目前，我國的資源和環(huán)境問題日益突出，迫切要求高能耗行業(yè)全面推行高效、清潔的燃燒技術(shù)。蓄熱式燃燒技術(shù)，又稱高溫空氣燃燒技術(shù)，是20世紀(jì)90年代在發(fā)達(dá)國家開始推廣的一項(xiàng)新型的燃燒技術(shù)，它具有高效煙氣余熱回收、空氣和煤氣預(yù)熱溫度高以及低氮氧化物排放的優(yōu)越性，主要用于鋼鐵、冶金、機(jī)械、建材等工業(yè)部門中，并已出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭。至今我們已有了自己的一些專利，并且在國內(nèi)有了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，取得了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵部件
1 蓄熱體
蓄熱體是高溫空氣燃燒技術(shù)的關(guān)鍵部件，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
(1)蓄熱能力：?jiǎn)挝惑w積蓄熱體的蓄熱量要大，這樣可減小蓄熱室的體積，需要通過材料的比熱ＣＰ來衡量。(2)換熱速度：材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ可以反映固體內(nèi)部熱量傳遞的快慢，導(dǎo)熱系數(shù)大可以迅速地將熱量由表面?zhèn)髦林行?，充分發(fā)揮蓄熱室的能力；高溫時(shí)，材料輻射率可表征氣體介質(zhì)與蜂窩體熱交換的強(qiáng)弱。(3)熱震穩(wěn)定性：蓄熱體需要在反復(fù)加熱和冷卻的工況下運(yùn)行，在巨大溫差和高頻變換的作用下，很容易脆裂、破碎和變形等，導(dǎo)致氣流通道堵塞，壓力損失加大，甚至無法繼續(xù)工作。(4)抗氧化和腐蝕性：有些材料在一定的溫度和氣氛下發(fā)生氧化和腐蝕，會(huì)堵塞氣體通道，增加流通阻力。(5)壓力損失：在氣體通過蜂窩體通道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力損失，在流經(jīng)兩塊蜂窩體交界面時(shí)因流通面積突變和各個(gè)通道之間可能發(fā)生交錯(cuò)而產(chǎn)生局部阻力損失；前者對(duì)傳熱有利，后者對(duì)傳熱是不利的，因此應(yīng)盡力減少局部阻力損失來降低風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗。(6)經(jīng)濟(jì)性：它是一個(gè)重要的指標(biāo)，一種蜂窩體如果各種性能都好，但成本很高，推廣和應(yīng)用會(huì)受到限制。
2 換向閥
由于必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣、煤氣與煙氣的頻繁切換，換向閥也成為與余熱回收率密切相關(guān)的關(guān)鍵部件之一。盡管經(jīng)換熱后的煙氣溫度很低，對(duì)換向閥材料無特殊要求，但必須考慮換向閥的工作壽命和可靠性。因?yàn)闊煔庵泻休^多的微小粉塵以及頻繁動(dòng)作，勢(shì)必對(duì)部件造成磨損，這些因素應(yīng)當(dāng)在選用換向閥時(shí)加以考慮。如果出現(xiàn)閥門密封不嚴(yán)、壓力損失過大、體積過大、密封材料不易更換、動(dòng)作速度慢等問題，會(huì)影響系統(tǒng)的使用性能和節(jié)能效果。
3 燒嘴
燒嘴的設(shè)計(jì)原則是不能讓空氣和煤氣混合得太快，這樣容易形成局部高溫，但也不能混合得太慢，防止煤氣在蓄熱室出現(xiàn)“二次燃燒”甚至燃燒不充分。為了保證燃料在低氧氣氛中燃燒，必須在設(shè)計(jì)其供給通道時(shí)，考慮燃料和空氣在空間的擴(kuò)散、與爐內(nèi)煙氣的混合和射流的角度及深度，而這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)加熱裝置尺寸、加熱工藝要求、燃料種類、燒嘴大小、預(yù)熱溫度和空煤氣壓力等因素來確定。
