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工业炉无焰燃烧技术知识

浇注料行业新闻-[ 发布日期:2019-07-24 09:35:52 | 浏览:119次 ]


1.背景-传统有焰燃烧

在传统的燃烧系统中,火焰由燃料和助燃空气的混合物组成,并形成一个稳定的火焰前端,在火焰前端会有一个温度和浓度梯度的剧变,并在高温链式反应和对流熄火之间形成一个平衡,火焰稳定性通过以下两种方式获得:高温烟气循环、较大的浓度和温度梯度,这一般通过流体动力学手段得到(如钝体、旋流,等等)。

在烧嘴内和烧嘴附近的稳定火焰前端,可通过火检检测到光电效应,如UV辐射和电离效应,通过图1可以看到传统火焰的温度和OH原子分布。可见火焰也可以提示操作工人加热炉燃烧系统运行正常。

在对于传统火焰,局部烟气温度非常高,反应物在与炉膛烟气混合之前就燃烧,温度接近绝热燃烧温度,通过图1可以看出:富燃料区的绝热燃烧温度很容易就达到1800-2000,这个值可通过测量火焰前端的温度峰值得到,较高的温度峰值可有效稳定火焰,但也是热力型NOx的主要生成途径,并且会引起热流密度的不均匀性。

 

工业炉无焰燃烧技术知识
 

2.无焰燃烧及优势

有焰燃烧模式在很多工业应用中占绝对主导地位,也存在于自然和人工火焰中,但这并不是在燃烧腔内产生可控火焰的唯一方式,在高温区(反应物温度约大于850),并且最好是空气预热时,通过有意的抑制火焰前端可形成无焰燃烧。对于无焰模式,燃烧反应是在高于自燃点温度、分散的大空间内下发生的,这与传统火焰在一个集中的、大旋流的、拉伸的火焰前端形成对比,无焰燃烧没有火焰前端、没有可见火焰、没有UV及电离检测信号、没有噪音,CO和NOx被降低到较低水平。

无焰燃烧通过在实验炉上测试发现,烟气循环倍率Kv是一个很重要的参数,它是循环烟气质量流量与反应物质量流量之比。

Kv=Mrec/(Mair+Mfuel)

结果如图2所示,当温度高于850,在自燃点之上,烟气循环倍率约大于3时,且气体喷入速度较高时,就会建立一个没有火焰的稳定反应区,该区域称为无焰反应区,对于传统火焰当Kv>0.3-0.5时就很难组织起稳定火焰,中间区域被称为不稳定燃烧反应区,无焰燃烧没有可见火焰且噪音非常低(约15dBA)。

 

工业炉无焰燃烧技术知识
 

图2烟气循环倍率

为了使燃烧发生,要求至少局部的反应物温度必须高于自燃点温度,条件是连续式加热炉在850以上运行,在这个过程中,根据安全规则,火检可以免除,没有熄火风险,因此一旦高于自燃点就是安全的,燃烧模式就可以通过人为设计来避免稳定的火焰前端。

 

3.如何得到无焰燃烧

天然气高速烧嘴是一个很好的案例,对于传统火焰,空气和燃料喷到主燃室内进行混合以形成稳定火焰,通过图3可以看到传统高速烧嘴的稳定火焰(使用冷空气)。

如图3下半部分所示,燃料喷到炉气内,并且远离助燃空气,同样,空气也是以很高的流速喷入炉膛与烟气混合,空煤气在混合之前首先分别与烟气混合,其温度接近烟气温度且高于自燃点,就产生无焰燃烧:没有可视火焰,没有集中的火焰前端,燃烧是在一个大空间炉膛内进行,并且能够燃烧完全。

如图3所示,无焰燃烧关键是烟气温度均匀,这是因为燃烧是在卷入越来越多的烟气过程中逐渐发生的,但对于传统火焰,火焰前端卷入的烟气减少,反应区就产生局部高温。

图3中,首先假设无焰燃烧采用预热空气(空气预热更好,但不是必要条件),其中T(烟气最高温度和最低温度之差)受到燃烧过程的影响,T较大时表明被加热工件的热流密度不均匀,T较小说明炉气搅动较好且温度趋于均匀。

上面提到的有焰、无焰的差别也是无焰燃烧的NOx非常低的原因,这也是使用高温空气预热的关键,使用蓄热式或分散式的预热器可将空气预热至800-1200,无焰燃烧无局部高温,可避免燃烧器金属材质的烧坏和热力型NOx的生成。

工业炉无焰燃烧技术知识
 

无焰燃烧可通过多种空煤气喷口布置来实现,图3是其中一种方式,无焰燃烧也可用于其他工艺如蒸汽发生器、垃圾热处理、发动机气体燃烧室等,基本原则和稳定燃烧的条件是:温度高于自燃点,与烟气大量混合稀释。

4.低热值燃料、油和煤

无焰燃烧不仅仅局限于高热值气体燃料(如天然气),也能用于低热值气体燃料(如工业过程回收的煤气)或者液体和固体燃料,图4,再一次比较了燃油的有焰和无焰(空气预热)状态。

 

工业炉无焰燃烧技术知识
 

对于两种燃烧模式,化学反应路径不同,污染物生成和热流分布也不同,无焰燃烧技术可应用于清洁燃烧和提高热过程工艺。

5.无焰燃烧的其他名称

无焰燃烧是用来描述以上现象的非专利的、通用的标签,也有几个不同的表述,具体举例如下:

-HTAC(High TemperatureAir Combution).

-mild combustion.

-dilute combustion.

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

无焰燃烧的这些名称有的基于没有火焰前端,有的基于高温空气,或者是空燃料的稀释(混合之前氧气浓度低于21%),这些技术都是为了降低T和NOx排放。

注:本论文参考J.G.Wunning研究成果。

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