高温低氧的火焰特性

以丙烷为燃料，助燃剂用空气或空气与氮气的混合物进行实验。实验中往空气中掺混氮气的目的是要得到氧体积浓度不同的助燃剂，助燃剂的氧体积浓度变化范围为2％～21％，最高预热温度为1000"C，来对不同预热空气温度及不同氧体积浓度条件下的火焰进行了实验研究。

实验表明，火焰体积、火焰形状和火焰的亮度等特性随助燃剂预热温度和氧体积浓度的变化而明显改变。主要的规律有如下几点，如图1-9所示。

1． 随助燃剂预热温度的升高和氧体积浓度的降低，火焰体积逐渐增大

图1-9表明，火焰体积随助燃剂预热温度和氧体积浓度的改变而改变。如氧体积浓度为21％时，各预热温度下的火焰均短小紧凑：而当预热温度高于800℃后，随着氧体积浓度的降低，火焰逐渐变大：当预热温度为1000℃，氧体积浓度降为15％时的火焰体积已成倍扩大．实验中观察到，当预热温度为1000℃，氧体积浓度进一步降低至2％时，火焰甚至进入了排烟道。由此可见，高温低氧气氛能明显增大火焰体积。

图1-9示出的所有火焰在形状方面既有共性，又有差别。共性是各火焰均由燃料喷嘴出口处开始由小变大。差别是低氧条件下的火焰主体与高氧条件下的火焰主体在形状上明显不同。实验中观察到高温低氧时的火焰主体呈浓雾状，其边缘无稳定的形态。图1-9中示出的火焰形态都只是摄影时爆光那一瞬间的景象。而氧体积浓度为21％的各火焰均有如图1-9所示的那种基本稳定的形状。这表明前者是动态火焰，而后者是静态火焰。造成这种现象的原因是，氧体积浓度为21％时，燃料分子在喷嘴附近的较小空间内便与足够多的氧分子相遇，来不及扩散到炉膛较大空间就被全部氧化，而在高温低氧气氛时，由于氧分子被大量惰性气体分子所分散，喷嘴附近的氧分子数量已明显少于氧体积浓度为21％时的氧分子数量，只有小量的燃料分子在喷嘴附近与氧分子相遇发生燃烧，而大量的燃料分子必须到炉膛大空间中才能与氧分予相遇发生燃烧。也正是这一原因，使得高温低氧条件下的火焰体积明显增大。

2．随助燃剂预热温度升高和氧体积浓度的降低，火焰亮度逐渐变弱并趋于无色

图1-9表明。助燃剂预热温度及氧体积浓度也是影响火焰亮度与颜色的主要因素，在高温低氧条件下，火焰亮度明显减弱，火焰颜色明显改变。如氧体积浓度保持为21％不变时的各火焰，它们的亮度均很强，而且预热温度越高，火焰越刺眼，即火焰的发光强度越大。而高温低氧条件下的火焰亮度明显低于同温度普通空气燃烧的火焰亮度，看上去比较柔和。实验中观察到的火焰颜色随助燃剂预热温度及氧体积浓度的变化情况是：随着预热温度的升高和氧体积浓度的降低，火焰颜色由黄色变为蓝色、蓝绿色、绿色。甚至无色。如氧体积浓度为21％的各火焰的颜色以黄色为主，夹杂些蓝色；当氧体积浓度为15％，预热温度为800℃时，火焰颜色则以蓝绿色为主：进一步降低氧体积浓度至596，提高助燃剂温度到1000 4C，这时，火焰颜色基本上呈绿色；氧体积浓度降至296时，则火焰颜色十分浅，在炉壁的映衬下，看上去似乎没有火焰。图卜9还表明，只有在提高助燃剂预热温度的同时降低氧含量，才能使火焰亮度减弱，才能使火焰的色差减小。

3．随助燃剂预热温度的升高和氧体积浓度的降低，燃烧噪音逐渐刚医

随着助燃剂预热温度的升高和氧体积浓度的降低[27]，燃烧噪音逐渐降低。尽管预热后的助燃剂与一次燃料混合燃烧后高速喷入炉内，速度高达n～n X lOm／s(n为1～10的正整数)，具有高速烧嘴的特点，但其燃烧噪音却比高速烧嘴所产生的噪音低·这是由于炉内气氛为高温低氧，燃料与氧气发生燃烧的区域扩大。燃料首先进行裂解、重组等过程，形成与传统燃烧完全不同的热力学条件。燃料在低氧条件下，化学反应馘反而得以延缓，因而，燃烧产生的噪音较低。

