0 引言

高溫空氣燃燒技術(shù)( High Temperature Air Combustion，簡(jiǎn)稱HiTAC) 是20 世紀(jì)90 年代開(kāi)發(fā)的一種燃燒新技術(shù)。該技術(shù)利用蓄熱式燃燒基本原理，采用高效陶瓷蓄熱體，通過(guò)蓄熱式熱交換，在將高溫排煙溫度降低到150℃以下的同時(shí)，將常溫的助燃空氣以及低熱值燃料( 高熱值燃料不預(yù)熱) 預(yù)熱到800℃以上的高溫。由于助燃空氣和低熱值燃料的高溫預(yù)熱，對(duì)爐內(nèi)燃燒來(lái)說(shuō)，帶入了額外的能量，因此這種燃燒可稱之為一種增焓燃燒。由于燃燒區(qū)額外增焓，使得燃燒區(qū)的工作條件比傳統(tǒng)的可作適當(dāng)改變。助燃空氣及燃料的噴入速度大幅度提高，爐內(nèi)氣流組織改變，煙氣回流量大幅度地增加。通過(guò)煙氣回流的稀釋作用，燃燒區(qū)的含氧體積濃度較傳統(tǒng)燃燒有明顯的下降，從而實(shí)現(xiàn)了燃燒區(qū)的高溫低氧的燃燒條件。高溫可保證燃燒反應(yīng)的穩(wěn)定性和快速性，低氧可抑制燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度和增大燃燒火焰體積，從而使得爐內(nèi)燃燒火焰面大幅拓展、爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻、加熱能力明顯增強(qiáng)。高溫空氣燃燒技術(shù)較傳統(tǒng)燃燒技術(shù)具有高效節(jié)能、低污染和加熱特性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在國(guó)內(nèi)外的冶金、機(jī)械、建材等行業(yè)的工業(yè)爐上廣泛地推廣應(yīng)用。固體燃料氣化是改變?nèi)剂侠梅绞降囊环N重要手段。將固體燃料通過(guò)氣化方式轉(zhuǎn)換為氣體燃料，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐窯的能源的高效清潔利用具有重要作用。傳統(tǒng)的固體燃料氣化技術(shù)通常采用常溫空氣或低溫預(yù)熱空氣，輸入的氣化劑溫度較低，使得氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)呈較明顯的時(shí)域階段性和空間階梯性，即在時(shí)間上可細(xì)分為先燃燒( 氧化反應(yīng)) 后氣化( 還原反應(yīng)) ，在空間上可劃分為燃燒帶( 氧化區(qū)) 和氣化帶( 還原區(qū)) 。這樣，使得氣化反應(yīng)的強(qiáng)度較低，氣化獲得的燃?xì)鉄嶂灯?，燃?xì)庵蠧O 和焦油含量偏高。將高溫空氣燃燒技術(shù)的基本理念移植到固體燃料的氣化中，改傳統(tǒng)的常溫空氣或低溫預(yù)熱空氣氣化為高溫空氣氣化，將使固體燃料的氣化特性發(fā)生根本性改變，有利于克服傳統(tǒng)固體燃料氣化的不足。此項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，對(duì)于緩解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染有著十分重要的意義。

1 高溫空氣燃燒技術(shù)

