高温空气燃烧(HTAC)关键技术概述

发布时间：2021-04-08 09:35:50　人气：

随着人口增长和经济发展，能源需求量急剧增加，目前80％的能源消费均由化石燃料的燃烧转化而来[1]，工业炉是众多燃烧设备中的耗能大户，其热效率的提高往往以高污染为代价。上世纪90年代，日本的研究人员在实验中发现：高速喷射(90m／s)的燃气与由蓄热室预热到l 600K的空气混合燃烧时，火焰变得不可见了，但可根据烟道中低的氧浓度推断出燃烧反应已完成；虽然预热温度很高，但烟道内N0x浓度却不高(低于80ppmv)，这种新的燃烧方式被命名为高温空气燃烧(High Temperature Air combustion，HTAC)。另外也有研究人员将其称为“无焰燃烧”(F1ameless Combustion)、“无焰氧化”(F1amelessOxidation，FLOx)、“中度或重度低氧稀释”燃烧(Moderate&Intense Low 0xygen Dilution，MILD)。本文简要介绍HTAc的系统组成、原理及研究与应用动态。

HTAC工作模式

如图1所示，一个简单的HTAC系统由成对的燃烧器、蓄热体和换向阀以及相应的控制系统等组成。当B燃烧器工作时，室温下的助燃空气被B燃烧器内已预热的高温蓄热体加热，喷人炉内，与燃气混合燃烧。经炉内换热以后，由A燃烧器排出炉外，同时加热A燃烧器内的蓄热体。经过适当时间后，通过换向阀的切换，转为A燃烧器工作、B燃烧器排烟，如此往复，完成蓄热、放热过程。换向的频率通常设置为每次20s～120s
HTAC技术原理图

2 HTAC关键设备

2．1蓄热室

蓄热体是蓄热式燃烧器的重要组成部分。作为蓄热介质，蓄热体不耐高温，而且在沿气流方向承受较大的热应力(温度梯度)。实际应用中，蓄热体通常是由氧化铝和其他便宜的材料合成的，统称为陶瓷。这些陶瓷的比热容和导热系数通常较小，可保证较高的储力和较低的散热率。陶瓷蓄热体的结构主要分为两类：一类是用球形陶瓷填充床，如图2a所示，陶瓷小球是随机排列的，这种球形填料床的压降通常较大。另一类是蜂窝结构，如图2b所示，均匀布满六边形或方形孔道，这种结构的比传热面比球形陶瓷大，同时质量为同等体积球形蓄热体的一半。此外蜂窝状流道还具有截面积大、压力损失小、粉尘堵塞少等优点。一个设计良好的蜂窝陶瓷蓄热体可将空气预热到很高温度，高可以比工作温度低50℃。
蓄热体外观

2．2烧嘴

工业炉大多采用扩散式燃烧，扩散式烧嘴的气流速度较慢。HTAc系统中使用的烧嘴如图3所示，气体通过中心管和中心烧嘴进入炉膛，而助燃空气通过设置在燃气烧嘴周围的孔口射人炉膛，燃气和助燃空气几乎平行，且速度较快，因此动量大，喷射距离长，大量卷吸周围烟气，降低反应区的高温度，从而减少NOx生成；混合燃烧区域一般在烧嘴的下游，可以形成大的热氛围区域。
HTAC技术烧嘴示意图

3关键技术问题及研究进展反应区域

3．1蓄热体内的换热

图4为蓄热体的能流图。在蓄热过程中，烟气从热侧进入蓄热体，将热量传递给蓄热体后排出。在放热过程中，助燃空气从冷侧进入，吸热后进入炉内混合燃烧
蓄热体能流图

一般工业炉中的空气预热器空气温度不超过400℃，效能也一般在50％以下；而理想蓄热体预热的助燃空气温度可以超过1 000℃，同时效能达到80％左右。

蓄热器传热优化是HTAc技术应用中的重要问题，也是影响整体节能效果的主要因素。由于烟气的放热和助燃空气的吸热过程在同一个蓄热室内交替进行，较之常规空气预热器，蓄热体不要关注一个周期内的对流传热问题，还要考虑自身蓄力以及蓄热的周期长短，故在材质一定的情况下，蓄热体的结构和两种工作模式的切换时间对传热优化有着重要影响，许多研究者对此进行了研究：瑞典Rafidi等人对蜂窝蓄热器的传热性能进行了数值仿真研究。他们发现，经过短时间的持续升温，蓄热体可以达到周期性的稳态，固体的平均温度以及进出口温度停止继续上升，呈现周期性稳定变化。游永华等人通过三维数值模拟，当减少切换时长时，效能和预热空气温度都将增加，而上述性能指标也会随着通道长度的增加而增加【9】。袁飞等人通过数值模拟比较了蜂窝陶瓷蓄热器开孑L形状对传热性能的影响。他们发现方形开孔比六边形开孔蓄热体具有高的回收率，但同时压力损失大。随着开口尺寸的减小，效能明显增加，但压力损失也会。

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