連續式換熱高溫低氧燃燒爐內煙氣組分研究

王 龍，吳晉湘

（1. 河南安鋼澤眾冶金設計有限責任公司，河南 安陽 455004；2.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

高溫空氣燃燒技術（High Temperature Air Combustion，簡稱HTAC），亦稱無焰燃燒技術，是一種集高效、節能、低排放多重優勢于一體的新型燃燒技術[1-2]。早在20 世紀90 年代初，日本和德國就最先開始了該技術的研究[3-4]，近幾年，國內高校和企業合作，運用該技術對全國數十家鋼鐵企業的熱工設備進行了蓄熱式改造，并取得了顯著的節能效果和巨大的經濟效益[5]。該技術的基本思想是讓燃料在高溫低氧濃度氣氛中燃燒，它包含兩項基本技術措施：一是采用溫度效率高、熱回收率高的蓄熱式換熱裝置，最大限度地回收煙氣顯熱，用于預熱助燃空氣，從而獲得溫度接近爐內煙氣溫度的高溫助燃空氣； 二是利用燃料分級燃燒技術和高速氣流卷吸爐內燃燒產物，稀釋反應區域的氧濃度，減少燃燒區域的局部高溫，有效控制 NOx排放[6-7]。王愛華等[8]及胡雅琴[9]分別在不同的空氣預熱溫度和氧氣濃度下對火焰燃燒特性和污染物的排放進行了數值模擬和實驗研究；YANG W H 等[10]對燃燒爐內的各種氣體組分進行了對比驗證，得出裝有蓄熱式燃燒器的爐子更加高效節能；MI J C 等[11]利用高動量初始射流來增強爐內煙氣卷吸；賈力等[12]采用爐外煙氣再循環技術，對高溫空氣燃燒室的溫度分布、NOx排放及燃燒特性進行了研究。大量的實驗研究和實際應用表明，蓄熱換向式的燃燒技術是間歇式排煙、脈沖式燃燒，頻繁的換向操作容易造成爐內溫度和壓力的波動，燒嘴的堵塞、結焦、斷火，蓄熱體的積灰、變形、坍塌等諸多問題[13]。張建軍等[14]開發了可連續燃燒的自蓄熱高溫空氣燃燒器，克服了爐內溫度場、壓力等的波動，提高了燃燒效率，實現了高溫煙氣余熱的“極限穩定回收”以及高溫低氧空氣的“連續燃燒”。

本文作者集中了煙氣自循環技術與高溫空氣燃燒技術兩者的優勢，采用煙氣自循環燃燒器和高效間壁式換熱器，搭建了可連續換熱的高溫空氣燃燒系統，實現了無需換向裝置即可進行高溫低氧空氣的連續燃燒。本文通過實驗研究和數值模擬的方法，對比分析了連續式換熱高溫空氣燃燒爐內煙氣組分濃度隨空氣預熱溫度的變化趨勢。

1 實驗系統介紹

實驗系統主要由煙氣自循環燃燒爐、 間壁式換熱器和自動數據采集系統組成（見圖1）。煙氣自循環燃燒爐體模型為圓柱形，長0.8 m，內徑0.36 m。爐膛兩側共有8 個對稱布置的觀測窗口，爐膛保溫層由耐火泥層、陶瓷纖維層、玻璃棉層組成。燃燒器采用煙氣自循環燃燒器，該燃燒器是根據文丘里引射器原理設計出的一種利用空氣動能引射爐內煙氣回流的燃燒裝置，煙氣與空氣混合后可將氧濃度稀釋并將空氣進行二次加熱[15]。

空氣氣源由空氣壓縮機提供，流經緩沖罐、控制閥門、智能渦街流量計，進入間壁式換熱器與高溫煙氣進行連續換熱，生成高溫助燃空氣；燃料采用高純度丙烷，由質量流量計控制噴入爐膛與高溫空氣混合燃燒；煙氣流過間壁式換熱器后沿煙道排出。