1． 1 高溫空氣燃燒技術(shù)的基本原理

HiTAC 技術(shù)區(qū)別于常規(guī)燃燒技術(shù)在于其高效預(yù)熱系統(tǒng)和低氧無(wú)焰燃燒狀態(tài)，高溫、低氧乃其兩個(gè)關(guān)鍵因素。高溫是指空氣溫度預(yù)熱到800 ～ 1 000℃以上。低氧是指燃燒區(qū)內(nèi)氧氣濃度低于15%，甚至低至3% ～ 5%。該燃燒過(guò)程主要屬于一種擴(kuò)散控制反應(yīng)，是一種動(dòng)態(tài)反應(yīng)，不具有靜態(tài)火焰。燃料首先進(jìn)行諸如裂解等重組過(guò)程，造成與傳統(tǒng)燃燒過(guò)程完全不同的熱力學(xué)條件，在與貧氧氣體作延緩狀燃燒下析出熱能，不再存在傳統(tǒng)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)。，該系統(tǒng)主要由燃燒室、1 對(duì)蓄熱式燒嘴、1 個(gè)四通換向閥、1 臺(tái)鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)和1 臺(tái)引風(fēng)風(fēng)機(jī)等裝置組成。由圖1 可以看出，蓄熱式燒嘴A 和B沿爐膛對(duì)稱布置。當(dāng)A 端燒嘴工作時(shí)，常溫空氣經(jīng)四通換向閥進(jìn)入蓄熱體被加熱，迅速升溫到800℃以上，然后高速噴入燃燒室，抽引燃燒室內(nèi)的煙氣形成一股含氧量低于15% 的貧氧氣流。燃料與高溫空氣高速噴入燃燒室，二者混合后迅速燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)釋熱加熱爐內(nèi)物料。高溫?zé)煔饨?jīng)B端燒嘴排出，并加熱B 端燒嘴的蓄熱體。高溫?zé)煔?/span>流經(jīng)蓄熱體時(shí)，大部分熱量被蓄熱體吸收，煙氣溫度降低到150℃以下排入大氣中。A、B 燒嘴交替地工作，由四通閥進(jìn)行切換。切換周期一般為15 ～ 30s。通過(guò)這種交替運(yùn)行的方式，實(shí)現(xiàn)“極限余熱回收”和助燃空氣的高溫預(yù)熱。

1． 2 高溫空氣燃燒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，高溫空氣燃燒技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體是:

( 1) 采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，交替切換煙氣與空氣，煙氣余熱回收效率高達(dá)80%以上。

( 2) 將助燃劑空氣溫度預(yù)熱到燃料自燃點(diǎn)溫度以上，燃料一進(jìn)入爐內(nèi)就能著火燃燒，燃燒穩(wěn)定性好。

( 3) 通過(guò)組織爐內(nèi)低氧氣氛燃燒，形成了與傳統(tǒng)燃燒火焰迥然不同的特性，火焰體積成倍增大，爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻。

( 4) 盡管助燃劑空氣預(yù)熱溫度很高，但由于低氧氣氛燃燒，降低了燃燒的峰值溫度，避免了熱力型NOx 的大量生成，NOx 排放濃度較常規(guī)燃燒技術(shù)成數(shù)量級(jí)降低，可實(shí)現(xiàn)超低NOx 排放。

( 5) 煙氣溫度的“極限”余熱回收、燃燒火焰平均溫度的提高、爐內(nèi)換熱的增強(qiáng)( 包括輻射換熱與對(duì)流換熱) ，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能，節(jié)能率一般超過(guò)30%，與沒(méi)有實(shí)施節(jié)能措施的燃燒技術(shù)相比，最高節(jié)能率可達(dá)60%以上。節(jié)能即減少燃料消耗，也就意味著可減少溫室氣體CO2的排放。因此，它對(duì)抑制全球溫室效應(yīng)的作用非常顯著。

( 6) 爐內(nèi)換熱效率的提高，使相同產(chǎn)量的工業(yè)窯爐的尺寸可縮小20% 以上?；蛘咄瑯哟笮〉母G爐，其產(chǎn)量可提高20% 以上，從而大大降低了設(shè)備的初投資。

( 7) 助燃空氣高溫預(yù)熱后，降低了對(duì)燃料熱值的要求，有利于低熱值燃料的有效利用。

2 結(jié)論

高溫空氣燃燒技術(shù)通過(guò)提高助燃空氣溫度，降低并控制燃燒區(qū)域含氧體積濃度，實(shí)現(xiàn)高溫低氧燃燒，使得燃燒火焰體積擴(kuò)大、爐內(nèi)溫度梯度縮小，具有加熱效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。將高溫空氣燃燒技術(shù)引入到固體燃料氣化中，由于氣化劑空氣溫度大幅度提高，氣化反應(yīng)溫度提高，氣化強(qiáng)度增大，從而降低氣化劑與固體燃料的比率，減少合成燃?xì)庵?/span>的焦油含量，提高合成燃?xì)獾臒嶂岛腿細(xì)赓|(zhì)量，氣化系統(tǒng)的氣化效率和熱效率得以提高。采用高溫空氣的固體燃料氣化技術(shù)，是傳統(tǒng)常溫氣化技術(shù)的新突破，其推廣與應(yīng)用具有十分重要的意義。