工業(yè)爐無(wú)焰燃燒技術(shù)知識

　　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(gè)穩定的火焰前端，在火焰前端會(huì )有一個(gè)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(gè)平衡，火焰穩定性通過(guò)以下兩種方式獲得：高溫煙氣循環(huán)、較大的濃度和溫度梯度，這一般通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)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(guò)火檢檢測到光電效應，如UV輻射和電離效應，通過(guò)圖1可以看到傳統火焰的溫度和OH原子分布?？梢?jiàn)火焰也可以提示操作工人加熱爐燃燒系統運行正常。

　　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(guò)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(gè)值可通過(guò)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(huì )引起熱流密度的不均勻性。

　　2.無(wú)焰燃燒及優(yōu)勢

　　有焰燃燒模式在很多工業(yè)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(chǎn)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(shí)，通過(guò)有意的抑制火焰前端可形成無(wú)焰燃燒。對于無(wú)焰模式，燃燒反應是在高于自燃點(diǎn)溫度、分散的大空間內下發(fā)生的，這與傳統火焰在一個(gè)集中的、大旋流的、拉伸的火焰前端形成對比，無(wú)焰燃燒沒(méi)有火焰前端、沒(méi)有可見(jiàn)火焰、沒(méi)有UV及電離檢測信號、沒(méi)有噪音，CO和NOx被降低到較低水平。

　　無(wú)焰燃燒通過(guò)在實(shí)驗爐上測試發(fā)現，煙氣循環(huán)倍率Kv是一個(gè)很重要的參數，它是循環(huán)煙氣質(zhì)量流量與反應物質(zhì)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(diǎn)之上，煙氣循環(huán)倍率約大于3時(shí)，且氣體噴入速度較高時(shí)，就會(huì )建立一個(gè)沒(méi)有火焰的穩定反應區，該區域稱(chēng)為無(wú)焰反應區，對于傳統火焰當Kv>0.3-0.5時(shí)就很難組織起穩定火焰，中間區域被稱(chēng)為不穩定燃燒反應區，無(wú)焰燃燒沒(méi)有可見(jiàn)火焰且噪音非常低(約15dBA)。

　　圖2煙氣循環(huán)倍率

　　為了使燃燒發(fā)生，要求至少局部的反應物溫度必須高于自燃點(diǎn)溫度，條件是連續式加熱爐在850以上運行，在這個(gè)過(guò)程中，根據安全規則，火檢可以免除，沒(méi)有熄火風(fēng)險，因此一旦高于自燃點(diǎn)就是安全的，燃燒模式就可以通過(guò)人為設計來(lái)避免穩定的火焰前端。

　　3.如何得到無(wú)焰燃燒

　　天然氣高速燒嘴是一個(gè)很好的案例，對于傳統火焰，空氣和燃料噴到主燃室內進(jìn)行混合以形成穩定火焰，通過(guò)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?lài)娙霠t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(diǎn)，就產(chǎn)生無(wú)焰燃燒：沒(méi)有可視火焰，沒(méi)有集中的火焰前端，燃燒是在一個(gè)大空間爐膛內進(jìn)行，并且能夠燃燒完全。

　　如圖3所示，無(wú)焰燃燒關(guān)鍵是煙氣溫度均勻，這是因為燃燒是在卷入越來(lái)越多的煙氣過(guò)程中逐漸發(fā)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(chǎn)生局部高溫。

　　圖3中，首先假設無(wú)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(guò)程的影響，T較大時(shí)表明被加熱工件的熱流密度不均勻，T較小說(shuō)明爐氣攪動(dòng)較好且溫度趨于均勻。

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

　　無(wú)焰燃燒可通過(guò)多種空煤氣噴口布置來(lái)實(shí)現，圖3是其中一種方式，無(wú)焰燃燒也可用于其他工藝如蒸汽發(fā)生器、垃圾熱處理、發(fā)動(dòng)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(diǎn)，與煙氣大量混合稀釋。

　　4.低熱值燃料、油和煤

　　無(wú)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(yè)過(guò)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(wú)焰(空氣預熱)狀態(tài)。

　　對于兩種燃燒模式，化學(xué)反應路徑不同，污染物生成和熱流分布也不同，無(wú)焰燃燒技術(shù)可應用于清潔燃燒和提高熱過(guò)程工藝。

　　5.無(wú)焰燃燒的其他名稱(chēng)

　　無(wú)焰燃燒是用來(lái)描述以上現象的非專(zhuān)利的、通用的標簽，也有幾個(gè)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(wú)焰燃燒的這些名稱(chēng)有的基于沒(méi)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(shù)都是為了降低T和NOx排放。

　　注：本論文參考J.G.Wunning研究成果。