高温空气燃烧技术的节能、环保效益 谢民 萧琦 北京神雾热能技术有限公司 北京 100083 摘 要：本文介绍了高温空气燃烧技术的发展历程和该技术在节能、环保方面的特征。以目前冶金行业部分应用高温空气燃烧技术企业的实际效果为依据，提出在我国应用该项技术具有巨大的节能和环保效益。
关键词：高温空气燃烧技术 蓄热式烧嘴 节能 环保 1 前言 随着工业的迅速发展和人口的不断增长，能源和环境问题成为倍受国人瞩目的两大问题。目前全国的能源有90%以上来自燃烧化石燃料（煤、石油和天然气）所释放的能量。化石燃料在全国的储量是有限的，我们需要开发新能源，而当前更重要的是现有能源的合理利用。相应地，全国70%以上的污染物也来自化石燃料的燃烧产物，如二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、未燃碳氢化合物（UHC）和烟尘。二氧化碳、一氧化氮（CO）和甲烷（CH4）是温室气体，引起全球气候恶化；一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、部分未燃碳氢化合物和烟尘可直接对人体和动植物产生危害；大气中的二氧化硫和氮氧化物会产生酸雨，对建筑物和各种材料也会产生直接腐蚀。因此，在我国实施经济可持续性发展战略的关键时期，研究和应用节约能源、提高能源利用效率、减少污染物排放的燃烧技术成为我国工业界的当务之急。
高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion）是二十世纪八十年代后期发展起来的一种燃烧技术，它的特征是烟气热量被最大限度地回收，助燃空气被预热到1000℃以上，燃料在低氧浓度下燃烧。高温空气燃烧技术可以实现燃料化学能的高效利用和有效控制燃烧主要污染物氮氧化物，是非常适合在我国工业界应用推广的技术，为缓解我国的能源紧缺、改善自然环境提供了切实可行的方法。
2 高温空气燃烧技术的发展历程 最早的炉子，烟气中的热量无法回收利用，高温烟气带走燃料中70～80%的能量，而炉子的热效率只有20～30%。到了二十世纪中期，国内外开始采用在烟道上安装空气预热器的方法来回收烟气中的热量；经过半个世纪的发展和完善，排烟温度大幅度下降，炉子的热效率提高到50%左右。尽管如此，烟气仍然带走燃料中40～50%的能量；而且空气预热器使用寿命有限，维修困难。
使用蓄热室回收烟气的热量不能算一项新技术；在十九世纪末期英国已经有人采用，我国平炉炼刚用过的格子砖也是一例。当时的蓄热室体积庞大，而且加热空气的效果并不十分理想，因此没有得到广泛应用。进入二十世纪八十年代以后，由于材料科学的飞速发展，在欧洲开发出一种陶瓷球蓄热材料。这种陶瓷球热导率高，比热容大，耐高温；以陶瓷球作为蓄热体吸收烟气热量，空气可以很稳定地预热到1000℃以上。由于蓄热燃烧技术节能效益显著，因此在英国、美国得到应用。然而当时的蓄热燃烧技术并不是真正意义上的高温空气燃烧技术。燃烧产物中NOX的浓度是和燃烧温度成指数关系变化的；一味提高空气预热温度而不采取有效措施抑制NOX的生成，会引起NOX排放的急剧增加。蓄热燃烧技术在节能和环保两方面的矛盾限制了蓄热燃烧技术的推广。
高温空气燃烧技术是田中良一等人在二十世纪八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府资助下，由日本一些企业和研究所共同开发完成。田中良一领导的研究小组以陶瓷蜂窝体作蓄热体，预热空气的温度仅比炉温低50～100℃；同时，在燃烧区将助燃空气的氧含量由21%降到2～4%，解决了高温空气燃烧下高NOX排放问题。使用高温空气燃烧技术，排烟温度低于150℃，低温烟气带走的能量只占燃料化学能的10%左右，炉子的热效率接近90%。
3 高温空气燃烧技术的节能环保特征 使用高温空气燃烧技术的加热炉示意图如图1所示。常温空气流经换向阀进入蓄热室A，在经过蓄热体（陶瓷小球或蜂窝体）时被加热，在短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度；高温空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成含氧量低于21%的低氧高温气流，同时向这股气流中注入燃料油或气，使燃料在低氧状态下燃烧；炉膛内燃烧后的烟气流经蓄热室B和换向阀排入大气，高温烟气在经过蓄热体时将热量储存在蓄热体内，温度降低至150℃以下。工作温度不高的换向阀以一定的周期（一般为30～180秒）进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态。
