高效、低污染蓄热式燃烧冷凝型天然气锅炉系统.pdfVIP

2008年第 1期 高效、低污染蓄热式燃烧冷凝型天然气锅炉系统 费 力 (北京交通大学机电学院动力系) 摘 要 本文详细介绍了应用高温空气燃烧技术的高效、低污染蓄热式燃烧冷凝型天然气 锅炉系统及其在国内对2．8 MW 热水锅炉的实验测试情况。 关键词 蓄热式燃烧 烟气冷凝 天然气锅炉系统 近年来，高温空气燃烧技术 (HTAC)凭借其高效节能及低污染物排放的双重优越性 能，已经在国内外的工业炉窑中得到了广泛的应用和发展[1]，其中，蜂窝式蓄热体作为此 项技术的关键部位，具有蓄热量大、换热速度快、耐高温高压、抗氧化腐蚀、阻力损失小 等特点。 为了有效改善大气环境，特别是大中城市的大气污染状况，国家开始大力改变能源结 构，推广清洁气体燃料，特别是天然气。对于天然气，主要成分是甲烷 (CH4)，属于高氢 燃料，在理论空气量下，烟气中水蒸气容积含量高达20％，理论分析表明，每立方米天然 气燃烧后的烟气中水蒸汽质量达 1．55 左右[1]，携带约3600kJ的热量，如果不能将湿烟 气中水蒸气的汽化潜热加以利用，天然气的热值 (高位发热量)的10％将随湿烟气排放， 导致宝贵的清洁能源严重浪费。区别于固体和液体燃料，天然气燃烧产生的烟气基本不含 硫化物，使得湿烟气中水蒸气实现凝结成为可能，同时凝结液可以吸收部分氮氧化物，在 提高清洁能源利用率的同时降低污染物排放。因而湿烟气对流凝结换热的研究成为近年来 国际关注的热点问题。 1．高温空气燃烧技术 高温空气燃烧技术 (High Temperature Air Combustion，简称HTAC)是上世纪八十年 代末国际上提出的全新概念的燃烧技术，它具有高效烟气余热回收、高温预热空气和低 NO 排放的多重优越性。高温空气燃烧技术的主要特征是：(1)采用蓄热式烟气余热回收 装置，最大程度回收高温烟气的物理显热；(2)将燃烧空气预热到100O℃以上，得到与传 统低温空气燃烧不同的火焰类型和更均匀的温度分布；(3)采用贫氧燃烧，降低N 的产 生，减少污染物排放[3]。 蓄热式燃烧明显提高燃烧用空气的温度。上世纪8O年代初期，英国燃气公司开发出 了蓄热式燃烧器，采用这种高效蓄热式余热回收装置，通过切换使高温烟气和冷空气交替 流经蓄热体并进行换热，可以大大降低了烟气温度，最大限度地回收了高品质余热，提高 锅炉的热效率。此外，蓄热式燃烧降低燃烧用空气的含氧量。HTAC技术减少燃烧区域空 气的含氧量，节约了能源，减少了温室气体的排放。研究发现，维持火焰稳定燃烧时，燃 烧用空气的预热温度与燃烧区域的含氧量成反比变化。高温助燃空气条件下，可燃混合物 充满炉膛，炉内温度和气相成份十分均匀，从而使NO 的生成受到抑制。高温空气燃烧， Ir劫 如 没有连续火焰中产生的静态火焰，温度梯度和密度变小，辐射强度提高。 图l为HTAC的工作原理。图中所示的燃烧器成对安装，可在同一侧，亦可相对放 置。锅炉水管均匀密布在燃烧室四周。当燃烧器A工作时，燃烧后的高温烟气经由燃烧器 B排出，加热右侧蓄热体换热后，温度降至120℃～150℃排人大气中。经过时间间隔 (切 换周期)为15~30 S，由四通阀进行切换，常温空气经四通阀进入右侧蓄热体，充分吸收 废气所排放得显热后被加热，迅速升温到800℃以上，然后通过燃烧器B，燃料与高温空 气高速喷人燃烧室，二者混合后迅速燃烧。燃烧释放的大部分热量以辐射换热的形式传给 水管内的水，得到高温高压蒸汽。同时，燃烧器A和蓄热体A转换为排烟和蓄热装置。 通过这种交替运行方式，实现所谓 “极限余热回收”和助燃空气的高温预热。图中的Fl、 F2分别为一次燃料供应和二次燃料供应，进行分级燃烧。 高温尾气11OO℃ 燃 热器 5O℃ 图1 高温空气燃烧原理图 2．高温空气燃烧的主要关键部件 高效蓄热体、四通阀是保证实现