工业炉无焰燃烧技术知识

环保窑炉

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。

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）。

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。

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。

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。