在冶金、機(jī)械、建材等部門所用的許多工業(yè)燃燒爐中，排出的廢氣溫度高達(dá)600～1100℃。為充分有效地把這部分熱量加以利用，許多研究人員在這方面做了大量研究工作。其中利用熱回收裝置回收煙氣帶走的余熱，加熱助燃用空氣和燃?xì)猓倩厮偷綘t子燃燒室，是一項有效且收益較大的措施。
早期的回收余熱用于空氣預(yù)熱的熱回收裝置主要是間壁式換熱器和蓄熱式換熱器。間壁式換熱器氣體流向不變，工作狀況穩(wěn)定，但其預(yù)熱溫度不超過700℃，且壽命較短，熱回收率低，排放的煙氣仍有較高溫度。蓄熱式換熱器預(yù)熱溫度可達(dá)1200℃，而排煙溫度較低，可接近300℃，且壽命較長，熱回收率可達(dá)70％。但早期這種蓄熱式換熱器的蓄熱體采用格子磚材料，綜合傳熱系數(shù)較低，蓄熱體體積龐大、換向時間長、預(yù)熱溫度波動較大。同時，煙氣的排出溫度仍有300～600℃，換熱設(shè)備要求既耐熱、又氣密，使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不靈活。綜合考慮換熱器的經(jīng)濟(jì)性、材料性能、熱效率等因素，目前性能較好的間壁式換熱器的受熱溫度可達(dá)1000℃左右，得到的預(yù)熱空氣溫度達(dá)700℃。若再提高預(yù)熱溫度，會出現(xiàn)高NOx問題及因換熱器傳熱面積擴(kuò)大引起的設(shè)備費(fèi)用增加和換熱器本身的壽命問題。而蓄熱式換熱器因節(jié)能的特性以及材料工業(yè)的發(fā)展而又展現(xiàn)出新的活力。
1982年英國Hotwork公司和British Gas公司合作，研制出了緊湊型的陶瓷球蓄熱系統(tǒng)RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系統(tǒng)采用陶瓷球作為蓄熱體，比表面積可達(dá)240m2/m3，因此蓄熱能力大大增強(qiáng)、蓄熱體體積顯著縮小、換向時間降至1～3min，溫度效率明顯提高(一般大于80％)，而預(yù)熱溫度波動一般小于15℃。在隨后幾年里，對該蓄熱系統(tǒng)又進(jìn)行了大量的實驗研究并作了試用。在不銹鋼退火爐、步進(jìn)梁式爐上的應(yīng)用均達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
日本在1985年前后詳細(xì)考察了RCB的應(yīng)用技術(shù)和實際使用情況后，開始進(jìn)一步研制。20世紀(jì) 90年代初，日本鋼管株式會社(NKK)和日本工業(yè)爐株式會社(NFK)聯(lián)合開發(fā)了一種新型蓄熱器，稱為陶瓷蓄熱系統(tǒng)HRS(High-cycle Regenerative Combustion System)。在蓄熱體選取上，采用壓力損失小、比表面積更大的陶瓷蜂窩體，以減少蓄熱體的體積和重量。為了實現(xiàn)低NOx排放，蓄熱體和燒嘴組成一體聯(lián)合工作，采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環(huán)法來控制進(jìn)氣，效果很好。NKK進(jìn)行了多次試驗，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)加熱后進(jìn)入燃燒器的空氣溫度已接近廢氣排放溫度。數(shù)據(jù)顯示，空氣預(yù)熱溫度達(dá)1300℃、爐內(nèi)O2含量為11%時NOx排放量是40kg/m3 [1]。HRS的開發(fā)，不僅實現(xiàn)了煙氣余熱回收及NOx排放量的大幅度降低，而且這種新型燃燒器還引發(fā)產(chǎn)生了一種新的燃燒技術(shù)——高溫空氣燃燒技術(shù)HTAC(High Temperature Air Combustion)。
HTAC技術(shù)在燃燒條件、反應(yīng)機(jī)理、火焰特征等方面均表現(xiàn)得與傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)不同。它是預(yù)熱空氣溫度達(dá)到800～1000℃以上，燃料在含氧較低(可低至2%)的高溫環(huán)境中燃燒。因為是在高溫條件下，可燃范圍擴(kuò)大，在含氧大于2%時，就可保證穩(wěn)定燃燒。燃燒過程類似于一種擴(kuò)散控制式反應(yīng)，不再存在局部高溫區(qū)，NOx在這種環(huán)境下生成受到抑制。同時,在這種低氧環(huán)境下，燃燒火焰具有與傳統(tǒng)燃燒截然不同的特征：火焰體積明顯增大，甚至可擴(kuò)大到整個燃燒室空間；火焰形狀不規(guī)則，無火焰界面；常見的白熾火焰消失，火焰呈現(xiàn)薄霧狀；輻射強(qiáng)度增加，火焰的高度輻射減少。整個燃燒空間形如一個溫度相對均勻的高溫強(qiáng)輻射黑體，再加上反應(yīng)速度快，爐膛傳熱效率顯著提高，而NOx排放量大大減少[2]。