2 數值模擬方法

圖1 連續式換熱高溫空氣燃燒實驗系統圖

本文所采用的燃燒系統模型如圖2 所示。煙氣自循環燃燒器包括引射回流管、 混合室和擴壓段三部分。空氣通道為環形結構，經空氣預熱器換熱生成的高溫助燃空氣，與引射來的煙氣混合后噴入爐膛，中心管為燃氣噴管，燃燒器后為爐膛及煙道部分。本文對燃燒系統模型進行了簡化，把8 個空氣噴管簡化成一個環形噴管，煙氣回流通道轉化成環形的規則形狀，在Gambit 中按1∶1 畫出模型并生成結構化網格，如圖3 所示。為了更好的分析氣流的流動情況，根據氣流的流向，在速度較大的區域采用密集的網格劃分，并采用Fluent 軟件進行二維數值模擬[16]。

圖2 燃燒系統模型示意圖

圖3 煙氣自循環爐膛模型網格劃分示意圖

3 實驗結果及分析

在火焰能長期穩定燃燒的工況范圍內，選取了空氣流量為25 m3/h，燃料流量為0.48 m3/h，丙烷在常溫下送入爐膛，常溫空氣經間壁式換熱器預熱后進入爐膛進行燃燒，實驗結果如下。

3.1 爐膛尾部的煙氣變化

圖4～圖7 分別為爐膛尾部測量區域的O2、CO2，CO、CxHy、H2，NOx和爐內壓力隨著空氣預熱溫度的變化趨勢。從圖4 和圖5 中可以看出，實驗剛開始的一段時間內，空氣預熱溫度和爐內的溫度并不高，爐膛尾部的O2體積濃度瞬間由21.2%迅速下降到了15.1%，CO2的體積濃度也迅速上升到了4.3%；還生成了大量的中間產物 CO、H2和 CxHy，CO 體積濃度最高達到了 908.7×10-6，CxHy最高達到 531.1×10-6，H2也達到了154.4×10-6。隨著燃燒的繼續進行，空氣預熱溫度越來越高，爐內的溫度水平也逐漸升高，丙烷燃燒得也越來越充分，CO、H2和CxHy在爐膛尾部的含量大大減少，H2和CxHy分別迅速下降到了83.5×10-6和 9.7×10-6，最后都減少為 0，CO 則隨著反應的進行最終逐漸下降到了 43.3×10-6；O2、CO2的體積濃度也分別穩定在了12.6%和5.5%； 圖7 爐膛內部的負壓也從開始的-0.1 hPa 逐漸下降到了-0.4 hPa。

圖4 O2 和 CO2 體積濃度變化圖

圖5 中間產物 CO、CxHy、H2含量變化圖

圖6 NOx 含量變化圖

圖7 爐內壓力變化圖

圖6 中NOx排放量隨著空氣預熱溫度的增加先快速增加后略有下降，再繼續上升，但NOx排放量最高并沒有超過 50×10-6。NOx中幾乎全是 NO，NO2的生成量很少，幾乎可以忽略不計。在實驗初始階段，空氣預熱溫度和爐內的溫度并不高，燃料濃度相對富裕，此時快速型NO 大量生成，隨著空氣預熱溫度的升高，爐內的溫度也迅速上升，已生成的快速型NO 部分轉變為中間產物，再經過復雜的反應生成了大量的熱力型NO，因此才會出現圖中總NO 生成量先略有下降后又上升的變化趨勢。

3.2 爐內火焰燃燒狀態

圖8 為不同空氣預熱溫度下分別從第一、 第二及第三觀察窗（從右至左）拍攝的火焰燃燒情況。從圖中的火焰變化情況來看，隨著空氣預熱溫度的升高，火焰的體積略有變大，火焰顏色變亮，尤其是在第二、第三觀察窗的位置，第二觀察窗的黃色火焰逐漸變成了亮白色，使整個爐膛更加透亮；第三觀察窗中雖只有少量的火焰鋒面，但是此處的爐膛依然十分明亮，溫度也很高；而第一觀察窗中的藍色火焰增多，大量的藍色火焰在亮黃色火焰的映襯下顯得像薄霧一樣，甚至有時火焰鋒面消失，在實驗過程中，被誤以為火焰熄滅。

