1、国际燃烧技术现状研究1.国际高温空气燃烧技术研究现状1.1 国际火焰协会（IFRF）概况IFRF是一个世界性的网络，有超过150个公司和学院参加，目的是获得清洁和高效的工业燃烧技术。协会主要的目的是通过获得和产生信息，能实现优化火焰和高效加热，同时减少环境污染，并配套设计燃烧设备来产生这样的火焰。钢铁行业目前主要的会员单位有9家，比较知名的有：德国阿赛洛公司、荷兰CORUS公司、英国CORUS公司、日本神户制钢、日本新日铁公司和中国宝钢。宝钢于2003年加入IFRF，2008年重新加入。1.2 IFRF开展与钢铁行业相关的工作现在发达国家钢铁行业正在经受相当大的经济及环境压力。一方面要减少成本
2、，从而提高盈利能力；另一方面要减少温室气体排放。钢铁生产是能源密集型的生产消耗，一般每吨钢液为21GJ，其中生铁生产占能源总消耗的一半。能源成本可管理性是仅次于劳动力成本管理的生产成本影响因素。更有效地利用副产品气体（高炉，焦炉和转炉气体）可以有效降低生产成本，减少二氧化碳排放量。从长远来看，如果迫切需要削减二氧化碳排放量，应该寻找一种不含碳的还原剂还原铁矿石生产生铁。IFRF多年来一直关注钢铁工业的发展，而且它的许多设施和技术的发展已经专注在钢铁行业。目前，国际火焰协会在钢铁行业发展的项目包括：HEC-EEC项目（高效燃烧-过焓燃烧），HTAC（高温空气燃烧）项目、OxyFlam（富氧燃烧）
3、项目、ESCS（欧洲组合科学学会）建立的项目和利用钢铁行业煤气副产品项目。IFRF研究站位于内科勒斯的IJmuiden钢厂，并且现在可以直接应用天然气和焦炉煤气。IJmuiden钢厂提供的低热值煤气使得研究站具有产生模拟任意热值煤气的能力。固体和液体燃料也可以。另外：新的HEC-EEC2Mw炉子模拟了一个由紧凑的蓄热室烧嘴加热的现代化加热炉，2#加热炉可以用来研究液体和气体燃料火焰特性，一般最大功率为lMW、可以提供预热空气500、现场可以提供富氧空气及纯氧。HTAC（高温空气燃烧）项目从20世纪90年代中期开始研究，使用高温预热空气与天然气燃烧，LFO、HFO和PF利用不同比例的400种结果
4、来设计燃烧器。研究结果发表在3份报告中，包括：使用天然气；使用LFO和HFO；使用煤粉。富氧燃烧项目在1995年和1998年之间进行，并在不同钢铁企业对一系列燃气和不同氧气含量进行了实验，利用产生的数据来优化富氧燃烧火焰特性，侧重于NOx/CO生成机理和传热特性研究。它包括：对工业规模的富氧燃烧火焰特性进行测量、发展新的测量技术、发展和验证数值模型，特别是CFD模型。国际火焰协会在钢铁行业开展的其他工作：1）研究了高炉煤粉喷吹技术，目标是找到燃烧发生的喷煤比例。该试验在高炉操作温度和速度下采用了全尺寸吹管和水冷风口，另外针对喷油也进行了研究；发展旋风转炉铁矿石直接还原技术；研究了在加热炉上应用
5、天然气和焦炉煤气的低Nox/CO燃烧技术；研究了高炉物料球团生产时使用的烧嘴性能；研究了在高炉中喷煤和燃烧废塑料技术。2）于2003年3月针对有效利用钢铁厂煤气副产品和钢铁厂能源消费基准选择开展了一个短期研究。这次研究审查了IFRF以往的低热值煤气燃烧实验结果。在英国CORUS和荷兰讨论了有关当前副产品煤气的使用情况和未来的动力和限制，与燃烧器制造商进行了接触，以确定当前设备的可用性。这项研究得出的结论包括：优化利用钢铁厂煤气副产品，从而减少成本及碳排放量；其他行业对低热值煤气感兴趣；IFRF拥有一个非常有用的数据库，可以提供更好的研发机会，比如：无火焰燃烧和更好的过程控制；更有效地利用这些煤
6、气形成共同利益集团；为钢铁行业及钢铁工业协会制定标准提供更好的能源消费数据。1.3 IFRF及其他欧洲国家开展HTAc技术研究情况HTAC（高温空气燃烧）技术，国内一般称为蓄热燃烧技术，是一项节能环保的新技术，其目的是在于最大限度回收烟气余热，同时减排NOx，基于该技术的原理，根据应用目的的不同，该技术有几种不同的称呼，包括：HTAC（High Temperature Air Combustion）高温空气燃烧；FLOX（Flameless Oxidation）无焰低氧燃烧技术；FEEC（Excess EntIlaIpy Combution）过焓燃烧技术；DOC（Dilute Oxygen C
