鍋爐燃燒機燃燒技術(shù)的節(jié)能環(huán)保效益

本文介紹了高溫空氣燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程和該技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保方面的特征。以目前冶金行業(yè)部分應用鍋爐燃燒機燃燒技術(shù)企業(yè)的實際效果為依據(jù)，提出在我國應用該項技術(shù)具有的節(jié)能和環(huán)保效益。 

關(guān)鍵詞：高溫空氣燃燒技術(shù) 蓄熱式燒嘴 節(jié)能 環(huán)保 

1 前言 

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和人口的不斷增長，能源和環(huán)境問題成為倍受國人矚目的兩大問題。目前全國的能源有90%以上來自燃燒化石燃料（煤、石油和天然氣）所釋放的能量?；剂显谌珖膬α渴怯邢薜?，我們需要開發(fā)新能源，而當前更重要的是現(xiàn)有能源的合理利用。相應地，全國70%以上的污染物也來自化石燃料的燃燒產(chǎn)物，如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、未燃碳氫化合物（UHC）和煙塵。二氧化碳、一氧化氮（CO）和甲烷（CH4）是溫室氣體，引起全球氣候惡化；一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、部分未燃碳氫化合物和煙塵可直接對人體和動植物產(chǎn)生危害；大氣中的二氧化硫和氮氧化物會產(chǎn)生酸雨，對建筑物和各種材料也會產(chǎn)生直接腐蝕。因此，在我國實施經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵時期，研究和應用節(jié)約能源、提高能源利用效率、減少污染物排放的燃燒技術(shù)成為我國工業(yè)界的當務之急。 

高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion）是二十世紀八十年代后期發(fā)展起來的一種燃燒技術(shù)，它的特征是煙氣熱量被大限度地回收，助燃空氣被預熱到1000℃以上，燃料在低氧濃度下燃燒。高溫空氣燃燒技術(shù)可以實現(xiàn)燃料化學能的利用和有效控制燃燒主要污染物氮氧化物，是非常適合在我國工業(yè)界應用推廣的技術(shù)，為緩解我國的能源緊缺、改善自然環(huán)境提供了切實可行的方法。 

2 高溫空氣燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程 

早的爐子，煙氣中的熱量無法回收利用，高溫煙氣帶走燃料中70～80%的能量，而爐子的熱效率只有20～30%。到了二十世紀中期，國內(nèi)外開始采用在煙道上安裝空氣預熱器的方法來回收煙氣中的熱量；經(jīng)過半個世紀的發(fā)展和完善，排煙溫度大幅度下降，爐子的熱效率提高到50%左右。盡管如此，煙氣仍然帶走燃料中40～50%的能量；而且空氣預熱器使用壽命有限，維修困難。 

使用蓄熱室回收煙氣的熱量不能算一項新技術(shù)；在十九世紀末期英國已經(jīng)有人采用，我國平爐煉剛用過的格子磚也是一例。當時的蓄熱室體積龐大，而且加熱空氣的效果并不十分理想，因此沒有得到廣泛應用。進入二十世紀八十年代以后，由于材料科學的飛速發(fā)展，在歐洲開發(fā)出一種陶瓷球蓄熱材料。這種陶瓷球熱導率高，比熱容大，耐高溫；以陶瓷球作為蓄熱體吸收煙氣熱量，空氣可以很穩(wěn)定地預熱到1000℃以上。由于蓄熱燃燒技術(shù)節(jié)能效益顯著，因此在英國、美國得到應用。然而當時的蓄熱燃燒技術(shù)并不是真正意義上的高溫空氣燃燒技術(shù)。燃燒產(chǎn)物中NOX的濃度是和燃燒溫度成指數(shù)關(guān)系變化的；一味提高空氣預熱溫度而不采取有效措施抑制NOX的生成，會引起NOX排放的急劇增加。蓄熱燃燒技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保兩方面的矛盾限制了蓄熱燃燒技術(shù)的推廣。 

高溫空氣燃燒技術(shù)是田中良一等人在二十世紀八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本資助下，由日本一些企業(yè)和研究所共同開發(fā)完成。田中良一領(lǐng)導的研究小組以陶瓷蜂窩體作蓄熱體，預熱空氣的溫度僅比爐溫低50～100℃；同時，在燃燒區(qū)將助燃空氣的氧含量由21%降到2～4%，解決了高溫空氣燃燒下高NOX排放問題。使用高溫空氣燃燒技術(shù)，排煙溫度低于150℃，低溫煙氣帶走的能量只占燃料化學能的10%左右，爐子的熱效率接近90%。 

3 高溫空氣燃燒技術(shù)的節(jié)能環(huán)保特征 

使用高溫空氣燃燒鍋爐燃燒機技術(shù)的加熱爐示意圖如圖1所示。常溫空氣流經(jīng)換向閥進入蓄熱室A，在經(jīng)過蓄熱體（陶瓷小球或蜂窩體）時被加熱，在短時間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度；高溫空氣進入爐膛后，卷吸周圍爐內(nèi)的煙氣形成含氧量低于21%的低氧高溫氣流，同時向這股氣流中注入燃料油或氣，使燃料在低氧狀態(tài)下燃燒；爐膛內(nèi)燃燒后的煙氣流經(jīng)蓄熱室B和換向閥排入大氣，高溫煙氣在經(jīng)過蓄熱體時將熱量儲存在蓄熱體內(nèi)，溫度降低至150℃以下。工作溫度不高的換向閥以一定的周期（一般為30～180秒）進行切換，使兩個蓄熱體處于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài)。

