高效节能内燃烧式热管创新设计

      1 前言
   
    日常家居中，经常看到的日光灯被称为"节能灯"。看其工作原理就不以为奇了。日光灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氢和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，通电后灯丝加热水银产生蒸汽，而管内水银蒸汽导电，两个灯丝之间完成气体导电，导电时发出紫外线，紫外线使荧光粉高效发出柔和的白光。由于灯管工作电流低，从而达到节能的效果。
   
    热工上完全可以采取同样的方法，使燃烧也在一个高效热管里。再把热量辐射到陶瓷制品上，达到高效烧制陶瓷。为了达到高效节能，在技术上可类比日光灯的工作原理:
   
    其一，利用高效的热管作为热能转换装置;
    其二，用高压气泵提供高气压作为燃烧功率的动力，作为类似灯管需要的电压一样;
    其三，利用同步换向阀频频转换气体的方向，作为类似于提供灯管工作的电压频率;
    其四，管内的燃料及烟气作为热能热量的发生物质，类比于灯管工作使管内汞蒸气产生紫外线使得荧光粉发光。
   
    2 工作原理
   
    高效热管工作是利用燃料在狭长的密封的热管中燃烧，通过受热的高温管壁以辐射为主的形式把热量传递到被加热物体上。
   
    高效燃烧管主要由燃烧管、燃料导向管、烟气余热蜂窝陶瓷回收装置及同步换向阀组成(见图)1。
   

    常温助燃空气先经左蓄热蜂窝陶瓷体进人燃烧管，燃料由左燃料导向管通过每个通孔进人燃烧管与助燃空气混合，混合气体通过点火器点火，管中混合气体燃烧温度逐渐升高，热量通过燃烧管壁，对流传热及辐射出去，达到加热作用，完全燃烧后燃烧管中的高温热烟气经过右蓄热蜂窝陶瓷体并与其进行热量交换，烟气温度逐渐降低(根据设计可把温度降低至几十度)并通过导向管中的风机把烟气排进烟囱排出。经过一段控制系统预设定的时间后改变同步换向阀改变燃料及烟气的导向方向，使得常温助燃空气从右边进人蓄热蜂窝陶瓷体，常温助燃空气与蓄热蜂窝陶瓷体交换热量，可把助燃空气预热至接近燃烧管管壁的温度与燃料燃烧，热烟气经过蓄热蜂窝陶瓷体，与其交换热量，把热量传递给蓄热蜂窝陶瓷体。如此的交替变向循环。从而充分回收余热，而整个燃烧过程均匀避免了传统的局部燃烧(火焰前锋面处)。
   
    3 装置结构特点
   
    3.1 燃烧外管
   
    本结构中采用燃料在燃烧外管内燃烧，燃烧外管直接与火焰及高温烟气接触，这就要求燃烧外管必须耐灼烧、耐氧化;该管是通过其表面对流传热及辐射为主到把热量传递到管外的被加热物体上，所以燃烧外管必须由导热良好、表面换热系数极大、发射率极高的材料制成，使得燃烧热量及时释放出燃烧外管，达到加热的要求;由于燃烧过程贯穿整个燃烧外管的助燃空气的预热、燃料的燃烧和烟气余热回收，势必造成燃烧外管受到极大的热应力，及不同的热膨胀，因此该结构材料必须能承受较大的热应力同时具备较小的膨胀系数(在此可以设置一个膨胀缓冲箱以减小气体瞬时膨胀及管道的局部膨胀)。
   
    3.2 燃料导向内管
   
    燃料导向内管不仅可以替代传统燃烧方法的烧嘴作用外，而且燃料可以把燃料导向燃烧管的整个全程，跟燃烧外管一样经过助燃空气的预热、燃料的燃烧和烟气余热回收这三个过程，同样要求燃料导向内管能承受较大的热应力和较小的热修帐系数;还有燃料导向内管同时是燃料的保护管，它避免燃料在喷出管体燃烧之前被预热到很高的温度，使得燃料过早高温预热分解形成碳黑不能燃烧，不仅造成燃料浪费，而且堵塞管道。
   
    3.3 烟气余热回收装置
   
    在烟气出口与助燃空气进口处设有蓄热蜂窝陶瓷体烟气余热回收装置，该装置是采用当前最新高效蓄热蜂窝陶瓷作为蓄热体，它解决了传统的管道余热回收装置回收效率低、排烟显热高的问题。
   
    据当前资料表明:
   
    传统的燃烧方法如果不进行烟气余热回收，燃料利用率仅 52%-30%左右。用传统普通的间壁式结构，热回收效果不很理想，空气预热温度仅20-30℃，热效率只有 30%-40%;经空气预热器预热回收后，排烟温度一般能降低至500℃-600℃，热效率提高到40%-60%。不管怎样，传统燃烧的余热回收装置的热效率很难突破 57%。据统计资料显示:烟气温度每降低100℃，热效率可提高约 4.5%;应用本设计蓄热蜂窝陶瓷体作为余热回收装置的燃烧系统的热效率可高达80-90%以上。因此，发展余热回收是提高热工设备燃料利用率的最重要途径。
   