7、ombustion）稀释氧燃技术；LNI（Low Nox Injection）低NOx的射流技术。IFRF、荷兰、德国、瑞典、美国等国家均对该技术进行了大量研发，而在该技术的应用方面则以日本领先，下面主要对该技术的研发进行介绍，其他国家的研发进行简单介绍。1.3.1 IFRF开展的HEC-EEC项目介绍建立了专门的实验炉，研究HTAC希望达到的目的包括：通过出炉烟气温度降低到200以下增加能源效率；减少NOx的形成，通过稀释燃烧降低峰值温度；通过均匀温度分布来增加产品质量；增加对产品的传热来提高产量。HTAC应用的领域包括：玻璃、钢铁行业、发电等，钢铁是其重要的应用领域之一。研究的领域包括三大
8、方面：基础研究：燃烧特性、传热；应用方面：改造，安全方面；环保方面：C02、NOx。项目开展的时间是2001年1月1日到2004年12月31日，项目的团队包括：IFRF，荷兰的Gasunie Research，CORUS公司和NOVEM。具体的研究内容包括7大方面：对使用不同燃气：天然气和焦炉煤气时的情况进行评估；传热特性研究；复杂的蓄热烧嘴操作诀窍的研究；调节比和熄火特性的研究；组件可靠性验证；安全措施；验证数学模型的有效性。结合以上的研究内容，通过IFRF的实验炉和烧嘴完成了以下的工作：1）实验炉：半工业规模的炉膛空间；调节炉子的长度来控制表面放热；调节吸热源来模拟产品；优化激光测量的路径
9、；选用新的隔热材料抗高温、方便使用；烧嘴，半工业规模的烧嘴功率为1Mw；采用陶瓷蜂窝体；采用可行的设计；以可实现商业应用为目的；进行烧嘴的测绘。2）输入输出测量的主要参数：燃气的组分测量：C02，CO，NO，N02，CxHy，02，H2；压力：炉子、蓄热体；流量：燃料、空气、烟气；热流：辐射；火焰内部测量参数；流场：激光切片可视、激光多普勒测速；温度：抽气高温计；燃气种类：水冷取样探头和常规的分析仪。其中通过激光多普勒测速技术（LDA技术）得到的结果证明：在冷态等温工况下测量效果理想可以得到流场的详细信息，而在烧嘴切换时，梯度变化大的工况下烧嘴的空气射流是检测不到的。未来进一步的工作还包括：L
10、DA在大梯度进行测量，并和CFD的结果进行比较；对烧嘴切换时的工况进行测量；对等温和非等温工况进行测量；对不同负荷下的非等温工况进行测量。项目的实施完全国际化，通过网络建立了项目组与会员之间的沟通体系，在183成员组织和1163个人会员间进行了沟通，17%的会员给予了积极的反馈。1.3.2荷兰CORUS钢厂应用HTAC技术的实践荷兰CORUS钢厂进行节能工作的驱动力为：钢铁厂是一个大的能源使用单位；占德国能源消耗的1%和C02排放的4%；环境方面：需要应对二氧化碳的减排；减少能源消耗可以提高竞争力；领先的钢铁行业每年的能源费用下降3%。节能工作的开展，一是增加能源的使用效率，二是增加使用副产气
11、体的适应性。应用HTAC的目的主要是为了提高现有设备的能源效率。在HTAC研究和应用领域，荷格文对热轧的加热炉进行了改造，该炉子主要的技术参数如下：炉子功能：为轧制预热板坯；板坯尺寸：12m1.5m0.2m；装炉温度：20300C：出炉温度：1150l250C；燃料：天然气&焦炉煤气（100Mw）；助燃空气：400600C。于2006春天安装了4个烧嘴，夏天进行了试验运转。2006-2007年一直进行现场生产试验检验效果。工业试验的效果证明：实现节能27%；减少N0x排放；稳定操作一年；准备推广该技术。提高内部使用副产气的范围是提高能源效率的关键，但长期而言需要有突破性技术来减少燃料消耗和减排
12、二氧化碳。1.3.3 德国HTAC技术研发及应用德国对于HTAC技术研究最具代表性的公司是WS公司，其做的主要研究工作包括：对火焰的特点进行了研究，专门提出基于HTAC侧重于获得无焰火焰的FLOX技术（无焰低氧燃烧技术）；对有焰和无焰燃烧特性进行了专门的研究，认为无焰火焰的条件包括空气预热、助燃空气低氧气浓度和大的燃烧空间；NOx的排放；对获得稳定火焰、不稳定火焰和无焰低氧火焰的条件进行了研究。建立了FLOx火焰测量实验装置，可以完成的主要工作包括：3-D fully automatic measurement三维自动测量；不带水冷的垂直探针，测量气体、压力和温度；带空冷的测温用于温度控制；空
