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技術知識

工業爐無焰燃燒技術知識

發布時間:2021-09-23 07:34:36 人氣:

  1.背景-傳統有焰燃燒

  在傳統的燃燒系統中,火焰由燃料和助燃空氣的混合物組成,并形成一個穩定的火焰前端,在火焰前端會有一個溫度和濃度梯度的劇變,并在高溫鏈式反應和對流熄火之間形成一個平衡,火焰穩定性通過以下兩種方式獲得:高溫煙氣循環、較大的濃度和溫度梯度,這一般通過流體動力學手段得到(如鈍體、旋流,等等)。

  在燒嘴內和燒嘴附近的穩定火焰前端,可通過火檢檢測到光電效應,如UV輻射和電離效應,通過圖1可以看到傳統火焰的溫度和OH原子分布??梢娀鹧嬉部梢蕴崾静僮鞴と思訜釥t燃燒系統運行正常。

  在對于傳統火焰,局部煙氣溫度非常高,反應物在與爐膛煙氣混合之前就燃燒,溫度接近絕熱燃燒溫度,通過圖1可以看出:富燃料區的絕熱燃燒溫度很容易就達到1800-2000,這個值可通過測量火焰前端的溫度峰值得到,較高的溫度峰值可有效穩定火焰,但也是熱力型NOx的主要生成途徑,并且會引起熱流密度的不均勻性。

  2.無焰燃燒及優勢

  有焰燃燒模式在很多工業應用中占絕對主導地位,也存在于自然和人工火焰中,但這并不是在燃燒腔內產生可控火焰的唯一方式,在高溫區(反應物溫度約大于850),并且最好是空氣預熱時,通過有意的抑制火焰前端可形成無焰燃燒。對于無焰模式,燃燒反應是在高于自燃點溫度、分散的大空間內下發生的,這與傳統火焰在一個集中的、大旋流的、拉伸的火焰前端形成對比,無焰燃燒沒有火焰前端、沒有可見火焰、沒有UV及電離檢測信號、沒有噪音,CO和NOx被降低到較低水平。

  無焰燃燒通過在實驗爐上測試發現,煙氣循環倍率Kv是一個很重要的參數,它是循環煙氣質量流量與反應物質量流量之比。

  Kv=Mrec/(Mair+Mfuel)

  結果如圖2所示,當溫度高于850,在自燃點之上,煙氣循環倍率約大于3時,且氣體噴入速度較高時,就會建立一個沒有火焰的穩定反應區,該區域稱為無焰反應區,對于傳統火焰當Kv>0.3-0.5時就很難組織起穩定火焰,中間區域被稱為不穩定燃燒反應區,無焰燃燒沒有可見火焰且噪音非常低(約15dBA)。

  圖2煙氣循環倍率

  為了使燃燒發生,要求至少局部的反應物溫度必須高于自燃點溫度,條件是連續式加熱爐在850以上運行,在這個過程中,根據安全規則,火檢可以免除,沒有熄火風險,因此一旦高于自燃點就是安全的,燃燒模式就可以通過人為設計來避免穩定的火焰前端。

  3.如何得到無焰燃燒

  天然氣高速燒嘴是一個很好的案例,對于傳統火焰,空氣和燃料噴到主燃室內進行混合以形成穩定火焰,通過圖3可以看到傳統高速燒嘴的穩定火焰(使用冷空氣)。

  如圖3下半部分所示,燃料噴到爐氣內,并且遠離助燃空氣,同樣,空氣也是以很高的流速噴入爐膛與煙氣混合,空煤氣在混合之前首先分別與煙氣混合,其溫度接近煙氣溫度且高于自燃點,就產生無焰燃燒:沒有可視火焰,沒有集中的火焰前端,燃燒是在一個大空間爐膛內進行,并且能夠燃燒完全。

  如圖3所示,無焰燃燒關鍵是煙氣溫度均勻,這是因為燃燒是在卷入越來越多的煙氣過程中逐漸發生的,但對于傳統火焰,火焰前端卷入的煙氣減少,反應區就產生局部高溫。

  圖3中,首先假設無焰燃燒采用預熱空氣(空氣預熱更好,但不是必要條件),其中T(煙氣最高溫度和最低溫度之差)受到燃燒過程的影響,T較大時表明被加熱工件的熱流密度不均勻,T較小說明爐氣攪動較好且溫度趨于均勻。

  上面提到的有焰、無焰的差別也是無焰燃燒的NOx非常低的原因,這也是使用高溫空氣預熱的關鍵,使用蓄熱式或分散式的預熱器可將空氣預熱至800-1200,無焰燃燒無局部高溫,可避免燃燒器金屬材質的燒壞和熱力型NOx的生成。

  無焰燃燒可通過多種空煤氣噴口布置來實現,圖3是其中一種方式,無焰燃燒也可用于其他工藝如蒸汽發生器、垃圾熱處理、發動機氣體燃燒室等,基本原則和穩定燃燒的條件是:溫度高于自燃點,與煙氣大量混合稀釋。

  4.低熱值燃料、油和煤

  無焰燃燒不僅僅局限于高熱值氣體燃料(如天然氣),也能用于低熱值氣體燃料(如工業過程回收的煤氣)或者液體和固體燃料,圖4,再一次比較了燃油的有焰和無焰(空氣預熱)狀態。

  對于兩種燃燒模式,化學反應路徑不同,污染物生成和熱流分布也不同,無焰燃燒技術可應用于清潔燃燒和提高熱過程工藝。

  5.無焰燃燒的其他名稱

  無焰燃燒是用來描述以上現象的非專利的、通用的標簽,也有幾個不同的表述,具體舉例如下:

  -HTAC(High TemperatureAir Combution).

  -mild combustion.

  -dilute combustion.

  -Fuel Direcr Injection(FDI,由Tokyo GasCompany提出的)。

  無焰燃燒的這些名稱有的基于沒有火焰前端,有的基于高溫空氣,或者是空燃料的稀釋(混合之前氧氣濃度低于21%),這些技術都是為了降低T和NOx排放。

  注:本論文參考J.G.Wunning研究成果。


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