1、前言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，能源和環(huán)境問(wèn)題成為倍受?chē)?guó)人矚目的兩大問(wèn)題。目前全國(guó)的能源有90%以上來(lái)自燃燒化石燃料（煤、石油和天然氣）所釋放的能量�；�石燃料在全國(guó)的儲(chǔ)量是有限的，我們需要開(kāi)發(fā)新能源，而當(dāng)前更重要的是現(xiàn)有能源的合理利用。相應(yīng)地，全國(guó)70%以上的污染物也來(lái)自化石燃料的燃燒產(chǎn)物，如二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NO_X）、未燃碳?xì)浠�合物�?/span>UHC）和煙塵。二氧化碳、一氧化氮（CO）和甲烷（CH₄）是溫室氣體，引起全球氣候惡化；一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、部分未燃碳?xì)浠�合物和煙塵可直接對(duì)人體和動(dòng)植物產(chǎn)生危害；大氣中的二氧化硫和氮氧化物會(huì)產(chǎn)生酸雨，對(duì)建筑物和各種材料也會(huì)產(chǎn)生直接腐蝕。因此，在我國(guó)實(shí)施經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵時(shí)期，研究和應(yīng)用節(jié)約能源、提高能源利用效率、減少污染物排放的燃燒技術(shù)成為我國(guó)工業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急。

高溫空氣燃燒技術(shù)（High Temperature Air Combustion）是二十世紀(jì)八十年代后期發(fā)展起來(lái)的一種燃燒技術(shù)，它的特征是煙氣熱量被****限度地回收，助燃空氣被預(yù)熱到1000℃以上，燃料在低氧濃度下燃燒。高溫空氣燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效利用和有效控制燃燒主要污染物氮氧化物，是非常適合在我國(guó)工業(yè)界應(yīng)用推廣的技術(shù)，為緩解我國(guó)的能源緊缺、改善自然環(huán)境提供了切實(shí)可行的方法。

2 、高溫空氣燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程

早的爐子，煙氣中的熱量無(wú)法回收利用，高溫?zé)煔鈳ё呷剂现?/span>70～80%的能量，而爐子的熱效率只有20～30%。到了二十世紀(jì)中期，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始采用在煙道上安裝空氣預(yù)熱器的方法來(lái)回收煙氣中的熱量；經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，排煙溫度大幅度下降，爐子的熱效率提高到50%左右。盡管如此，煙氣仍然帶走燃料中40～50%的能量；而且空氣預(yù)熱器使用壽命有限，維修困難。

使用蓄熱室回收煙氣的熱量不能算一項(xiàng)新技術(shù)；在十九世紀(jì)末期英國(guó)已經(jīng)有人采用，我國(guó)平爐煉剛用過(guò)的格子磚也是一例。當(dāng)時(shí)的蓄熱室體積龐大，而且加熱空氣的效果并不十分理想，因此沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代以后，由于材料科學(xué)的飛速發(fā)展，在歐洲開(kāi)發(fā)出一種陶瓷球蓄熱材料。這種陶瓷球熱導(dǎo)率高，比熱容大，耐高溫；以陶瓷球作為蓄熱體吸收煙氣熱量，空氣可以很穩(wěn)定地預(yù)熱到1000℃以上。由于蓄熱燃燒技術(shù)節(jié)能效益顯著，因此在英國(guó)、美國(guó)得到應(yīng)用。然而當(dāng)時(shí)的蓄熱燃燒技術(shù)并不是真正意義上的高溫空氣燃燒技術(shù)。燃燒產(chǎn)物中NO_X的濃度是和燃燒溫度成指數(shù)關(guān)系變化的；一味提高空氣預(yù)熱溫度而不采取有效措施抑制NO_X的生成，會(huì)引起NO_X排放的急劇增加。蓄熱燃燒技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保兩方面的矛盾限制了蓄熱燃燒技術(shù)的推廣。

高溫空氣燃燒技術(shù)是田中良一等人在二十世紀(jì)八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府資助下，由日本一些企業(yè)和研究所共同開(kāi)發(fā)完成。田中良一領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以陶瓷蜂窩體作蓄熱體，預(yù)熱空氣的溫度僅比爐溫低50～100℃；同時(shí)，在燃燒區(qū)將助燃空氣的氧含量由21%降到2～4%，解決了高溫空氣燃燒下高NO_X排放問(wèn)題。使用高溫空氣燃燒技術(shù)，排煙溫度低于150℃，低溫?zé)煔鈳ё叩哪芰恐徽既剂匣瘜W(xué)能的10%左右，爐子的熱效率接近90%。

3 、高溫空氣燃燒技術(shù)的節(jié)能環(huán)保特征

常溫空氣流經(jīng)換向閥進(jìn)入蓄熱室A，在經(jīng)過(guò)蓄熱體（陶瓷小球或蜂窩體）時(shí)被加熱，在短時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度；高溫空氣進(jìn)入爐膛后，卷吸周?chē)鸂t內(nèi)的煙氣形成含氧量低于21%的低氧高溫氣流，同時(shí)向這股氣流中注入燃料油或氣，使燃料在低氧狀態(tài)下燃燒；爐膛內(nèi)燃燒后的煙氣流經(jīng)蓄熱室B和換向閥排入大氣，高溫?zé)煔庠诮?jīng)過(guò)蓄熱體時(shí)將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱體內(nèi)，溫度降低至150℃以下。工作溫度不高的換向閥以一定的周期（一般為30～180秒）進(jìn)行切換，使兩個(gè)蓄熱體處于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài)。

