7.2 工业炉用燃烧装置——燃烧新技术在线视频

同学们好

我是来自武汉科技大学

材料与冶金学院的许学成

上一次课我们讲解了

工业炉常用的燃烧装置

并且给大家介绍了几种常见的烧嘴

以及烧嘴的选型问题

今天 我们来学习几种燃烧新技术

首先我们来介绍

燃烧新技术的第一种

叫做蓄热式燃烧技术

从字面意思理解

这是一种能够蓄积热量的燃烧技术

那么 蓄积的热量

用来预热空气或者是燃气

但是 考虑到安全问题

大部分情况下

我们都把它用来预热空气

我们为什么要预热空气

预热空气会带来什么好处

我们来看下面这幅图

空气的预热温度

和燃料消耗的关系

从这个图我们就可以看到

随着空气预热温度的增加

燃料的消耗量是逐渐下降的

研究表明

采用传统的换热器

进行集中式换热

最高可以将空气预热到

600到700度左右

与空气不预热相比

可以节约燃料大概30%

而如果空气的预热温度足够高

甚至接近炉温

这个时候燃料消耗

将比空气不预热时低50%

但是 传统的换热器在预热空气

温度这个方面

已经没有办法进一步提升了

在这种情况下

蓄热式燃烧技术就应运而生了

下面 我们结合这幅图来介绍一下

蓄热式燃烧技术的基本原理

从图中我们可以看到几个关键设备

烧嘴a 烧嘴b 蓄热体 换向阀

在蓄热式燃烧系统里面

炉膛一般没有专门的烟道

烧嘴都是成对配置的

在燃烧的时候

一个烧嘴燃烧

它对应的配对烧嘴作为排烟通道

它的基本流程如下

假设 我们在起始阶段

烧嘴a燃烧

相应的烧嘴b就作为排烟通道了

烧嘴a燃烧后产生的高温燃烧产物

通过烧嘴b排出炉膛

在烧嘴b内设置有蓄热体

蓄热体的作用是用来蓄积热量

燃烧产物将热量传递给蓄热体后

它的温度就降低

然后经过换向阀排到环境中去

经过一定的时间之后

这个时间我们一般称为换向周期

烧嘴b就作为燃烧来用

烧嘴a就作为排烟通道

这个时候我们经过换向阀

来进行切换

原来 作为排烟通道的烧嘴b

就与空气管道相连接

空气在进入烧嘴b燃烧之前

先经过蓄热体

刚才已经加热好的蓄热体

就将热量传递给空气

在这种情况下

可以将空气加热到1000摄氏度以上

然后再进入燃烧

同时 高温燃烧产物

就经过烧嘴a排出了

这个时候烧嘴a就作为排烟通道

排出过程中将热量传递给烧嘴a

里面的蓄热体

温度降低 然后经过换向阀

排到环境中去

这一整个过程

就是一个工作周期

经过循环 实现这种蓄热式燃烧

这样的情况下

我们可以实现每一次

空气进炉燃烧前

都能够预热到接近炉温的温度水平

而每一个周期

气体通道是怎么切换呢

就是通过换向阀来实现的

蓄热式燃烧技术

具有非常好的节能减排效果

具体的优点我们可以概括为

以下几个方面

一 高效节能

因为这种燃烧方式的排烟温度

是比较低的

甚至可以达到200摄氏度以下

可以排出炉外的烟气

所带走的预热就比较少

大部分热量都能够被直接利用

第二 污染物排放低

因为燃烧区含氧量比较低

所以 氮氧化物的产生比较少

同时 因为燃料消耗量降低了

所以 温室气体的排放相应也减少

第三 我们可以使用低热值燃料

对于低热值燃料来说

在工业应用的一大障碍

就是它的理论燃烧温度太低了

燃烧不稳定

我们通过蓄热式技术

将空气预热之后

就可以大大地增加理论燃烧温度

使得低热值燃料

之前所面临的很多问题就被解决了

所以低热值燃料在很多场所

就具备了使用价值

第四 炉膛温度的均匀性比较好

在蓄热式燃烧中

火焰是比较发散的

有时候甚至能够充满整个炉膛空间

因此 它的炉温均匀性是比较好的

第五 是工件的加热质量好

这主要是由于炉膛空间的

氧含量比较低

因此 我们被加热工件

它的氧化 烧损是比较少的

第六个方面

是燃烧噪声比较低

蓄热式燃烧技术的燃烧过程

是在炉膛空间中进行的

因此 它的噪声比较低

从现场工作环境来说是比较好的

第七 可以提高产量

采用蓄热式燃烧技术

这种工业炉窑

炉内的传热效果是比较好的

研究表明

同样长度的炉子

采用蓄热式燃烧技术

产量可以提高20%以上

接下来 我们简单介绍一下

蓄热式燃烧技术的几个关键部件

主要包括燃烧器 蓄热体和换向阀

下面这幅图所展示的

就是一种空气氨预热的蓄热式烧嘴

我们可以看到