蓄熱式燃燒技術(shù)又被稱為“高溫稀薄燃燒”技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這種低氧燃燒的有效途徑之一是：合理的布置燒嘴的位置和數(shù)量以及各個(gè)燃燒單元的相對(duì)位置關(guān)系和換向方式，有效地組織爐膛內(nèi)氣流的流動(dòng)，依靠預(yù)熱后空氣和煤氣射流的高速卷吸，使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生大量煙氣回流。一般來說，射流的速度越大，爐內(nèi)的卷吸和回流作用越強(qiáng)烈，就越有利于實(shí)現(xiàn)低氧的氣氛，而這種相對(duì)很低的煤氣和氧氣濃度降低了平均燃燒速度，拓展了燃燒邊界，形成了均勻的溫度場(chǎng)，并降低了ＮＯｘ的排放。
對(duì)現(xiàn)存幾個(gè)問題的分析
蓄熱式燃燒技術(shù)在中國發(fā)展了近二十年了，通過科研工作者的努力，取得了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)成果和經(jīng)濟(jì)效益。但也反映出了一些不足?？陀^地講，我國對(duì)蓄熱式燃燒技術(shù)的認(rèn)識(shí)還不如國外發(fā)達(dá)國家深刻，目前考慮的還僅僅是節(jié)能，并不是真正意義上的“第二代蓄熱式燃燒技術(shù)”。
1 蜂窩體的使用壽命不高
目前國內(nèi)蜂窩體的使用壽命均不是很高。加熱爐上的蜂窩體使用壽命一般為3～6個(gè)月，甚至出現(xiàn)過使用一個(gè)星期就大量碎裂的情況。用于鋼包烘烤器上的蓄熱體因煙氣溫度低使用壽命有所增加。蓄熱體在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題主要有熔化、軟化、破裂、堵塞和腐蝕等，其中蓄熱體材料的抗熱震穩(wěn)定性差是工程設(shè)計(jì)中最常出現(xiàn)的問題。造成以上問題的原因主要有以下三點(diǎn)：
(1)材料問題蜂窩體長(zhǎng)期工作在急冷急熱、還可能帶有腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境中，經(jīng)常承受著高溫作用和因內(nèi)外溫差變化而引起的應(yīng)力作用。這種工作環(huán)境對(duì)蓄熱體的材料提出了苛刻的要求。
為了增加蓄熱量，減小蓄熱室的體積，需要增加蓄熱體的密度。但抗熱震穩(wěn)定性與密度在一定程度上是互相排斥的，即密度越高，抗熱震穩(wěn)定性一般都比較差。
在使用過程中，蓄熱體與氣流進(jìn)行熱交換，一些帶有腐蝕性的氣體和顆粒會(huì)對(duì)蜂窩體產(chǎn)生不利影響。比如氧化鐵顆粒會(huì)降低鋁硅材質(zhì)的軟熔溫度，使蜂窩體熔化而堵死氣孔；酸性氣體會(huì)對(duì)蜂窩體產(chǎn)生腐蝕作用；微小顆粒會(huì)附著在蜂窩體表面而堵塞氣體通道等。
(2)偏流問題蓄熱室內(nèi)熱交換過程大致如下：在排煙階段，煙氣流經(jīng)蜂窩體時(shí)將顯熱儲(chǔ)存在蜂窩體中，加熱蜂窩體；在燃燒階段，空氣(或煤氣)流經(jīng)蜂窩體時(shí)被加熱，余熱被重新帶回爐內(nèi)。在以上的任何一個(gè)階段，如果氣體在蓄熱室內(nèi)出現(xiàn)偏流，經(jīng)過若干次換向后容易導(dǎo)致蜂窩體局部高溫而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超出其承受極限時(shí)，蜂窩體就會(huì)破裂。