图1 应用高温空气燃烧技术的加热炉原理图 为了有效地抑制NOX的生成，在燃烧组织和烧嘴设计时还应该采取一些针对性的措施，如燃料直接喷射、分级燃烧、浓淡燃烧和强制烟气再循环等方法。蓄热式烧嘴一般配备有长明灯；将长明灯安装在主烧嘴上游，使长明灯的烟气完全进入主烧嘴燃烧区，相当于分级燃烧。对于空气单预热的烧嘴，适当提高煤气射流的速度，增强煤气对烟气的卷吸作用，可使烟气在炉内再循环。空气、煤气双预热的烧嘴，可组织部分区域贫燃料燃烧、部分区域富燃料燃烧，即所谓浓淡燃烧。在喷嘴设计中，使空气和煤气射流有一定夹角，空气煤气逐步混合，一方面可调节火焰长度，另一方面可提高温度场均匀性、避免局部高温。对于部分蓄热式燃烧装置，如蓄热式辐射管，可以增加烟气循环管路，强制部分烟气在燃烧器内再循环。北京神雾热能技术有限公司设计的蓄热式烧嘴已经采用了以上方法；实践证明以上方法在抑制NOX生成方面有一定效果。
高温空气燃烧技术因降低排烟温度，燃料能量利用率接近90%，与烟气不回收的炉子相比可节能60%，减少温室气体CO2排放60%，与常规的烟气回收的炉子相比也可节能30～40%，减少温室气体CO2排放30～40%。高温空气燃烧技术采用低氧燃烧和其它一些抑制NOX生成的措施，NOX排放浓度降至100ppm以下（目前国家标准为400mg/m3，换算成NO2为195ppm）。采用高温空气燃烧技术的炉子还有其他一些优点：在高温加热炉中可以使用低热值燃料（如高炉煤气）；炉内温度场均匀，被加热产品质量提高；相同生产率的炉子尺寸减少。
4 我国应用高温空气燃烧技术的效益 二十世纪九十年代至今，高温空气燃烧技术已经在日本冶金行业得到广泛推广应用。以日本NKK钢管公司福山热轧厂230t/h热轧步进式加热炉为例，1996年采用高温空气燃烧技术后，吨钢能耗减少25%（见表1）。
表1 福山热轧厂230t/h热轧步进式加热炉技术参数
加热炉各部分 热消耗
改造前 改造后
能耗百分比 实际能耗 kg标煤/吨钢 能耗百分比 实际能耗
kg标煤/吨钢 钢坯带走的显热 50.6% 24.6 50.6% 24.6
水冷及炉墙
散热损失 15.8% 7.7 13.4% 6.5
排烟热损失 33.6% 16.3 11% 5.3 吨钢能耗 100% 48.6 75% 36.4
北京神雾热能技术有限公司近几年一直致力于在国内冶金行业推广和应用高温空气燃烧技术，到目前为止已经成功设计和建造了20多台应用蓄热式烧嘴的各种形式的加热炉。表2列出神雾公司设计的部分加热炉的技术参数。从以上数据可以看到，所有应用高温空气燃烧技术改造后的加热炉，单位产量能耗都有大幅度下降；其中轧钢加热炉的平均单位产量能耗下降37%。 表2 神雾公司设计的部分加热炉的技术参数 用户名称 炉子类型 燃料种类 改造前能耗 GJ/吨钢 改造后能耗 GJ/吨钢 节能 % 邯郸钢铁公司中板厂 推钢炉 混合煤气 2.00 1.25 37.5
石家庄钢铁公司中型厂 推钢炉 高炉煤气 3.53 1.59 55
南京钢铁公司中板厂 推钢炉 混合煤气 1.9 1.2 36.8
太原钢铁公司三轧厂 推钢炉 发生炉煤气 1.96 1.2 38.8
武汉钢铁公司大型厂 推钢炉 混合煤气 1.87 1.38 26.2
东方钢铁公司轧钢厂 推钢炉 渣油 1.8 1.3 27.8
攀钢成都无缝钢管厂 钢包烘烤器 天然气 0.724 0.342 53.8
江西洪都钢厂 辊底式热处理炉 发生炉煤气 1.27 1.016 20
目前我国每年生产钢铁的产量超过一亿吨；全国冶金行业的加热炉超过一千座，轧钢加热炉的平均单位产量能耗为1.76GJ/吨钢。如果其中80%的加热炉能使用高温空气燃烧技术进行改造，达到平均节能25%的水平，按我国钢铁行业每年加热钢材一亿吨计算，仅此一项全国每年节约的能量为120万吨标准煤。对于其它燃烧效率更低的加热炉，如果使用高温空气燃烧技术进行改造，节能潜力更加可观。一些常规条件下难于燃烧的低热值煤气，以前只能排空放散，既污染大气又浪费能源。高温空气燃烧技术可以使这部分低热值燃料得到充分利用，变废为宝。
使用高温空气燃烧技术除了经济效益非常明显以外，环保效益更加显著。由于提高热效率，燃料减少25%，相应的各种燃烧产物如CO2也减少25%；燃烧过程在高温低氧条件下进行，不但含CO2和NOX烟气的排放体积减少，而且排放浓度也有所降低，总排放量大幅度减少。烟气中的显热回收后，排烟温度大幅度降低（低于150℃），减少热污染。低热值燃料的利用，还减少排空放散对大气的污染。
5 结论 高温空气燃烧技术是一项高效低污染的燃烧技术，如果在工业生产中应用，将具有巨大的经济和环保效益。从近年的工业规模应用情况来看，也遇到了一些问题；随着技术的推广，各种问题不断得到解决，高温空气燃烧技术不断得到完