烧嘴内部上头有蓄热体

蓄热体是在空气的流通通道上

空气在进入燃烧区之前

要先经过蓄热体

被蓄热体加热

下一个部件是蓄热体

目前 我们广泛应用的蓄热体

主要有两种

一种是小球

另外一种是蜂窝体

这两种蓄热体材质都是陶瓷

能耐高温

但是它们的主要区别在于什么

小球状的蓄热体是容易加工制造

但是它的堆积稳定性是比较差的

而蜂窝状的蓄热体

它的加工制造相对难一些

但是它的堆积稳定性是比较好的

具体我们采用何种蓄热体

要根据现场条件来定

下一个部件是换向阀

主要起流体介质流向切换作用

图中所示是几种常见的换向阀

对于换向阀我们需要特别提醒的是

要充分考虑它在机械方面的可靠性

和耐久性

比如 如果我们的切换时间

或者说我们的切换周期是30秒

每年换向阀的动作次数

大概有100万次

因此 它的使用寿命就相当重要

蓄热式燃烧技术自问世以来

在很多的工业炉上进行着应用

如下面我们这几幅图

就分别展示了这个技术

在加热炉 熔铝炉 钢包烘烤

方面的应用

当然 它的应用是远不止于此的

总之 蓄热式燃烧技术是一种

节能减排的技术

它有很多优点

但是 我们也应该认识到

它存在的一些问题

比如 蓄热体和换向阀的寿命

比较短

管道的压力波动大

操作要求相对比较高等等

下面 我们来介绍

近年来出现的一种新的燃烧技术

多孔介质燃烧技术

这种技术也是一种具有很好的

节能减排效果的技术

众所周知

近年来 全球的能源短缺

和环境污染的形势越来越严峻

它主要表现在以下几个方面

第一 能源供需矛盾比较突出

第二 能源利用率比较低

第三 环境污染

我们从理论角度解析

这些问题都是在燃料燃烧的过程中

出现的

因此 如果我们能够找到一种高效

又清洁的燃烧技术

将很大程度上能解决这些问题

基于此

国际燃烧学界在上世纪90年代

提出了一种新的燃烧技术

叫做多孔介质燃烧技术

经过国际燃烧学界近几十年的

理论研究发现

多孔介质燃烧技术

具备一系列的优点

并且 国际燃烧学界公认这个技术

是一种划时代的燃烧技术

接下来 我们来一探究竟

所谓 多孔介质燃烧技术

它是指借助于多孔介质

进行燃烧的一种技术

所以 首先 我们来认识一下

多孔介质

下面这几幅图展示的是

几种材质的多孔介质

从材料本质上来说

它是一种陶瓷材料

具有良好的耐高温性能

从我们的表观结构上来说

它是一种具有互相连通孔隙的

结构材料

这种材料类似于日常生活中

经常见到的一种物质 海绵

所以多孔介质材料也称之为

泡沫陶瓷

相对于密实介质也就是密实材料

多孔介质具有大的孔隙率

大的比表面积等等优点

接下来我们来看多孔介质燃烧原理

下面这幅图展示的就是

多孔介质燃烧的机理示意图

从图中可以看出

主要特征是在燃烧区域内

加入了导热系数

和辐射率比较高的

固体多孔介质材料

加入多孔介质之后

我们可以实现超焓燃烧

所谓的超焓燃烧是指

燃料的燃烧温度

比理论燃烧温度还要高的一种燃烧

这主要是由于多孔介质

能够对未燃气体进行预热来实现的

下面这几幅图是多孔介质

实际的燃烧效果图

从视觉上来看

它和传统的燃烧方式

一个最大的区别是

火焰完全浸没于多孔介质内部

也就是说 我们从视觉上看

是看不到火焰的

从以上介绍来看

多孔介质燃烧是一种

与现有任何燃烧方式均不同的

燃烧技术

这个燃烧技术它有什么优点

我们来看一下

这种燃烧技术的优点

第一 是它的燃烧速度和燃烧强度

比较大

烧嘴的结构比较紧凑

研究表明

燃烧速度和燃烧强度

是传统烧嘴的2到5倍

从结构上来说

它可以缩小10到15倍

对于工业炉窑来说

燃烧强度大 结构紧凑

是炉窑结构紧凑的前提

这就相当于

原来我们需要100个平方的土地

才能建造的一个设备

现在我们需要10个平方的土地

就能解决了

第二 是燃烧调节比宽

燃料的热值适应性广

同一台多孔介质烧嘴

它能够燃烧不同热值的燃料

尤其是低热值燃料

也能够实现直接稳定燃烧

这个效果对于传统燃料器来说

是一个很大的改进

尤其是对于低热值燃料

我们不需要来预热助燃空气

就可以直接将低热值燃料稳定燃烧

这样 我们就能够解决全球大量的

低热值燃料

由于不具备利用价值

而直接排放这么一个难题

第三 燃烧空间小

