连续式换热高温低氧燃烧炉内烟气组分研究

王 龙，吴晋湘

（1. 河南安钢泽众冶金设计有限责任公司，河南 安阳 455004；2.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion，简称HTAC），亦称无焰燃烧技术，是一种集高效、节能、低排放多重优势于一体的新型燃烧技术[1-2]。早在20 世纪90 年代初，日本和德国就最先开始了该技术的研究[3-4]，近几年，国内高校和企业合作，运用该技术对全国数十家钢铁企业的热工设备进行了蓄热式改造，并取得了显著的节能效果和巨大的经济效益[5]。该技术的基本思想是让燃料在高温低氧浓度气氛中燃烧，它包含两项基本技术措施：一是采用温度效率高、热回收率高的蓄热式换热装置，最大限度地回收烟气显热，用于预热助燃空气，从而获得温度接近炉内烟气温度的高温助燃空气； 二是利用燃料分级燃烧技术和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区域的氧浓度，减少燃烧区域的局部高温，有效控制 NOx排放[6-7]。王爱华等[8]及胡雅琴[9]分别在不同的空气预热温度和氧气浓度下对火焰燃烧特性和污染物的排放进行了数值模拟和实验研究；YANG W H 等[10]对燃烧炉内的各种气体组分进行了对比验证，得出装有蓄热式燃烧器的炉子更加高效节能；MI J C 等[11]利用高动量初始射流来增强炉内烟气卷吸；贾力等[12]采用炉外烟气再循环技术，对高温空气燃烧室的温度分布、NOx排放及燃烧特性进行了研究。大量的实验研究和实际应用表明，蓄热换向式的燃烧技术是间歇式排烟、脉冲式燃烧，频繁的换向操作容易造成炉内温度和压力的波动，烧嘴的堵塞、结焦、断火，蓄热体的积灰、变形、坍塌等诸多问题[13]。张建军等[14]开发了可连续燃烧的自蓄热高温空气燃烧器，克服了炉内温度场、压力等的波动，提高了燃烧效率，实现了高温烟气余热的“极限稳定回收”以及高温低氧空气的“连续燃烧”。

本文作者集中了烟气自循环技术与高温空气燃烧技术两者的优势，采用烟气自循环燃烧器和高效间壁式换热器，搭建了可连续换热的高温空气燃烧系统，实现了无需换向装置即可进行高温低氧空气的连续燃烧。本文通过实验研究和数值模拟的方法，对比分析了连续式换热高温空气燃烧炉内烟气组分浓度随空气预热温度的变化趋势。

1 实验系统介绍

实验系统主要由烟气自循环燃烧炉、 间壁式换热器和自动数据采集系统组成（见图1）。烟气自循环燃烧炉体模型为圆柱形，长0.8 m，内径0.36 m。炉膛两侧共有8 个对称布置的观测窗口，炉膛保温层由耐火泥层、陶瓷纤维层、玻璃棉层组成。燃烧器采用烟气自循环燃烧器，该燃烧器是根据文丘里引射器原理设计出的一种利用空气动能引射炉内烟气回流的燃烧装置，烟气与空气混合后可将氧浓度稀释并将空气进行二次加热[15]。

空气气源由空气压缩机提供，流经缓冲罐、控制阀门、智能涡街流量计，进入间壁式换热器与高温烟气进行连续换热，生成高温助燃空气；燃料采用高纯度丙烷，由质量流量计控制喷入炉膛与高温空气混合燃烧；烟气流过间壁式换热器后沿烟道排出。

2 数值模拟方法

图1 连续式换热高温空气燃烧实验系统图

本文所采用的燃烧系统模型如图2 所示。烟气自循环燃烧器包括引射回流管、 混合室和扩压段三部分。空气通道为环形结构，经空气预热器换热生成的高温助燃空气，与引射来的烟气混合后喷入炉膛，中心管为燃气喷管，燃烧器后为炉膛及烟道部分。本文对燃烧系统模型进行了简化，把8 个空气喷管简化成一个环形喷管，烟气回流通道转化成环形的规则形状，在Gambit 中按1∶1 画出模型并生成结构化网格，如图3 所示。为了更好的分析气流的流动情况，根据气流的流向，在速度较大的区域采用密集的网格划分，并采用Fluent 软件进行二维数值模拟[16]。

图2 燃烧系统模型示意图

图3 烟气自循环炉膛模型网格划分示意图

3 实验结果及分析

在火焰能长期稳定燃烧的工况范围内，选取了空气流量为25 m3/h，燃料流量为0.48 m3/h，丙烷在常温下送入炉膛，常温空气经间壁式换热器预热后进入炉膛进行燃烧，实验结果如下。

3.1 炉膛尾部的烟气变化

图4～图7 分别为炉膛尾部测量区域的O2、CO2，CO、CxHy、H2，NOx和炉内压力随着空气预热温度的变化趋势。从图4 和图5 中可以看出，实验刚开始的一段时间内，空气预热温度和炉内的温度并不高，炉膛尾部的O2体积浓度瞬间由21.2%迅速下降到了15.1%，CO2的体积浓度也迅速上升到了4.3%；还生成了大量的中间产物 CO、H2和 CxHy，CO 体积浓度最高达到了 908.7×10-6，CxHy最高达到 531.1×10-6，H2也达到了154.4×10-6。随着燃烧的继续进行，空气预热温度越来越高，炉内的温度水平也逐渐升高，丙烷燃烧得也越来越充分，CO、H2和CxHy在炉膛尾部的含量大大减少，H2和CxHy分别迅速下降到了83.5×10-6和 9.7×10-6，最后都减少为 0，CO 则随着反应的进行最终逐渐下降到了 43.3×10-6；O2、CO2的体积浓度也分别稳定在了12.6%和5.5%； 图7 炉膛内部的负压也从开始的-0.1 hPa 逐渐下降到了-0.4 hPa。