13、气预热可调；与常规火焰温度分布的比较；使用CFD建模进行了常规火焰与FLOX火焰温度分布的比较；使用CFD对速度分布进行了研究；对烧嘴的结构进行了研究，包括辐射管烧嘴。实现的主要应用包括：硅钢加热炉、蒂森克努伯的连续退火炉；开发的REGEMAT烧嘴使用在不锈钢连续退火炉上。另外就是将FLOX火焰烧嘴向其他领域推广，如应用在外燃机STlRLING上、锅炉、煤燃烧领域。2.国际燃烧技术发展的动向通过此次对IFRF的考察，依托其强大的国际网络，对世界燃烧领域目前主要的研究和发展动向有了一个比较明确的了解，为今后开展该领域的项目研究指明了方向，分别总结如下：2.1 美国燃烧技术现状奥巴马总统已经保证美
14、国要立法实现到2020年温室气体减排16%，到2050年温室气体减排80%，这样苛刻的立法建立后需要多技术的结合才能达到要求，主要考虑开展的研究包括三方面：燃烧前燃料处理；高效的燃烧技术：如HTAC，无焰燃烧和氧燃系统；燃烧后的CO2捕捉和储存。全球主要的政府和公司都已经开始着手开发碳捕获和存储技术，对于燃烧前燃料处理技术主要包括蒸气一氢重整，另外就是在直接加热炉上进行氧燃烧嘴技术应用的工业示范。对于蓄热燃烧和无焰燃烧技术已经不再是一个新的概念，主要的关心点在于安全性、可操作性和可靠性，这对于该类技术的进一步推广非常重要。工业炉目前需要的是既能在常规加热方式下使用（非常低的NOx），也能在无焰
15、燃烧方式下运行。无焰燃烧加热器的设计必须满足过程对辐射热流的需要，增加效率和减少常规操作下的排放。这样的加热器必须包括烧嘴管理系统，可以实现监控和控制烧嘴。美国的Great Southen Flameless（GSF）公司已经开发出革命性的无焰加热技术用于过程加热，GSF的设计使用了HTAC来提高效率和减少C02，同时无焰燃烧的工艺也实现了低NOx的水平，这么低的排放在以往只有在使用了SCR系统才能实现。而这样系统的开销只相当于两个常规的带空气预热的加热系统。2.2 加拿大燃烧技术研发现状CANMET Energy Technology Centre是加拿大规模最大的清洁能源研究和开发机构，拥
16、有450个科学家、工程师和技术人员，超过100年的经验，该机构的目标是开发清洁能源技术，减少温室气体排放，改善加拿大的环境，为加拿大开发可持续发展能源。许多的工业过程都增加了对HTAC技术的兴趣，该技术起初主要应用于钢铁行业，因为高效、低排放，HTAC火焰的特点是理解燃烧现象，开发模型来模拟不同的工业炉。通过测量来比较常规和HTAC火焰，对这些火焰进行了组分和辐射热流的测量，对比的烧嘴为常规的没有预热的低NOx烧嘴和自身预热式的蓄热烧嘴，烧嘴的功率为200kw，残氧量为4%5%。使用激光CARS技术和抽气热电偶来测量火焰温度，测最的结果表明HTAC火焰有一个更低的峰值温度和更均匀的炉内温度，火
17、焰的波动也比常规的小，HTAC的辐射热流比常规火焰的高。2.3 荷兰荷兰的研究以荷兰CORUS钢铁厂作为代表，其主要关注的目标是“钢铁工业燃料转型的研究”，荷格文钢铁厂的Dr.Peter Hoppesteyn博士用一个公式描述了冶金过程与二氧化碳排放间的关系，见公式：0.5Fe203+0.75C1Fe+0.75C02 认为目前钢铁行业面临的外界主要的商务环境就是温室气体减排。温室气体是造成全球暧化的原因，目前已经没有异议，且温室气体是呈逐年增加的趋势，其中中国的增加尤其明显。对钢铁行业CO2的来源进行了分析。钢铁工艺流程包括的化学反应过程：烧结、高炉、炼钢；能源消耗：用于加热而发生的燃料转化、
18、电能的使用、燃烧产生的气体。应对的措施包括短期和长期的策略，具体为：短期策略：使用现存的设备；增加燃料转化过程中的能源效率；在现有的生产过程中使用生物燃料；实施碳的捕获和储存。长期的措施：开发使用无碳排放的钢铁生产工艺。2.4 HTAC及无焰燃烧领域在该领域的研究，国际上仍一直在继续，并建立了大量的实验设备进行完善研究，Stuttgart大学建立了FLOX设备，目前主要的研究重点是稳定性、适用性和安全性。HTAC目前在钢铁行业还有一个新的用途就是应用在高炉热风炉上，该技术首先于1991年由法液空立项研究，后联合西马克一德马克进行市场化推广，该技术的主要特征是：采用陶瓷小球作为换热体，其比表面是格子砖的9倍。流动通过一个径向的床发生：更低的压力损失，更为致密的设计和更低的热损失。更剧烈的燃烧、燃烧空间更紧凑。与常规的热风炉比较其优点如下：更紧凑的设计，小球换热床的体积是格子砖的l/4,投资少25%30%；更好的热性能，节能8%，可以完全不用高热值煤气；更低的污染物（NOx，CO，C02)排放；燃料的操作费用节约25%（消耗更少的高热值煤气）。