降低炉体的制造成本

多孔介质燃烧在烧嘴外面

是不存在火焰的

但是传统的烧嘴我们都知道

我们是能看到火焰的

而且火焰可能还要伸出烧嘴的本体

很长

有的时候可以达到几米

目前工业炉窑

有相当一部分炉长空间

是预留给火焰的

因为 如果我不预留这一部分空间

燃料就烧不完了

燃料的燃烧效率就会比较低

火焰会直接冲刷空间的表面

这些都是不利于生产的

而如果我们采用多孔介质烧嘴

就可以减少这一部分空间

炉体的体积也会降低

相应的造价就会降低

第四 污染物排放低

这是多孔介质燃烧的最大优点之一

研究表明

多孔介质燃烧氮氧化物排放

在50ppm以下

一氧化碳的排放在100ppm以下

这个排放是一个什么水平

目前 全世界最严苛的排放标准

它都可以轻易满足

以我国钢铁行业为例

目前最严苛的氮氧化物排放限值

是100ppm

而如果我们采用多孔介质燃烧

是完全可以满足这种排放标准的

第五 是定向可控辐射加热效率高

加热质量均匀

安装传统烧嘴的工业炉窑

它依靠燃烧产物

在炉内的高速流动来加热工件

主要的传热方式是对流传热

而多孔介质烧嘴的加热方式

它是以辐射为主

燃料在燃烧时先加热多孔介质面板

然后 面板再以辐射的方式

将热量输送到工业炉内

从传热学我们可以知道

在导热 对流 辐射三种传热方式中

辐射是最高效的传热方式

它不需要借助任何介质

即使是在真空中也可以传递热量

而且它的传热

是以温度的四次方成正比

另外 对于辐射面来说

我们也比较容易调整角度

来实现定向辐射

已经有研究表明

采用多孔介质烧嘴的工业炉窑

在相同的条件下加热速度更快

这意味着什么呢

这意味着在不改变其他条件情况下

仅仅是更换燃烧方式

我们就能够扩大生产规模

第六 是燃烧器截面形状

可以自由设计

如图所示

是几种不同形状的多孔介质烧嘴

这种截面形状多变性

是有利于我们在各种不同场合使用

这个烧嘴

多孔介质燃烧技术

具有广泛的应用场景

目前 在国内外

已经有公司在钢铁行业 汽车行业

纺织行业 橡胶行业等等

进行了应用尝试

如德国和美国的一些公司

就进行了工业化尝试

已经取得了很好的效果

但是 在世界范围内

这项技术还没有获得

广泛的工业化应用

尤其是在我国

还没有任何工业化应用的先例

之所以没有应用

它面临的瓶颈主要有两个

一个是多孔介质材料的性能不合格

由于燃烧是在多孔介质内进行的

所以 多孔介质材料要具备良好的

耐高温和抗热震性能

第二 是适用于工业应用的

多孔介质烧嘴设计不合格

我们知道

工业应用和实验室的性能测试

是两个完全不同的门路（音）级别

由于多孔介质燃烧方式的特殊性

它的烧嘴结构 它的安全连锁

它的控制系统

以及在炉内排布等等特性

与传统烧嘴是完全不同的

目前 国内还没有

具备这种能力的企业

为了将这项技术在国内

进行工业化应用

众多的国内高校进行了研究

在工业化应用这个方面

大连理工大学的李XX教授

和武汉科技大学多孔介质燃烧团队

走在了前列

下面这几幅图是李XX教授的一些

实验平台和实验过程

接下来这几幅图是武汉科技大学的

实验平台和实验过程

从武汉科技大学的部分实验数据

我们可以看出

一氧化碳的排放是低于100ppm的

而氮氧化物的排放是普遍低于

10ppm的

从我们工业运用最关心的

炉温指标来看

武汉科技大学可以实现840度炉温

处于国内领先水平

总之 多孔介质燃烧技术

是一种高效清洁的燃烧技术

如果我们能够将这个技术

在我国进行工业化应用

我们预计可以达到以下效果

第一 是节能

保守估计可以节能10%以上

第二 是环保

它可以满足全球目前最苛刻的

排放标准

甚至可以满足全球未来20年

最苛刻的排放标准

第三 是扩大生产

缩短加热时间

也就意味着可以扩大产量

这个指标可以达到10%以上

第四是降低成本

主要体现在投资和运行成本

都会降低

然而 由于面临着种种问题

这项划时代的燃烧技术

还未能在我国实现工业化应用

仍需要众多有志之士的继续努力

同学们

本次课介绍的新型燃烧技术

主要集中于节能减排这个方向

希望通过本次课的学习

能够起到抛砖引玉的效果

激发大家学习和研究的兴趣

为我国的节能减排事业

做出更大的贡献

谢谢大家