為了有效地抑制NO_X的生成，在燃燒組織和燒嘴設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該采取一些針對(duì)性的措施，如燃料直接噴射、分級(jí)燃燒、濃淡燃燒和強(qiáng)制煙氣再循環(huán)等方法。蓄熱式燒嘴一般配備有長(zhǎng)明燈；將長(zhǎng)明燈安裝在主燒嘴上游，使長(zhǎng)明燈的煙氣完全進(jìn)入主燒嘴燃燒區(qū)，相當(dāng)于分級(jí)燃燒。對(duì)于空氣單預(yù)熱的燒嘴，適當(dāng)提高煤氣射流的速度，增強(qiáng)煤氣對(duì)煙氣的卷吸作用，可使煙氣在爐內(nèi)再循環(huán)�？諝�、煤氣雙預(yù)熱的燒嘴，可組織部分區(qū)域貧燃料燃燒、部分區(qū)域富燃料燃燒，即所謂濃淡燃燒。在噴嘴設(shè)計(jì)中，使空氣和煤氣射流有一定夾角，空氣煤氣逐步混合，一方面可調(diào)節(jié)火焰長(zhǎng)度，另一方面可提高溫度場(chǎng)均勻性、避免局部高溫。對(duì)于部分蓄熱式燃燒裝置，如蓄熱式輻射管，可以增加煙氣循環(huán)管路，強(qiáng)制部分煙氣在燃燒器內(nèi)再循環(huán)。北京神霧熱能技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)的蓄熱式燒嘴已經(jīng)采用了以上方法；實(shí)踐證明以上方法在抑制NO_X生成方面有一定效果。

高溫空氣燃燒技術(shù)因降低排煙溫度，燃料能量利用率接近90%，與煙氣不回收的爐子相比可節(jié)能60%，減少溫室氣體CO₂排放60%，與常規(guī)的煙氣回收的爐子相比也可節(jié)能30～40%，減少溫室氣體CO₂排放30～40%。高溫空氣燃燒技術(shù)采用低氧燃燒和其它一些抑制NO_X生成的措施，NO_X排放濃度降至100ppm以下（目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為400mg/m³，換算成NO₂為195ppm）。采用高溫空氣燃燒技術(shù)的爐子還有其他一些優(yōu)點(diǎn)：在高溫加熱爐中可以使用低熱值燃料（如高爐煤氣）；爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，被加熱產(chǎn)品質(zhì)量提高；相同生產(chǎn)率的爐子尺寸減少。

4 、我國(guó)應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)的效益

二十世紀(jì)九十年代至今，高溫空氣燃燒技術(shù)已經(jīng)在日本冶金行業(yè)得到廣泛推廣應(yīng)用。以日本NKK鋼管公司福山熱軋廠230t/h熱軋步進(jìn)式加熱爐為例，1996年采用高溫空氣燃燒技術(shù)后，噸鋼能耗減少25%（見(jiàn)表1）。

表1 福山熱軋廠230t/h熱軋步進(jìn)式加熱爐技術(shù)參數(shù)

目前我國(guó)每年生產(chǎn)鋼鐵的產(chǎn)量超過(guò)一億噸；全國(guó)冶金行業(yè)的加熱爐超過(guò)一千座，軋鋼加熱爐的平均單位產(chǎn)量能耗為1.76GJ/噸鋼。如果其中80%的加熱爐能使用高溫空氣燃燒技術(shù)進(jìn)行改造，達(dá)到平均節(jié)能25%的水平，按我國(guó)鋼鐵行業(yè)每年加熱鋼材一億噸計(jì)算，僅此一項(xiàng)全國(guó)每年節(jié)約的能量為120萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。對(duì)于其它燃燒效率更低的加熱爐，如果使用高溫空氣燃燒技術(shù)進(jìn)行改造，節(jié)能潛力更加可觀。一些常規(guī)條件下難于燃燒的低熱值煤氣，以前只能排空放散，既污染大氣又浪費(fèi)能源。高溫空氣燃燒技術(shù)可以使這部分低熱值燃料得到充分利用，變廢為寶。

使用高溫空氣燃燒技術(shù)除了經(jīng)濟(jì)效益非常明顯以外，環(huán)保效益更加顯著。由于提高熱效率，燃料減少25%，相應(yīng)的各種燃燒產(chǎn)物如CO₂也減少25%；燃燒過(guò)程在高溫低氧條件下進(jìn)行，不但含CO₂和NO_X煙氣的排放體積減少，而且排放濃度也有所降低，總排放量大幅度減少。煙氣中的顯熱回收后，排煙溫度大幅度降低（低于150℃），減少熱污染。低熱值燃料的利用，還減少排空放散對(duì)大氣的污染。

5、結(jié)論

高溫空氣燃燒技術(shù)是一項(xiàng)高效低污染的燃燒技術(shù)，如果在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，將具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。從近年的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用情況來(lái)看，也遇到了一些問(wèn)題；隨著技術(shù)的推廣，各種問(wèn)題不斷得到解決，高溫空氣燃燒技術(shù)不斷得到完善。由于其巨大的節(jié)能潛力和環(huán)保效益，高溫空氣燃燒技術(shù)適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，一定會(huì)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。