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      蓄熱式燃燒技術目前存在的幾點不足
      發布時間:2018-09-20

      目前,我國的資源和環境問題日益突出,迫切要求高能耗行業全面推行高效、清潔的燃燒技術。蓄熱式燃燒技術,又稱高溫空氣燃燒技術,是20世紀90年代在發達國家開始推廣的一項新型的燃燒技術,它具有高效煙氣余熱回收、空氣和煤氣預熱溫度高以及低氮氧化物排放的優越性,主要用于鋼鐵、冶金、機械、建材等工業部門中,并已出現迅猛發展的勢頭。至今我們已有了自己的一些專利,并且在國內有了相對廣泛的應用,取得了相當的經濟效益。 

          蓄熱體 

      蓄熱體是高溫空氣燃燒技術的關鍵部件,其主要技術指標如下: 

      (1)蓄熱能力:單位體積蓄熱體的蓄熱量要大,這樣可減小蓄熱室的體積,需要通過材料的比熱CP來衡量。

      (2)換熱速度:材料的導熱系數λ可以反映固體內部熱量傳遞的快慢,導熱系數大可以迅速地將熱量由表面傳至中心,充分發揮蓄熱室的能力;高溫時,材料輻射率可表征氣體介質與蜂窩體熱交換的強弱。 

      (3)熱震穩定性:蓄熱體需要在反復加熱和冷卻的工況下運行,在巨大溫差和高頻變換的作用下,很容易脆裂、破碎和變形等,導致氣流通道堵塞,壓力損失加大,甚至無法繼續工作。

      (4)抗氧化和腐蝕性:有些材料在一定的溫度和氣氛下發生氧化和腐蝕,會堵塞氣體通道,增加流通阻力。

      (5)壓力損失:在氣體通過蜂窩體通道時,會產生摩擦阻力損失,在流經兩塊蜂窩體交界面時因流通面積突變和各個通道之間可能發生交錯而產生局部阻力損失;前者對傳熱有利,后者對傳熱是不利的,因此應盡力減少局部阻力損失來降低風機的動力消耗。

      (6)經濟性:它是一個重要的指標,一種蜂窩體如果各種性能都好,但成本很高,推廣和應用會受到限制。

      換向閥 

      由于必須在一定的時間間隔內實現空氣、煤氣與煙氣的頻繁切換,換向閥也成為與余熱回收率密切相關的關鍵部件之一。盡管經換熱后的煙氣溫度很低,對換向閥材料無特殊要求,但必須考慮換向閥的工作壽命和可靠性。因為煙氣中含有較多的微小粉塵以及頻繁動作,勢必對部件造成磨損,這些因素應當在選用換向閥時加以考慮。如果出現閥門密封不嚴、壓力損失過大、體積過大、密封材料不易更換、動作速度慢等問題,會影響系統的使用性能和節能效果。

      燒嘴 

      燒嘴的設計原則是不能讓空氣和煤氣混合得太快,這樣容易形成局部高溫,但也不能混合得太慢,防止煤氣在蓄熱室出現二次燃燒甚至燃燒不充分。為了保證燃料在低氧氣氛中燃燒,必須在設計其供給通道時,考慮燃料和空氣在空間的擴散、與爐內煙氣的混合和射流的角度及深度,而這些參數應根據加熱裝置尺寸、加熱工藝要求、燃料種類、燒嘴大小、預熱溫度和空煤氣壓力等因素來確定。

      熱式燃燒技術又被稱為高溫稀薄燃燒技術。實現這種低氧燃燒的有效途徑之一是:合理的布置燒嘴的位置和數量以及各個燃燒單元的相對位置關系和換向方式,有效地組織爐膛內氣流的流動,依靠預熱后空氣和煤氣射流的高速卷吸,使爐內產生大量煙氣回流。一般來說,射流的速度越大,爐內的卷吸和回流作用越強烈,就越有利于實現低氧的氣氛,而這種相對很低的煤氣和氧氣濃度降低了平均燃燒速度,拓展了燃燒邊界,形成了均勻的溫度場,并降低了NOx的排放。 

      對現存幾個問題的分析 蓄熱式燃燒技術在中國發展了近二十年了,通過科研工作者的努力,取得了相當的技術成果和經濟效益。但也反映出了一些不足??陀^地講,我國對蓄熱式燃燒技術的認識還不如國外發達國家深刻,目前考慮的還僅僅是節能,并不是真正意義上的第二代蓄熱式燃燒技術。

