燃 烧 学 之
高温空气燃烧技术
概要:HTAC(High Temperature Air Combustio)技术是80年代末提出
的一种全新概念燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来，从而实现了极限节能和极限降低NOx排放量的双重目的。主要应用在工业炉窑中．其主要的特点及优势在于节省燃料，减少二氧化碳和氮氧化物排放及降低燃烧噪音我国是能源消耗大国，而目前我国的能源利用率只为 33％左右．比发达国家低约10％ 。特别是存电力 、钢铁 、化工等能源消耗高的行业单位能耗平均比国际先进高 40％ 因此推广实施高温空气燃烧 ．提高我国能源利用率有着重大意义。
1. HTAC技术的基本原理：
如图1所示，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，在经过蓄热式燃烧器B（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度（一般比炉温低50～100°C），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气开成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2～20%）状态下实现燃烧，与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时，将显热储存在蓄热式燃烧器A内，然后以低于150°C的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，
从而达到节能和降低NOx排放量等目的，常用的切换周期为30～200秒
2.HTAC技术与传统燃烧相比，具有显著不同的特征，主要表现在 以
下4个方面 ：
(1)火焰体积显著扩大，高温空气燃烧通常用扩散燃烧或扩散燃烧为主的燃烧方式，燃料与助燃空气在燃烧室内边混合边燃烧，由于燃烧区氧气体积浓度远远偏离21％，使得燃料与氧气在燃烧器喷口附 近的接触机会相对减少，仅有少量的燃料能与氧气接触发生燃烧，而大量的燃料只有扩散到燃烧室内较大的空间与助燃空气中充分混合后，才能发生燃烧。因此，从燃料燃烧的整个过程来看，燃烧反应时间延长，反应空间显著增大，火焰体积也因此成倍扩大。
(2)火焰温度场分布均匀。燃料在低氧气氛中燃烧，反应时间延长 ，火焰体积成倍扩大使得燃料燃烧的放热速率及放热强度有所减缓和减弱，火焰中不再存在传统燃烧的局部高温高氧区，火焰峰值温度降低，温度场的分布也相对均匀。
(3)低NOx污染燃烧过程中生成的NOx主要为热力型NOx。其中主要为NO。NO的生成速度主要与火焰中的最高温度 、氧气和氮气浓度及气体在高温下的停留时间等因素有关，其中以温度的影响最大由于高温空气燃烧火焰峰值温度及燃烧区氧气体积浓度降低都NO的生成大大减少，另外，从反应活化能的角度来看，由于高温空气 燃烧火焰体积成倍扩大，使得单位体积火焰释放的能量降低，而氧原子与氮气反应的活化能要远高于氧原子与燃气反应的活化能．氧原子与燃气反应更易进行，从而抑制了氧原子与氮气的反应 。
(4)低燃烧噪音。由燃烧噪音形成的机理可知，燃烧噪音与燃烧速率的平方及燃烧强度成正比。采用高温空气燃烧，由于氧气体积浓度的降低，尽管预热温度提高，但燃烧速率不会增大甚至反而减少，燃烧强度是指单位体积的热量释放率，由于高温空气燃烧火焰体积成倍增大，燃烧强度反而大为降低 。 3.HTAC技术的发展
作为高温空气燃烧主要的技术特点，蓄热式余热回收技术已有100多年历史，但是由于材料和技术的，老式的蓄热技术具有设备庞大、不耐用、阻力损失大等很大的缺陷。但随着陶瓷材料 、技术和设计的进步。80年代蓄热技术在蓄热体的材料、组装方式 、蓄热室的型式等方面有了很大的发展蓄热设备的体积大大减小。传热效率大大提高。1980年英国HOTWORK公司和英国煤气公司开发 了蓄热式烧嘴 ，称为 RCB烧嘴 (Regenerative Ceramic Burner)或 回热烧嘴。烧嘴自身带有蓄热室。蓄热室通过切换依次流过空气和来自炉膛
的烟气。随着技术的发展，几个发达国家都在高温空气燃烧的原理基础上形成了各自的技术特点。在日本，是在吸收了“超焓”概念的基础上发展了HiTAC技术：德国发展的是所谓的“无焰氧化”燃烧技术(FLOX—Flameless Oxidati0n)：意大利则有所谓“中度与强化的低氧稀释”燃烧技术；美国有“低氮氧化物喷射”燃烧技术。我国对于高温空气燃烧技术的研究起初只是从蓄热燃烧、节能降耗和提高燃料的适用性方面进行工作，到近几年才开始对低氧浓度燃烧的火焰特性和燃烧机理等方面进行深入研究。
高温空气燃烧技术是在蓄热燃烧技术的基础上发展起来的同时，结合了低氧燃烧技术的特点。高温空气燃烧技术不仅具备蓄热燃烧技术高节能率和低CO排放率的优点,也具备了低氧燃烧的低NOx生成率和炉温均匀化的优点，因此高温空气燃烧可克服热燃烧的燃烧温度过高、NOx排放量增大和噪声水平增高等缺点，也可以克服低氧燃烧的降低燃烧温度 、燃烧效率和燃烧稳定性的缺点。高温空气燃烧技术被国际专家誉为燃烧技术的，并预示今后50年内没有超过它的高效、节能和环保技术，也被日本被称为二十一世纪的关键技术之一。
结语：对于高温空气燃烧技术，应用在工业炉窑上已取得了较大 的
发展和成效，促进了工业炉窑的节能减排但是高温空气燃烧系统 较为复杂，蓄热室和燃烧器需成对配置：换向时火焰不停的通断 ：燃烧系统的大型化等问题都没有得到很好的研究。如何能够实现高温空气燃烧能在单独的喷口连续燃烧：或者使整个燃烧过程在蓄热 体中完成，并且能够实现低污染物排放；且在大型电站锅炉中高温空气燃
烧的应用问题都是今后可以研究的方向。
