、换向阀、蓄热体等趋•于成熟。•3.4空气单蓄热式燃烧技术在武钢加热炉上的应用•武钢热轧1580mm有3座270t/h的步进梁加热炉，稳定运行近一年。燃烧设备采用Bloom公司的空气单蓄热式烧嘴技术。•结果：1#蓄热炉与2#和3#常规炉在节省燃料和低污染排放等方面有较明显的优势。•1580mm热轧1#炉只在加热段