圖8 不同空氣預熱溫度下火焰燃燒狀態對比圖

4 數值模擬及結果分析

4.1 模擬工況

為了更好的同實驗結果對比，模擬時選擇與實驗相同的工況，工況如表1，采用Fluent 軟件進行數值計算。

表1 模擬工況

4.2 爐膛尾部煙氣組分對比分析

圖9～圖12 分別為爐膛尾部煙氣組分CxHy，CO、H2，CO2、O2和 NOx隨空氣預熱溫度變化趨勢的對比分析。圖9 表明實驗數據和模擬結果中，在空氣預熱溫度大于550 K 時，爐膛尾部碳氫化合物的含量始終保持為0，說明燃料在爐膛內都得到了充分的燃燒。圖10 中CO 和H2隨空氣預熱溫度的變化趨勢略有不同。實驗所測到的爐膛尾部H2含量很少，幾乎可以忽略不計，而CO 則是隨空氣預熱溫度由最初的 425.8×10-6大幅度下降到了 43.3×10-6； 而數值模擬的結果則顯示為H2和CO 分別由375.9×10-6和432.5×10-6呈線性下降到了 263.6×10-6和 308.7×10-6，二者下降的斜率也很相似。圖11 中實驗得出的O2和CO2濃度隨空氣預熱溫度的變化分別基本穩定在了12.6%和5.5%左右，數值模擬的O2和CO2濃度則是分別穩定在了13.0%和4.4%左右，實驗和模擬的結果相差不大。圖12 可以看出，在實驗和數值模擬的結果中，爐膛尾部NOx的排放量都隨著空氣預熱溫度的增加而增加，分別由 20.5×10-6和 3.5×10-6上升到了 30.5×10-6和 13.0×10-6，二者的 NOx排放量均未超過50×10-6，一方面是由于爐內的溫度還不足以大量生成NOx，另一方面是因為煙氣自循環使大量的煙氣參與回流，強化了爐內反應物的混合，使爐膛內的氧氣濃度得到了稀釋，從而溫度分布更加均勻，有效地控制了NOx的生成和排放。

圖9 CxHy 含量對比圖

圖10 CO 和H2 含量對比圖

圖11 CO2 和O2 體積濃度對比圖

圖12 NOx 生成量對比圖

4.3 燃燒器特性分析

圖13 和圖14 分別為煙氣自循環燃燒器影響助燃空氣的含氧濃度和預熱溫度的模擬結果。由于實驗條件的限制，采用實驗儀器測量的難度較大，因此只進行了數值模擬。從圖中可以看出，參與回流的高溫低氧煙氣可以將助燃空氣進行二次稀釋和加熱。當空氣預熱溫度為573 K，含氧濃度為21%時，在引射器喉部助燃空氣氧濃度下降至16.9%，溫度上升至814 K，在引射器出口即爐膛入口處，由于高速射流卷吸了周圍的燃燒產物，進一步稀釋和加熱了助燃空氣，此處的氧氣濃度為16.7%，溫度為831 K。隨著空氣預熱溫度的升高，煙氣自循環燃燒器稀釋和加熱助燃空氣的效果越來越好，引射器喉部、煙氣回流通道和引射器出口處氧氣濃度逐漸下降，溫度逐漸上升。

圖13 氧氣濃度變化圖

圖14 溫度變化圖

由于受到換熱器材質的限制以及爐體還存在著散熱和漏氣現象，導致了實驗過程中空氣的預熱溫度距離高溫空氣燃燒的理想高溫條件還有一段距離，再加上數值模擬時對燃燒爐模型進行了簡化，得出的實驗數據同模擬結果在數值上存在差異，但是隨著空氣預熱溫度的增加，爐膛尾部煙氣成分的變化趨勢是基本一致的。

5 結論

（1）通過實驗與模擬的對比分析可以看出，除了由于實驗條件的限制和數值模擬的簡化造成的數據誤差外，爐膛尾部各煙氣成分隨著空氣預熱溫度增加的變化趨勢是基本吻合的。

（2）連續式換熱高溫空氣燃燒系統避免了蓄熱換向式高溫空氣燃燒所帶來的燃燒不連續及爐溫、爐壓的波動等許多問題，還省去了頻繁換向的大量能耗，有很高的研究價值，但是若要提高實驗數據的準確度，在換熱器的設計、數據的采集和燃燒爐的保溫密封方面仍需要進一步的完善。