(3)“二次燃燒”問題蓄熱式燃燒系統(tǒng)的空氣噴口和煤氣噴口一般都是相互獨(dú)立的，這樣有利于形成爐內(nèi)低氧氣氛，拓展火焰邊界，形成均勻的溫度場(chǎng)，提高加熱質(zhì)量和減少氮氧化物的排放。但是對(duì)空氣和煤氣兩股射流的速度、交角和距離的最佳值很難把握，一旦處理不當(dāng)則容易造成爐內(nèi)局部煤氣燃燒不充分而其它地方氧氣還有剩余。這些煙氣在被吸入蓄熱室時(shí)，空氣和煤氣會(huì)重新接觸產(chǎn)生“二次燃燒”，放出的熱量可以完全被蜂窩體吸收，盡管沒有造成能量損失，但局部高溫很容易使蜂窩體熔化而失效。
研制出一種高品質(zhì)的蓄熱材料來適應(yīng)蓄熱體惡劣的工作環(huán)境是提高其使用壽命最有效的辦法。
2 關(guān)于副煙道的討論
國內(nèi)對(duì)此問題存在著兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為沒有必要加副煙道；另一種認(rèn)為必須加副煙道。投入使用的蓄熱式加熱爐有的使用了副煙道，有的沒有使用。
(1)從能量的角度來看，只有高爐煤氣雙預(yù)熱時(shí)水當(dāng)量比略大于1 0，而其它如焦?fàn)t煤氣、天然氣單預(yù)熱時(shí)水當(dāng)量比均大于1 0。這就意味著通過預(yù)熱煤氣和空氣的辦法仍然無法將煙氣中的顯熱全部吸收，一定要有少部分的煙氣直接排出爐外。在不能提高蓄熱室排煙溫度的情況下?lián)Q向閥和引風(fēng)機(jī)只能夠承受有限的溫度)，只能通過副煙道來實(shí)現(xiàn)這一目的。
(2)從工程實(shí)踐的角度看，沒有加副煙道的加熱爐幾乎無一例外的存在爐壓大、冒火嚴(yán)重等缺點(diǎn)。這樣很容易燒壞現(xiàn)場(chǎng)的工作設(shè)備，惡化車間的操作環(huán)境；如果使用高爐煤氣等ＣＯ含量高的煤氣，還容易因燃燒不完全而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身體健康造成危害。
(3)從風(fēng)機(jī)工作能力的角度看，通常使用的引風(fēng)機(jī)似乎也沒有這個(gè)能力將爐內(nèi)的煙氣全部引出。預(yù)熱后的空氣和煤氣至少以40～50ｍ/ｓ的速度噴入爐內(nèi)，經(jīng)燃燒反應(yīng)后體積膨脹，引風(fēng)機(jī)是否能夠以40～50ｍ/ｓ甚至更高的速度將煙氣從爐內(nèi)引出值得懷疑。況且一味加大強(qiáng)制排煙，是否會(huì)因引風(fēng)速度過快而影響爐內(nèi)的燃燒效果，還有待進(jìn)一步證實(shí)。
最好的辦法就是在蓄熱式加熱裝置上安裝可調(diào)煙道閘板和金屬換熱器(加熱爐可以適當(dāng)增設(shè)預(yù)熱段)。當(dāng)然采取這種措施的利弊還要視具體情形來定。
關(guān)鍵部件
1 蓄熱體
蓄熱體是高溫空氣燃燒技術(shù)的關(guān)鍵部件，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
(1)蓄熱能力：?jiǎn)挝惑w積蓄熱體的蓄熱量要大，這樣可減小蓄熱室的體積，需要通過材料的比熱ＣＰ來衡量。(2)換熱速度：材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ可以反映固體內(nèi)部熱量傳遞的快慢，導(dǎo)熱系數(shù)大可以迅速地將熱量由表面?zhèn)髦林行?，充分發(fā)揮蓄熱室的能力；高溫時(shí)，材料輻射率可表征氣體介質(zhì)與蜂窩體熱交換的強(qiáng)弱。(3)熱震穩(wěn)定性：蓄熱體需要在反復(fù)加熱和冷卻的工況下運(yùn)行，在巨大溫差和高頻變換的作用下，很容易脆裂、破碎和變形等，導(dǎo)致氣流通道堵塞，壓力損失加大，甚至無法繼續(xù)工作。(4)抗氧化和腐蝕性：有些材料在一定的溫度和氣氛下發(fā)生氧化和腐蝕，會(huì)堵塞氣體通道，增加流通阻力。(5)壓力損失：在氣體通過蜂窩體通道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力損失，在流經(jīng)兩塊蜂窩體交界面時(shí)因流通面積突變和各個(gè)通道之間可能發(fā)生交錯(cuò)而產(chǎn)生局部阻力損失；前者對(duì)傳熱有利，后者對(duì)傳熱是不利的，因此應(yīng)盡力減少局部阻力損失來降低風(fēng)機(jī)的動(dòng)力消耗。(6)經(jīng)濟(jì)性：它是一個(gè)重要的指標(biāo)，一種蜂窩體如果各種性能都好，但成本很高，推廣和應(yīng)用會(huì)受到限制。
