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高溫空氣燃燒(HTAC)關鍵技術概述

發(fā)布時間:2021-04-08 09:35:50 人氣:

隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展,能源需求量急劇增加,目前80%的能源消費均由化石燃料的燃燒轉化而來[1],工業(yè)爐是眾多燃燒設備中的耗能大戶,其熱效率的提高往往以高污染為代價。上世紀90年代,日本的研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn):高速噴射(90m/s)的燃氣與由蓄熱室預熱到l 600K的空氣混合燃燒時,火焰變得不可見了,但可根據(jù)煙道中低的氧濃度推斷出燃燒反應已完成;雖然預熱溫度很高,但煙道內N0x濃度卻不高(低于80ppmv),這種新的燃燒方式被命名為高溫空氣燃燒(High Temperature Air combustion,HTAC)。另外也有研究人員將其稱為“無焰燃燒”(F1ameless Combustion)、“無焰氧化”(F1amelessOxidation,F(xiàn)LOx)、“中度或重度低氧稀釋”燃燒(Moderate&Intense Low 0xygen Dilution,MILD)。本文簡要介紹HTAc的系統(tǒng)組成、原理及研究與應用動態(tài)。

HTAC工作模式
如圖1所示,一個簡單的HTAC系統(tǒng)由成對的燃燒器、蓄熱體和換向閥以及相應的控制系統(tǒng)等組成。當B燃燒器工作時,室溫下的助燃空氣被B燃燒器內已預熱的高溫蓄熱體加熱,噴人爐內,與燃氣混合燃燒。經(jīng)爐內換熱以后,由A燃燒器排出爐外,同時加熱A燃燒器內的蓄熱體。經(jīng)過適當時間后,通過換向閥的切換,轉為A燃燒器工作、B燃燒器排煙,如此往復,完成蓄熱、放熱過程。換向的頻率通常設置為每次20s~120s
HTAC技術原理圖
2 HTAC關鍵設備
2.1蓄熱室
蓄熱體是蓄熱式燃燒器的重要組成部分。作為蓄熱介質,蓄熱體不耐高溫,而且在沿氣流方向承受較大的熱應力(溫度梯度)。實際應用中,蓄熱體通常是由氧化鋁和其他便宜的材料合成的,統(tǒng)稱為陶瓷。這些陶瓷的比熱容和導熱系數(shù)通常較小,可保證較高的儲力和較低的散熱率。陶瓷蓄熱體的結構主要分為兩類:一類是用球形陶瓷填充床,如圖2a所示,陶瓷小球是隨機排列的,這種球形填料床的壓降通常較大。另一類是蜂窩結構,如圖2b所示,均勻布滿六邊形或方形孔道,這種結構的比傳熱面比球形陶瓷大,同時質量為同等體積球形蓄熱體的一半。此外蜂窩狀流道還具有截面積大、壓力損失小、粉塵堵塞少等優(yōu)點。一個設計良好的蜂窩陶瓷蓄熱體可將空氣預熱到很高溫度,高可以比工作溫度低50℃。
蓄熱體外觀
2.2燒嘴
工業(yè)爐大多采用擴散式燃燒,擴散式燒嘴的氣流速度較慢。HTAc系統(tǒng)中使用的燒嘴如圖3所示,氣體通過中心管和中心燒嘴進入爐膛,而助燃空氣通過設置在燃氣燒嘴周圍的孔口射人爐膛,燃氣和助燃空氣幾乎平行,且速度較快,因此動量大,噴射距離長,大量卷吸周圍煙氣,降低反應區(qū)的高溫度,從而減少NOx生成;混合燃燒區(qū)域一般在燒嘴的下游,可以形成大的熱氛圍區(qū)域。
HTAC技術燒嘴示意圖
3關鍵技術問題及研究進展反應區(qū)域
3.1蓄熱體內的換熱
圖4為蓄熱體的能流圖。在蓄熱過程中,煙氣從熱側進入蓄熱體,將熱量傳遞給蓄熱體后排出。在放熱過程中,助燃空氣從冷側進入,吸熱后進入爐內混合燃燒
蓄熱體能流圖
一般工業(yè)爐中的空氣預熱器空氣溫度不超過400℃,效能也一般在50%以下;而理想蓄熱體預熱的助燃空氣溫度可以超過1 000℃,同時效能達到80%左右。
蓄熱器傳熱優(yōu)化是HTAc技術應用中的重要問題,也是影響整體節(jié)能效果的主要因素。由于煙氣的放熱和助燃空氣的吸熱過程在同一個蓄熱室內交替進行,較之常規(guī)空氣預熱器,蓄熱體不要關注一個周期內的對流傳熱問題,還要考慮自身蓄力以及蓄熱的周期長短,故在材質一定的情況下,蓄熱體的結構和兩種工作模式的切換時間對傳熱優(yōu)化有著重要影響,許多研究者對此進行了研究:瑞典Rafidi等人對蜂窩蓄熱器的傳熱性能進行了數(shù)值仿真研究。他們發(fā)現(xiàn),經(jīng)過短時間的持續(xù)升溫,蓄熱體可以達到周期性的穩(wěn)態(tài),固體的平均溫度以及進出口溫度停止繼續(xù)上升,呈現(xiàn)周期性穩(wěn)定變化。游永華等人通過三維數(shù)值模擬,當減少切換時長時,效能和預熱空氣溫度都將增加,而上述性能指標也會隨著通道長度的增加而增加【9】。袁飛等人通過數(shù)值模擬比較了蜂窩陶瓷蓄熱器開孑L形狀對傳熱性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)方形開孔比六邊形開孔蓄熱體具有高的回收率,但同時壓力損失大。隨著開口尺寸的減小,效能明顯增加,但壓力損失也會。

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