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蓄热式高温空气燃烧技术在公司的应用及前景新钢钒公司生产部刘子成郑意兰（四川省攀枝花市攀枝花新钢钒公司生产部能源科，办公电话（08123398343），邮编617067）摘要本文简述了蓄热式高温空气燃烧技术的原理、技术优势，以及在公司的应用情况及推广前景。关键词蓄热室、高温空气、燃烧1前言高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为HTAC技术，在西欧一些国家简称为HPAC（HighlyPreheatedAirCombustion）技术，亦称为无焰燃烧技术（Flamelesscombustion）。其基本思想是让燃料在高温低氧浓度（体积）气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80%以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15%～3%（体积）的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术[1-2]。高温空气燃烧技术自问世起，立刻受到了日本、美国、瑞典、荷兰、英国、德国、意大利等发达国家的高度重视，并成功应用于玻璃炉窑、熔融炉、金属加热炉、锻造炉，热处理炉等许多工业炉窑上，处于大力推广阶段，得到了国际工业界和科技界的广泛关注，取得了举世瞩目的节能环保效益，显示了广阔的应用前景。2、HTAC技术的发展国内外各种工业炉和锅炉的节能技术发展都经过了废热不利用和废热开始利用的两个阶段。在最原始的年代，炉子废热不利用，炉尾烟气带走的热损失很大，炉子的热效率在30%以下。从六七十年代开始，国内外较普遍地采用了一种在烟道上回收烟气的装置—空气预热器（或称空气换热器）来回收炉尾烟气带走的热量。采用这种办法可以降低烟气温度，增加进入炉膛的助燃空气的温度，这样做达到了一定的节能效果，但仍存在以下问题：（1）其回收热量的数量有限，炉子热效率一般在50%以下；（2）空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿命短、后者设备庞大、维修困难；（3）从燃烧器的角度来看，助燃空气的温度提高以后，火焰区的体积越来越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部的高温区，这样对于工业炉来说，容易使加热制品局部过热，也影响了工业炉的局部炉膛耐火材料和炉内金属构件的寿命，对于锅炉来说影响其换热效率和水冷壁的寿命，甚至引起爆管等事故；（4）助燃空气温度的增高导致火焰温度增高，NOX的排放量大大增加（甚至可以达到103ppm以上），对大气环境造成了严重的污染。八十年代初，美国的BritishGas公司与HotWork公司开发出一种在工业炉和锅炉上节能潜力巨大的蓄热式燃烧器，产生了高温空气条件下的“第一代再生燃烧技术”，用于小型玻璃熔窑上。其后，这种燃烧器被应用于美国和英国的钢铁和熔铝行业中，尽管这种燃烧器具有NOX排放量大和系统可靠性等问题，但由于它能使烟气余热利用达到接近极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、英国等国家得以推广应用。进入九十年代以后，国内外学术界将蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触的难题提到科技攻关的地位，对其进行了深入的基础性研究，旨在同时达到节能和降低CO2、NOX排放。日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果[1]。由于能高效回收烟气余热的蓄热材料和高频换向设备问题的解决，产生了高温低氧条件下的“第二代再生燃烧技术”即现在所谓的“高温空气燃烧技术”。3、蓄热式高温空气燃烧技术的原理及技术优势一个蓄热式燃烧单元至少有两个烧嘴本体、两个体积紧凑的蓄热室、换向阀和与之相配套的控制系统组成，即应用蓄热式（高温空气）燃烧技术的炉子烧嘴需要成对安装。当常温空气由换向阀切换进入蓄热室后，在经过蓄热室（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膛温度（一般比炉膛温度低50-100°C），高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形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），这样燃料在贫氧（2-20%）状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室（见图中蓄热室2）排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热储存在蓄热体内，然后以150-200°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，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态，常用的切换周期为30-200秒。蓄热式高温空气燃烧技术的诞生使得工业炉炉膛内温度分布均匀化问题、炉膛内温度的自动控制手段问题、炉膛内强化传热问题、炉膛内火焰燃烧范围的扩展问题、炉膛内火焰燃烧机理的改变等问题有了新的解决措施。蓄热式空气燃烧技术的主要优势在于：（1）节能潜力巨大，平均节能25%以上。因而可以向大气环境少排放二氧化碳25%以上，大大缓解了大气的温室效应。（2）扩大了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度均匀，这样一方面提高了产品质量，另一方面延长了炉膛寿命。（3）对于连续式炉来说，炉长方向的平均温度增加，加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉其炉膛尺寸可以缩小20%以上，换句话说，同样长度的炉子其产品的产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价。（4）由于火焰不是在燃烧器中产生的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧噪声低。