2 換向閥
由于必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣、煤氣與煙氣的頻繁切換，換向閥也成為與余熱回收率密切相關(guān)的關(guān)鍵部件之一。盡管經(jīng)換熱后的煙氣溫度很低，對(duì)換向閥材料無特殊要求，但必須考慮換向閥的工作壽命和可靠性。因?yàn)闊煔庵泻休^多的微小粉塵以及頻繁動(dòng)作，勢(shì)必對(duì)部件造成磨損，這些因素應(yīng)當(dāng)在選用換向閥時(shí)加以考慮。如果出現(xiàn)閥門密封不嚴(yán)、壓力損失過大、體積過大、密封材料不易更換、動(dòng)作速度慢等問題，會(huì)影響系統(tǒng)的使用性能和節(jié)能效果。
3 燒嘴
燒嘴的設(shè)計(jì)原則是不能讓空氣和煤氣混合得太快，這樣容易形成局部高溫，但也不能混合得太慢，防止煤氣在蓄熱室出現(xiàn)“二次燃燒”甚至燃燒不充分。為了保證燃料在低氧氣氛中燃燒，必須在設(shè)計(jì)其供給通道時(shí)，考慮燃料和空氣在空間的擴(kuò)散、與爐內(nèi)煙氣的混合和射流的角度及深度，而這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)加熱裝置尺寸、加熱工藝要求、燃料種類、燒嘴大小、預(yù)熱溫度和空煤氣壓力等因素來確定。
蓄熱式燃燒技術(shù)又被稱為“高溫稀薄燃燒”技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這種低氧燃燒的有效途徑之一是：合理的布置燒嘴的位置和數(shù)量以及各個(gè)燃燒單元的相對(duì)位置關(guān)系和換向方式，有效地組織爐膛內(nèi)氣流的流動(dòng)，依靠預(yù)熱后空氣和煤氣射流的高速卷吸，使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生大量煙氣回流。一般來說，射流的速度越大，爐內(nèi)的卷吸和回流作用越強(qiáng)烈，就越有利于實(shí)現(xiàn)低氧的氣氛，而這種相對(duì)很低的煤氣和氧氣濃度降低了平均燃燒速度，拓展了燃燒邊界，形成了均勻的溫度場(chǎng)，并降低了ＮＯｘ的排放。
對(duì)現(xiàn)存幾個(gè)問題的分析
蓄熱式燃燒技術(shù)在中國發(fā)展了近二十年了，通過科研工作者的努力，取得了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)成果和經(jīng)濟(jì)效益。但也反映出了一些不足?？陀^地講，我國對(duì)蓄熱式燃燒技術(shù)的認(rèn)識(shí)還不如國外發(fā)達(dá)國家深刻，目前考慮的還僅僅是節(jié)能，并不是真正意義上的“第二代蓄熱式燃燒技術(shù)”。
1 蜂窩體的使用壽命不高
目前國內(nèi)蜂窩體的使用壽命均不是很高。加熱爐上的蜂窩體使用壽命一般為3～6個(gè)月，甚至出現(xiàn)過使用一個(gè)星期就大量碎裂的情況。用于鋼包烘烤器上的蓄熱體因煙氣溫度低使用壽命有所增加。蓄熱體在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題主要有熔化、軟化、破裂、堵塞和腐蝕等，其中蓄熱體材料的抗熱震穩(wěn)定性差是工程設(shè)計(jì)中最常出現(xiàn)的問題。造成以上問題的原因主要有以下三點(diǎn)：
(1)材料問題蜂窩體長(zhǎng)期工作在急冷急熱、還可能帶有腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境中，經(jīng)常承受著高溫作用和因內(nèi)外溫差變化而引起的應(yīng)力作用。這種工作環(huán)境對(duì)蓄熱體的材料提出了苛刻的要求。