      蜂窩體的使用壽命不高 

      目前國內蜂窩體的使用壽命均不是很高。加熱爐上的蜂窩體使用壽命一般為36個月,甚至出現過使用一個星期就大量碎裂的情況。用于鋼包烘烤器上的蓄熱體因煙氣溫度低使用壽命有所增加。蓄熱體在使用過程中經常出現的問題主要有熔化、軟化、破裂、堵塞和腐蝕等,其中蓄熱體材料的抗熱震穩定性差是工程設計中最常出現的問題。造成以上問題的原因主要有以下三點:  

      (1)材料問題蜂窩體長期工作在急冷急熱、還可能帶有腐蝕性氣體的惡劣環境中,經常承受著高溫作用和因內外溫差變化而引起的應力作用。這種工作環境對蓄熱體的材料提出了苛刻的要求。 為了增加蓄熱量,減小蓄熱室的體積,需要增加蓄熱體的密度。但抗熱震穩定性與密度在一定程度上是互相排斥的,即密度越高,抗熱震穩定性一般都比較差。 

      在使用過程中,蓄熱體與氣流進行熱交換,一些帶有腐蝕性的氣體和顆粒會對蜂窩體產生不利影響。比如氧化鐵顆粒會降低鋁硅材質的軟熔溫度,使蜂窩體熔化而堵死氣孔;酸性氣體會對蜂窩體產生腐蝕作用;微小顆粒會附著在蜂窩體表面而堵塞氣體通道等。  

      (2)偏流問題蓄熱室內熱交換過程大致如下:在排煙階段,煙氣流經蜂窩體時將顯熱儲存在蜂窩體中,加熱蜂窩體;在燃燒階段,空氣(或煤氣)流經蜂窩體時被加熱,余熱被重新帶回爐內。在以上的任何一個階段,如果氣體在蓄熱室內出現偏流,經過若干次換向后容易導致蜂窩體局部高溫而產生熱應力。當產生的溫度應力超出其承受極限

      時,蜂窩體就會破裂。  

      (3)“二次燃燒問題蓄熱式燃燒系統的空氣噴口和煤氣噴口一般都是相互獨立的,這樣有利于形成爐內低氧氣氛,拓展火焰邊界,形成均勻的溫度場,提高加熱質量和減少氮氧化物的排放。但是對空氣和煤氣兩股射流的速度、交角和距離的最佳值很難把握,一旦處理不當則容易造成爐內局部煤氣燃燒不充分而其它地方氧氣還有剩余。這些煙氣在被吸入蓄熱室時,空氣和煤氣會重新接觸產生二次燃燒,放出的熱量可以完全被蜂窩體吸收,盡管沒有造成能量損失,但局部

      高溫很容易使蜂窩體熔化而失效。 研制出一種高品質的蓄熱材料來適應蓄熱體惡劣的工作環境是提高其使用壽命最有效的辦法。 

      關于副煙道的討論 

      國內對此問題存在著兩種觀點,一種認為沒有必要加副煙道;另一種認為必須加副煙道。投入使用的蓄熱式加熱爐有的使用了副煙道,有的沒有使用。  

      (1)從能量的角度來看,只有高爐煤氣雙預熱時水當量比略大于1 0,而其它如焦爐煤氣、天然氣單預熱時水當量比均大于1 0。這就意味著通過預熱煤氣和空氣的辦法仍然無法將煙氣中的顯熱全部吸收,一定要有少部分的煙氣直接排出爐外。在不能提高蓄熱室排煙溫度的情況下換向閥和引風機只能夠承受有限的溫度),只能通過副煙道來實現這一目的。

      (2)從工程實踐的角度看,沒有加副煙道的加熱爐幾乎無一例外的存在爐壓大、冒火嚴重等缺點。這樣很容易燒壞現場的工作設備,惡化車間的操作環境;如果使用高爐煤氣等CO含量高的煤氣,還容易因燃燒不完全而對現場操作人員的身體健康造成危害。 

      (3)從風機工作能力的角度看,通常使用的引風機似乎也沒有這個能力將爐內的煙氣全部引出。預熱后的空氣和煤氣至少以4050/s的速度噴入爐內,經燃燒反應后體積膨脹,引風機是否能夠以4050/s甚至更高的速度將煙氣從爐內引出值得懷疑。況且一味加大強制排煙,是否會因引風速度過快而影響爐內的燃燒效果,還有待進一步證實。 最好的辦法就是在蓄熱式加熱裝置上安裝可調煙道閘板和金屬換熱器(加熱爐可以適當增設預熱段)。當然采取這種措施的利弊還要視具體情形來定。


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