由图1-9可定性地看出，在以氧体积浓度为横轴，预热温度为纵轴的坐标图上，应存在一条曲线，以它为界，左上区域为稳定燃烧区，右下区域为不燃烧区：稳定燃烧区又可分成普通燃烧区、高温燃烧区和高温低氧燃烧区3个区域(如图1-lO所示)。

一般而言，普通燃烧区的条件大致为：助燃剂预热温度在800"(2pA下，氧体积浓度为21％～15％：高温燃烧区的条件大致为：助燃剂预热温度在800"C以上，氧体积浓度为21％～15％；高温低氧燃烧区的条件大致为：助燃剂预热温度在800"C以上，氧体积浓度为15％以下。

3．高温低氧燃烧技术优势

高温空气燃烧的技术优势主要体现在以下几方面：[勰-30]

(1)采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够在最大程度上回收高温烟气的显热，节能效果很大，可节能30％以上，同时也降低了C0，的排放量，减少了对温室效应的影响。

(2)可将燃烧空气预热至800～1000"C以上的温度水平，可以大大提高理论燃烧温度，从而使炉温得到提高。一般而言，预热空气温度每提高100"C可使理论燃烧温度提高50"C左右，节能3％～5％，此外该技术形成的是与传统火焰迥然不同的新火焰类型，真正实现了高温低氧燃烧，与传统的燃烧机理完全不同。由于火焰的燃烧区域扩大从而消除了局部高温，从两形成均匀的炉内温度场分布，不但提高了产品的加热质量，同时延长了炉子耐火材料的使用寿命。

(3)由于消除了炉内局部高温，炉膛内温度均匀，可使炉子的温度提高至耐火材料的使用极限以强化炉内传热，同样产量的炉膛尺寸可以缩小20％以上。炉子尺寸减小后一方面可以降低造价，另一方面又可以使炉子散热减少，使节能工作又上了一个新台阶。改变燃烧系统为蓄热式燃烧系统后，氧化烧损大大减少，可提高金属的成材率。

(4)用分散式余热回收方式代替集中式余热回收方式，当炉子的不同区域有不同温度控制要求时，控制调节手段更加方便有效。

(5)传统的燃烧机理中，由于存在局部高温区，即使采用了低NOx技术也无法实现超低NOx排放。而高温低氧燃烧形成的均匀温度场，有效消除了局部高温，在预热助燃空气温度很高的情况下，真正实现了超低NOx排放。

(6)可以燃烧低热值燃料，许多工业炉的工作温度都比较高，燃烧低热值燃料将达不到所需要的炉温。要在轧钢加热炉和钢包烘烤上使用高炉煤气，理论上应将空气和高炉煤气预热到500"C以上。使用金属换热器实现空煤气预热到500℃以上，一方面成本很高，另一方面，在使用了一段时间后，金属换热器由于腐蚀和积灰总是再也达不到设计温度。采用高温空气燃烧技术后，可以方便地将空气和高炉煤气预热至超过1000℃，其燃烧温度可以满足目前所有工业炉的炉温要求。在许多地方，高炉煤气由于无法使用不得不放散掉，因此采用HTAC技术的经济效益是极其可观的。

(7)要求的煤气压力较低，采用高温空气燃烧技术的加热炉要求煤气接点压力仅为4kPa(实际运行过程中压力仅为2kPa，甚至更低时也能保证稳定生产)，而常规加热炉由于要克服换热器阻力损失，要求换热器入口压力不得低于一定值。显然，前者降低了此方面的投资。

(8)对于低负荷生产时单耗增加不明显，采用高温空气燃烧技术的加热炉由于废气排放温度仅为15012左右，废气热损失小，故炉子单耗随热负荷的变化小，而常规加热炉的单耗随热负荷变化而明显交化。这个特点使得采用高温空气燃烧技术的加热炉特别适合产量波动较大的生产单位。

(9)操作方便，劳动条件大大改善。采用高温空气燃烧技术的加热炉只要在仪表室内操作即可，大大改善了工人的劳动条件，避免了高炉煤气中毒的危险。

(10)投资回报率高，采用高温空气燃烧技术，可以减小炉子尺寸，降低筑炉造价；可以省略金属换热器和传统的高烟囱，降低投资；炉臆温度均匀，消除局部高温，可以延长炉子的寿命；空气过剩系数可以达到理想的配比，减少了氧化烧损，提高工件的加热质量；极大地降低燃料消耗。

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