高风温无焰燃烧锅炉特性与开发探讨

  在炉膛内采用传统燃烧，即在空气、富氧(含氧体积浓度大于21%)、甚至纯氧的条件下燃烧，因燃料分子在烧嘴附近的较小空间内便与足够多的氧分子相遇，足以在此区域内全部氧化，因此，火焰体积小、存在局部高温区、炉膛平均温度不高、NOx排放浓度大。然而改为在助燃空气温度高于800°C、含氧体积浓度低于15%的条件下燃烧，即高风温无焰燃烧(HighTemperatureAirCombustion简称HTAC)，因烧嘴附近的氧分子数量明显少于传统燃烧时的氧分子数量，只有小量的燃料分子在烧嘴附近与氧分子相遇发生燃烧，而大量的燃料分子须扩散到炉膛大空间中才能与氧分子相遇发生燃烧，因此火焰体积明显增大，火焰峰值温度降低，局部高温区趋于消失112，炉膛平均温度提高，炉膛内传热强化，NOx排放浓度大大降低。高风温无焰燃烧具有与传统燃烧截然不同的火焰特性。在日本、西欧等国家，HTAC技术被认为是节能降污的一项革命性技术采用电加热法产生高温助燃气流，用掺混惰性气体法降低助燃气流中含氧体积浓度。工业上实现高风温无焰燃烧，可用具有炉膛温度的烟气经过一高效蓄热体，让蓄热体将烟气显热传递给室温空气，使得空气升温到800C以上(接近炉膛温度)用炉膛内燃烧产物作稀释剂，组织炉膛内烟气再循环，可经济地降低炉膛内含氧体积浓度。

  报道了一种结合分区燃烧及炉内烟气再循环的新型蓄热式烧嘴，其原理见。空气被高效蓄热体预热后，从室温升高到800C以上，达到燃烧所需的高温助燃气流的条件。燃料分一次燃料和二次燃料2路送入炉膛。为更有效地控制炉膛内燃烧气流含氧体积浓度，在空气预热后进炉前，先混合少量的一次燃料，让其发生普通空气燃烧(传统燃烧)消耗掉空气中的部分氧气。空气受热膨胀后，经优化设计的喷嘴以较大的速度喷入炉膛，剧烈引射周围静止气体或低速气流，形成回流区，使得助燃气流、烟气及大量的二次燃料在炉膛内均匀地混合，达到燃烧所需的低氧体积浓度的条件。

  HTAC锅炉烧嘴的HTAC锅炉主要结构有炉膛、成对的结构相同的蓄热式烧嘴、控制空气与烟气流道周期性的切换阀。烧嘴蓄热体分别设置在助燃气流入口通道和烟气出口通道上，水管均匀地布置在炉膛内腔四周。

  炉膛燃烧热量绝大部分被锅炉水管里的水带走，剩余部分只能让燃烧产物升温200K左右。烧嘴周期性交替工作，实现烟气余热的高效回收和空气的高温预热。助燃气流流入炉膛口和烟气流出炉膛口的数量和位置，影响炉膛内均匀气流的组织和管理难度。当2气流进出口较近时，可将2蓄热体变成空气一烟气型高效换热器。由于炉内有烟气再循环，炉膛内要求微正压运行，传统的回转蓄热式换热器因漏损而难以满足需要。另外也可将众多的烧嘴在炉外集中到一处，如所示，由切换阀(四通阀或电磁阀)控制2气流通道周期性切换，但加大了组织炉膛内均匀气流的难度。若将2气流进出口在炉外对称设置虽易于实现炉内均匀气流的组织，但难于管理。为此借鉴蓄热式加热炉结构将其称为极限换热)远超过传统的热回收率。

  3.2低NOx污染传统燃烧炉膛内存在局部高温区，火焰有峰值温度，炉膛平均温度低，热力型NOx主要在局部高温区生成。在HTAC炉膛里，局部高温区趋于消失，炉膛平均温度提高，但低于生成NOx的临界温度1400~1500°C，故将有效地减少NOx的生成。HTAC锅炉为创造一种经济的低氧体积浓度的条件，还采用了分区燃烧和烟气再循环等低NOx污染技术大大地抑制NOx的生成和降低NOx的排放。从蓄热式烧嘴工作原理可知，一次燃料进行传统燃烧，存在NOx污染，故需控制一次燃料的流量。一次燃料和二次燃料流量比例、炉内均匀的温度场和速度场及浓度场是控制NOx生成的关键萧泽强。