图4 O2 和 CO2 体积浓度变化图

图5 中间产物 CO、CxHy、H2含量变化图

图6 NOx 含量变化图

图7 炉内压力变化图

图6 中NOx排放量随着空气预热温度的增加先快速增加后略有下降，再继续上升，但NOx排放量最高并没有超过 50×10-6。NOx中几乎全是 NO，NO2的生成量很少，几乎可以忽略不计。在实验初始阶段，空气预热温度和炉内的温度并不高，燃料浓度相对富裕，此时快速型NO 大量生成，随着空气预热温度的升高，炉内的温度也迅速上升，已生成的快速型NO 部分转变为中间产物，再经过复杂的反应生成了大量的热力型NO，因此才会出现图中总NO 生成量先略有下降后又上升的变化趋势。

3.2 炉内火焰燃烧状态

图8 为不同空气预热温度下分别从第一、 第二及第三观察窗（从右至左）拍摄的火焰燃烧情况。从图中的火焰变化情况来看，随着空气预热温度的升高，火焰的体积略有变大，火焰颜色变亮，尤其是在第二、第三观察窗的位置，第二观察窗的黄色火焰逐渐变成了亮白色，使整个炉膛更加透亮；第三观察窗中虽只有少量的火焰锋面，但是此处的炉膛依然十分明亮，温度也很高；而第一观察窗中的蓝色火焰增多，大量的蓝色火焰在亮黄色火焰的映衬下显得像薄雾一样，甚至有时火焰锋面消失，在实验过程中，被误以为火焰熄灭。

图8 不同空气预热温度下火焰燃烧状态对比图

4 数值模拟及结果分析

4.1 模拟工况

为了更好的同实验结果对比，模拟时选择与实验相同的工况，工况如表1，采用Fluent 软件进行数值计算。

表1 模拟工况

4.2 炉膛尾部烟气组分对比分析

图9～图12 分别为炉膛尾部烟气组分CxHy，CO、H2，CO2、O2和 NOx随空气预热温度变化趋势的对比分析。图9 表明实验数据和模拟结果中，在空气预热温度大于550 K 时，炉膛尾部碳氢化合物的含量始终保持为0，说明燃料在炉膛内都得到了充分的燃烧。图10 中CO 和H2随空气预热温度的变化趋势略有不同。实验所测到的炉膛尾部H2含量很少，几乎可以忽略不计，而CO 则是随空气预热温度由最初的 425.8×10-6大幅度下降到了 43.3×10-6； 而数值模拟的结果则显示为H2和CO 分别由375.9×10-6和432.5×10-6呈线性下降到了 263.6×10-6和 308.7×10-6，二者下降的斜率也很相似。图11 中实验得出的O2和CO2浓度随空气预热温度的变化分别基本稳定在了12.6%和5.5%左右，数值模拟的O2和CO2浓度则是分别稳定在了13.0%和4.4%左右，实验和模拟的结果相差不大。图12 可以看出，在实验和数值模拟的结果中，炉膛尾部NOx的排放量都随着空气预热温度的增加而增加，分别由 20.5×10-6和 3.5×10-6上升到了 30.5×10-6和 13.0×10-6，二者的 NOx排放量均未超过50×10-6，一方面是由于炉内的温度还不足以大量生成NOx，另一方面是因为烟气自循环使大量的烟气参与回流，强化了炉内反应物的混合，使炉膛内的氧气浓度得到了稀释，从而温度分布更加均匀，有效地控制了NOx的生成和排放。

图9 CxHy 含量对比图

图10 CO 和H2 含量对比图

图11 CO2 和O2 体积浓度对比图

图12 NOx 生成量对比图

4.3 燃烧器特性分析

图13 和图14 分别为烟气自循环燃烧器影响助燃空气的含氧浓度和预热温度的模拟结果。由于实验条件的限制，采用实验仪器测量的难度较大，因此只进行了数值模拟。从图中可以看出，参与回流的高温低氧烟气可以将助燃空气进行二次稀释和加热。当空气预热温度为573 K，含氧浓度为21%时，在引射器喉部助燃空气氧浓度下降至16.9%，温度上升至814 K，在引射器出口即炉膛入口处，由于高速射流卷吸了周围的燃烧产物，进一步稀释和加热了助燃空气，此处的氧气浓度为16.7%，温度为831 K。随着空气预热温度的升高，烟气自循环燃烧器稀释和加热助燃空气的效果越来越好，引射器喉部、烟气回流通道和引射器出口处氧气浓度逐渐下降，温度逐渐上升。

图13 氧气浓度变化图

图14 温度变化图

由于受到换热器材质的限制以及炉体还存在着散热和漏气现象，导致了实验过程中空气的预热温度距离高温空气燃烧的理想高温条件还有一段距离，再加上数值模拟时对燃烧炉模型进行了简化，得出的实验数据同模拟结果在数值上存在差异，但是随着空气预热温度的增加，炉膛尾部烟气成分的变化趋势是基本一致的。

5 结论

（1）通过实验与模拟的对比分析可以看出，除了由于实验条件的限制和数值模拟的简化造成的数据误差外，炉膛尾部各烟气成分随着空气预热温度增加的变化趋势是基本吻合的。

（2）连续式换热高温空气燃烧系统避免了蓄热换向式高温空气燃烧所带来的燃烧不连续及炉温、炉压的波动等许多问题，还省去了频繁换向的大量能耗，有很高的研究价值，但是若要提高实验数据的准确度，在换热器的设计、数据的采集和燃烧炉的保温密封方面仍需要进一步的完善。