為了增加蓄熱量，減小蓄熱室的體積，需要增加蓄熱體的密度。但抗熱震穩(wěn)定性與密度在一定程度上是互相排斥的，即密度越高，抗熱震穩(wěn)定性一般都比較差。
在使用過程中，蓄熱體與氣流進(jìn)行熱交換，一些帶有腐蝕性的氣體和顆粒會(huì)對(duì)蜂窩體產(chǎn)生不利影響。比如氧化鐵顆粒會(huì)降低鋁硅材質(zhì)的軟熔溫度，使蜂窩體熔化而堵死氣孔；酸性氣體會(huì)對(duì)蜂窩體產(chǎn)生腐蝕作用；微小顆粒會(huì)附著在蜂窩體表面而堵塞氣體通道等。
(2)偏流問題蓄熱室內(nèi)熱交換過程大致如下：在排煙階段，煙氣流經(jīng)蜂窩體時(shí)將顯熱儲(chǔ)存在蜂窩體中，加熱蜂窩體；在燃燒階段，空氣(或煤氣)流經(jīng)蜂窩體時(shí)被加熱，余熱被重新帶回爐內(nèi)。在以上的任何一個(gè)階段，如果氣體在蓄熱室內(nèi)出現(xiàn)偏流，經(jīng)過若干次換向后容易導(dǎo)致蜂窩體局部高溫而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超出其承受極限時(shí)，蜂窩體就會(huì)破裂。
(3)“二次燃燒”問題蓄熱式燃燒系統(tǒng)的空氣噴口和煤氣噴口一般都是相互獨(dú)立的，這樣有利于形成爐內(nèi)低氧氣氛，拓展火焰邊界，形成均勻的溫度場(chǎng)，提高加熱質(zhì)量和減少氮氧化物的排放。但是對(duì)空氣和煤氣兩股射流的速度、交角和距離的最佳值很難把握，一旦處理不當(dāng)則容易造成爐內(nèi)局部煤氣燃燒不充分而其它地方氧氣還有剩余。這些煙氣在被吸入蓄熱室時(shí)，空氣和煤氣會(huì)重新接觸產(chǎn)生“二次燃燒”，放出的熱量可以完全被蜂窩體吸收，盡管沒有造成能量損失，但局部高溫很容易使蜂窩體熔化而失效。
研制出一種高品質(zhì)的蓄熱材料來適應(yīng)蓄熱體惡劣的工作環(huán)境是提高其使用壽命最有效的辦法。
2 關(guān)于副煙道的討論
國內(nèi)對(duì)此問題存在著兩種觀點(diǎn)，一種認(rèn)為沒有必要加副煙道；另一種認(rèn)為必須加副煙道。投入使用的蓄熱式加熱爐有的使用了副煙道，有的沒有使用。
(1)從能量的角度來看，只有高爐煤氣雙預(yù)熱時(shí)水當(dāng)量比略大于1 0，而其它如焦?fàn)t煤氣、天然氣單預(yù)熱時(shí)水當(dāng)量比均大于1 0。這就意味著通過預(yù)熱煤氣和空氣的辦法仍然無法將煙氣中的顯熱全部吸收，一定要有少部分的煙氣直接排出爐外。在不能提高蓄熱室排煙溫度的情況下?lián)Q向閥和引風(fēng)機(jī)只能夠承受有限的溫度)，只能通過副煙道來實(shí)現(xiàn)這一目的。
(2)從工程實(shí)踐的角度看，沒有加副煙道的加熱爐幾乎無一例外的存在爐壓大、冒火嚴(yán)重等缺點(diǎn)。這樣很容易燒壞現(xiàn)場(chǎng)的工作設(shè)備，惡化車間的操作環(huán)境；如果使用高爐煤氣等ＣＯ含量高的煤氣，還容易因燃燒不完全而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身體健康造成危害。
(3)從風(fēng)機(jī)工作能力的角度看，通常使用的引風(fēng)機(jī)似乎也沒有這個(gè)能力將爐內(nèi)的煙氣全部引出。預(yù)熱后的空氣和煤氣至少以40～50ｍ/ｓ的速度噴入爐內(nèi)，經(jīng)燃燒反應(yīng)后體積膨脹，引風(fēng)機(jī)是否能夠以40～50ｍ/ｓ甚至更高的速度將煙氣從爐內(nèi)引出值得懷疑。況且一味加大強(qiáng)制排煙，是否會(huì)因引風(fēng)速度過快而影響爐內(nèi)的燃燒效果，還有待進(jìn)一步證實(shí)。
最好的辦法就是在蓄熱式加熱裝置上安裝可調(diào)煙道閘板和金屬換熱器(加熱爐可以適當(dāng)增設(shè)預(yù)熱段)。當(dāng)然采取這種措施的利弊還要視具體情形來定。