圖1 應用高溫空氣燃燒技術(shù)的加熱爐原理圖

為了有效地抑制NOX的生成，在燃燒組織和燒嘴設(shè)計時還應該采取一些針對性的措施，如燃料直接噴射、分級燃燒、濃淡燃燒和強制煙氣再循環(huán)等方法。蓄熱式燒嘴一般配備有長明燈；將長明燈安裝在主燒嘴上游，使長明燈的煙氣完全進入主燒嘴燃燒區(qū)，相當于分級燃燒。對于空氣單預熱的燒嘴，適當提高煤氣射流的速度，增強煤氣對煙氣的卷吸作用，可使煙氣在爐內(nèi)再循環(huán)?？諝?、煤氣雙預熱的燒嘴，可組織部分區(qū)域貧燃料燃燒、部分區(qū)域富燃料燃燒，即所謂濃淡燃燒。在噴嘴設(shè)計中，使空氣和煤氣射流有一定夾角，空氣煤氣逐步混合，一方面可調(diào)節(jié)火焰長度，另一方面可提高溫度場均勻性、避免局部高溫。對于部分蓄熱式燃燒裝置，如蓄熱式輻射管，可以增加煙氣循環(huán)管路，強制部分煙氣在燃燒器內(nèi)再循環(huán)。北京神霧熱能技術(shù)有限公司設(shè)計的蓄熱式燒嘴已經(jīng)采用了以上方法；實踐證明以上方法在抑制NOX生成方面有一定效果。 

高溫空氣燃燒技術(shù)因降低排煙溫度，燃料能量利用率接近90%，與煙氣不回收的爐子相比可節(jié)能60%，減少溫室氣體CO2排放60%，與常規(guī)的煙氣回收的爐子相比也可節(jié)能30～40%，減少溫室氣體CO2排放30～40%。高溫空氣燃燒技術(shù)采用低氧燃燒和其它一些抑制NOX生成的措施，NOX排放濃度降至100ppm以下（目前國家標準為400mg/m3，換算成NO2為195ppm）。采用高溫空氣燃燒技術(shù)的爐子還有其他一些優(yōu)點：在高溫加熱爐中可以使用低熱值燃料（如高爐煤氣）；爐內(nèi)溫度場均勻，被加熱產(chǎn)品質(zhì)量提高；相同生產(chǎn)率的爐子尺寸減少。 

4 我國應用高溫空氣燃燒技術(shù)的效益 

二十世紀九十年代至今，高溫空氣燃燒技術(shù)已經(jīng)在日本冶金行業(yè)得到廣泛推廣應用。以日本NKK鋼管公司福山熱軋廠230t/h熱軋步進式加熱爐為例，1996年采用高溫空氣燃燒技術(shù)后，噸鋼能耗減少25%（見表1）。

表1 福山熱軋廠230t/h熱軋步進式加熱爐技術(shù)參數(shù) 

北京神霧熱能技術(shù)有限公司近幾年一直致力于在國內(nèi)冶金行業(yè)推廣和應用高溫空氣燃燒技術(shù)，到目前為止已經(jīng)成功設(shè)計和建造了20多臺應用蓄熱式燒嘴的各種形式的加熱爐。表2列出神霧公司設(shè)計的部分加熱爐的技術(shù)參數(shù)。從以上數(shù)據(jù)可以看到，所有應用高溫空氣燃燒技術(shù)改造后的加熱爐，單位產(chǎn)量能耗都有大幅度下降；其中軋鋼加熱爐的平均單位產(chǎn)量能耗下降37%。

表2 神霧公司設(shè)計的部分加熱爐的技術(shù)參數(shù) 

目前我國每年生產(chǎn)鋼鐵的產(chǎn)量超過一億噸；全國冶金行業(yè)的加熱爐超過一千座，軋鋼加熱爐的平均單位產(chǎn)量能耗為1.76GJ/噸鋼。如果其中80%的加熱爐能使用高溫空氣燃燒技術(shù)進行改造，達到平均節(jié)能25%的水平，按我國鋼鐵行業(yè)每年加熱鋼材一億噸計算，一項全國每年節(jié)約的能量為120萬噸標準煤。對于其它燃燒效率更低的加熱爐，如果使用高溫空氣燃燒技術(shù)進行改造，節(jié)能潛力更加可觀。一些常規(guī)條件下難于燃燒的低熱值煤氣，以前只能排空放散，既污染大氣又浪費能源。高溫空氣燃燒技術(shù)可以使這部分低熱值燃料得到充分利用，變廢為寶。 

使用高溫空氣燃燒技術(shù)除了經(jīng)濟效益非常明顯以外，環(huán)保效益更加顯著。由于提高熱效率，燃料減少25%，相應的各種燃燒產(chǎn)物如CO2也減少25%；燃燒過程在高溫低氧條件下進行，不但含CO2和NOX煙氣的排放體積減少，而且排放濃度也有所降低，總排放量大幅度減少。煙氣中的顯熱回收后，排煙溫度大幅度降低（低于150℃），減少熱污染。低熱值燃料的利用，還減少排空放散對大氣的污染。 

5 結(jié)論 

高溫空氣燃燒技術(shù)是一項低污染的燃燒技術(shù)，如果在工業(yè)生產(chǎn)中應用，將具有的經(jīng)濟和環(huán)保效益。從近年的工業(yè)規(guī)模應用情況來看，也遇到了一些問題；隨著技術(shù)的推廣，各種問題不斷得到解決，高溫空氣燃燒技術(shù)不斷得到完善。由于其的節(jié)能潛力和環(huán)保效益，高溫空氣燃燒技術(shù)適合我國的經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，一定會在我國得到廣泛應用。 

生物質(zhì)燃燒機；木屑顆粒機；模板破碎機；撕碎機；生物質(zhì)氣化站；鍘草機；烘干機

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