（5）采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度非常高的情况下，NOX含量却大大减少了。（6）炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯氧化烧损减少。（7）炉膛内为贫氧燃烧，有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，以满足某些特殊工业炉的需要。3、蓄热式高温空气燃烧技术在我国的发展2004年，全国的钢产量达2.7亿吨，全国冶金行业的加热炉达千座以上，我国轧钢加热炉的平均能耗为60Kg标煤/吨钢，国际先进水平的加热炉平均燃料单耗为51kg标煤/吨钢，节能潜力相当大，在我国推广应用这项新技术，将会带来巨大的经济效益和社会效益。目前节能燃烧已在全国冶金、机械、石化、陶瓷、玻璃、火力发电等行业的近八百余家企业的各种工业炉和锅炉上推广应用。从２０００年以来,我国很多节能技术服务公司、高等院校、科研机构，积极跟踪国外的先进技术，组织了燃烧、工业炉、热工自动控制、机械等方面的技术专家集中对蓄热式高温空气燃烧技术在工业炉和锅炉上的应用进行开发研究。国内蓄热式燃烧技术广泛应用于钢铁、石油化工、玻璃、陶瓷、锅炉等行业的各类工业炉，尤其是具有高炉煤气资源的冶金行业大量采用蓄热式燃烧技术，其中北京神雾热能技术有限公司公司就在加热炉、钢包烘烤等100多座工业炉推广了蓄热式燃烧技术，北京北岛能源技术有限公司在马钢中板加热炉等60多座加热炉推广了煤气、空气双预热式的蓄热式燃烧技术。目前国家科技部已将蓄热式燃烧技术列为科技进步重点推广应用项目。4、蓄热式高温空气燃烧技术在攀钢的应用情况4．1、在攀钢轨梁厂1#加热炉的应用情况轨梁厂原三座推钢式连续加热炉，平焰烧嘴，燃烧高、焦炉混合煤气，设计产量为100t/h，由于受装备水平的限制，存在的主要问题是能耗较高，钢坯氧化烧损严重，加热能力不足。生产统计数据表明，每月因加热能力不足造成的待热时间平均达到30个小时，在一定程度上影响了轨梁厂的正常生产。针对这一现状，2003年1#炉大修改建成蓄热式燃烧加热炉，设计由攀钢设计院总承包，于2004年4月投入运行。正常运行后，攀钢钢研院对1#加热炉进入了热工测定，并与改造前的情况及未改造的2#加热进行了对比分析。表1、表2、表3列出了轨梁厂1#加热炉2004年采用HTAC技术前后的技术参数。表11#加热炉改造前热平衡表热收入热支出符号项目热量符号项目热量kJ/t%kJ/t%Q1燃料燃烧化学热1989528.3090.14Q1‘出炉钢坯带出物理热820854.3237.19Q2空气带入物理热141455.216.41Q2’出炉烟气带出物理热919804.4641.67Q3钢坯氧化反应热76215.133.45Q3‘化学不完全燃烧热93818.824.25Q4’炉体表面散热41914.131.90Q5‘冷却水带出物理热58487.302.65Q6’氧化铁皮带出物理热14333.520.65Q7‘汽化冷却热231155.4810.47ΔQ’差值26830.611.22∑Q合计2207198.64100.0∑Q’合计2207198.64100.0表21#加热炉改造后热平衡表热收入热支出符号项目热量符号项目热量kJ/t%kJ/t%Q1燃料燃烧化学热1103388.094.22Q1‘出炉钢坯带出物理热764716.665.30Q2钢坯氧化反应热67746.85.78Q2’出炉烟气带出物理热172608.314.74Q3‘化学不完全燃烧热40282.33.44Q4’炉体表面散热18649.81.59Q5‘冷却水带出物理热22534.21.92Q6’氧化铁皮带出物理热11787.21.01Q7‘汽化冷却热139297.111.89ΔQ’差值1259.30.11∑Q合计1171134.8100.0∑Q’合计1171134.8100.0表31#加热炉改造前、后主要技术经济指标序号指标符号或算式单位改造前改造后1小时产量Gpt/h91.15392.792炉底强度1000Gp/FKg/m2·h453.1461.283供热强度10-6Q1Gp106kJ/h181.35102.384单位热耗10-6Q1106kJ/t1.991.105全炉热效率t1%39.7465.30从1#加热炉的运行实例看出，采用蓄热式燃烧技术后，加热炉降低了煤气消耗，节约煤气消耗32%，另外1#蓄热式加热炉投产后，助燃空气的预热温度提高到1000℃以上，极大的提高了燃料的燃烧温度，使燃料在燃烧空间中低氧浓度条件下，也能完全燃烧，因而减低了空气过剩系数，使钢坯的氧化烧损降低了0.53个百分点。从工业生产统计结果，与未改造的2#加热炉比较，也得到了类似的结论。4．2在攀成钢钢包烘烤器的应用情况由神雾公司对其90t钢包的卧式烘烤装置进行蓄热式改造，以天然气为燃料，采用蜂窝型蓄热体。改造前后的生产统计数据如表2所示。表2钢包烘烤器改造前后对比分析表改造前改造后改造效果钢包温度800-900℃＞1100℃提高200℃包衬温度均匀性钢包底部温度低包衬温度差＜30℃温度均匀性提高烘烤时间新包38-48小时25-28小时缩短10小时以上旧包6-8小时5小时缩短1小时以上天然气消耗新包5000-6000Nm3/次1300-1800Nm3/次节能率＞50%旧包1600-2000Nm3/次700-1000Nm3/次节能率＞50%控制方式手动全自动精确自动控制从表中可以看出，钢包烘烤器使用蓄热式燃烧技术后，其节能率达到50%，新包烘烤时间缩短10小时。5、在新钢钒公司的应用前景新钢钒公司目前使用煤气的轧钢加热炉、钢包烘烤器、退火炉均有条件推广应用。公司可推广应用蓄热式燃烧技术的炉窑的煤气使用量情况如表3所示。表3公司炉窑使用煤气情况序号单位使用炉窑煤气量（吉焦／年）１炼钢厂烘烤器等8644022热轧板厂加热炉27574083冷轧板厂罩式炉等9373084轨梁厂加热炉22003395线材厂加热炉79551合计6839008以上5个单位每年使用的煤气为6839008吉焦，如全部推广应用蓄热式燃烧技术，按轨梁厂的节能效果30%计算，每年可以节约煤气2051702吉焦，折合标准煤7万吨。6、结论6.1蓄热式燃烧技术作为一项的先进节能环保技术，能够使应用煤气的工业炉窑最大程度的实现高产、优质、低耗和低污染，完全符合我国可持续发展的战略要求。6.2蓄热式