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高温空气燃烧HTAC

来源:|作者:金瑞 |发布时间:2021-04-08 |次浏览
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
高速喷射(90m/s)的燃气与由蓄热室预热到l600K的空气混合燃烧时,火焰变得不可见了,但可根据烟道中极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(HighTemperatureAircombustion,HTAC)。另外也有研究人员将其称为“无焰燃烧”(F1amelessCombustion)、“无焰氧化”(F1amelessOxidation,FLOx)、“中度或重度低氧稀释”燃烧(Moderate&IntenseLow0xygenDilution,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
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,如此循环往复,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
HTAC关键设备-蜂窝陶瓷蓄热体
蓄热体是蓄热式燃烧器的重要组成部分。作为蓄热介质,蓄热体不仅耐高温,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更便宜的材料合成的,统称为陶瓷。这些陶瓷的比热容和导热系数通常较小,可保证较高的储热能力和较低的散热率。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,同时质量仅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,最高可以仅比工作温度低50℃.
蜂窝陶瓷蓄热体
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,降低反应区的最高温度,从而减少NOx生成;混合燃烧区域一般在烧嘴的下游,可以形成更大的热氛围区域。
HTAC技术烧嘴
燃料适应性
虽然HTAC技术中最常使用的燃料是天然气,但由于助燃空气预热温度高,一些以往难以应用的低热值的燃料也可以被HTAC技术使用,实现高效、减排的目标。意大利Cavigiolo等人发现,当K,>5并且炉温度超过800℃时,低热值的生物质气也可以实现无焰燃烧,烟气中N0x浓度很低。日本Kawai等人将HTAc技术应用到以煤气化产生的低热值气体为燃料的锅炉上,降低了N0x排放低,同时具有传热性能好、噪声小等优点。荷兰zhu等人将HTAc技术应用于乙醇喷雾燃烧,并讨论了不同氧浓度和炉温对喷雾燃烧共流条件的影响

高温空气燃烧(HTAC)技术在与传统工业炉的
燃烧技术相比主要特点如下:首先,助燃空气和烟气通过蜂窝陶瓷蓄热体间接交换热量,辅以对蓄热体结构和换向频率的优化设计,效能普遍高于空气预热器。其次,高速喷射出的高温预热空气能够在内部卷吸烟气,降低了氧浓度,使温度分布趋于均匀,温度峰值降低,减少NOx排放。另外,由于预热空气的热量大,更多的低热值燃料可以得到应用。