    本设计中该装置利用蓄热蜂窝陶瓷体作为余热回收装置。蜂窝陶瓷具有蓄热量大、换热速度快、结构强度好、耐高温高压、抗氧化与腐蚀、阻力损失小、经济耐用等特点。其材料主要成分为氧化铝。由于其多孔性结构，换热体积比表面积非常高，高达400m2/m3。蜂窝通道呈直线，压力损失小，不易发生粉尘堵塞，由于该蓄热体的高速蓄热与释热，使得切换时间可设定为30-60s。采用该装置，可将 1000℃以上的高温烟气降低到150℃以下，常温空气预热到接近高温烟气温度(最高可达与高温烟气相差仅 50-150℃)。该装置的热效率可达到 80%-90%以上。由于该类型蓄热体具有非常高的换热比表面积，蓄热体需要量大幅减少，使得安装有蜂窝陶瓷蓄热体后燃烧热管的体积并不是很大。以炉温为1000℃，长度为3m的燃烧蓄热装置为例进行了理论计算。以焦炉煤气为燃料，过剩空气系数为 1.20。其单元块间距为1.4mm*1.4mm，总截面积 150mm*150mm。通过计算表明，只需 520mm长的这种蓄热体就可将烟气温度降低到 100℃。空气温度从室温预热到 850℃，与采用传统的空气预热器将空气温度预热到 30℃相比，可实现节能 21.55%。
   
    3.4 同步换向阀
   
    本装置中采用燃料助燃空气同步换向(类似于交流电)，同步换向阀采用固定的频率换向控制系统，使燃料在燃烧管的不同方向进人燃烧管燃烧，与蓄热蜂窝陶瓷体进行热量交换、空气预热，同时冷燃料气体冷却燃料导向管体，使其满足在一定的温度波动的范围内稳定工作。
   
    3.5 点火装置
   
    在蓄热体附近可安装电加热器加热点火。
   
    4 装置的工作特点
   
    该装置的燃烧过程与传统的燃烧方法存在着很大区别。
   
    4.1 均匀分步燃烧降低 N的氧化物的排放
   
    该装置是通过燃料导向管的每个小孔把燃料导人燃烧管燃烧，这样使得火焰拉得很长使得温度在整个燃烧过程较均匀，这种燃烧方法将有效避免传统燃烧方法中产生局部高温区(火焰前锋面处)，使得燃烧的温度峰值较高，从而使得传统燃烧形成的NOx排放浓度较高的缺点。
   
    4.2 提高助燃空气的预热温度
   
    由于常温助燃空气经过高温蓄热蜂窝陶瓷体被预热至接近燃烧管的温度，使得燃烧过程中只要燃料一喷出隔热燃料导向管便与高温空气立即混合燃烧，从而减少燃料在燃烧之前长时间高温预热，而使燃料高温分解造成燃料浪费。
   
    4.3 相对提高了理论燃烧温度
   
    根据实际燃烧温度公式:t实=（Q低+Q空+Q燃-Q传-Q未-Q分）/Vn*C产
   
    由于充分回收利用烟气的余热来预热助燃空气，使助燃空气预热达到极高温度(100°C以上)，从而在加热功率不变的情况下使得实际燃烧温度提高。反而，在实际燃烧温度要求不变时，对燃料的低热值要求大降低了。从而选择燃料的范围扩大了或可以充分利用由于燃料热值低而不能利用的燃料，有利于变废为宝的主导思想。
   
    4.4 高效隔焰
   
    该燃烧全程在完全密封的燃烧管道中进行，避免了高温温度不均匀火焰直接接触，使得加热物体受热不均而影响产品质量;还避免了与带有粉尘及SO2烟气的接触，使得加热物体表面被污染。
   
    4.5 减小空气系数
   
    燃料与助燃空气混合更充分，燃烧更加完全，可降低空气过剩系数，预计可降低到接近最佳值(1.02)，可进一步提高实际燃烧温度。
   
    4.6 提高了燃料热值的利用率
   
    由于提高了余热回收，减少燃料分解反应，提高燃烧质量。因此使得总体燃烧效率提高了80%-90%。
   
    4.8 降低了污染
   
    由以上提到采用均匀分步燃烧，可降低 N的氧化物的形成从而降低排放;提高助燃空气的预热温度使燃烧在混合瞬间燃烧，减少由于燃料在预热时分解反应，降低难燃的碳黑的形成，从而减少粉尘的形成;还有采取高效蓄热蜂窝陶瓷体充分回收烟气余热，降低了高温烟气热污染。
   
    由此可见，高效节能内燃烧式热管燃烧系统具有高效率、高质量、高环保、高经济效益等优势。
   
    5 设计总结
   
    5.1 本高效节能内燃烧式热管可以满足陶瓷隧道窑、辊道窑以及梭式窑等陶瓷生产线上各烧成温度的需要。
   
    5.2 本高效节能内燃烧式热管，单位产量能量消耗低于传统燃烧方法，而且温度稳定均匀，对提高产品质量方面有一定优越性;在安装使用上可降低窑体的要求，使其使用寿命延长。
   
    5.3 本高效节能内燃烧式热管与传统的燃烧方法相比，可以减少温室气体 CO2和燃烧污染物NOx的排放，是一项有推广价值的燃烧装置。
   
    5.4 在技术改进后也可以推广到冶金、供暖等其他热工设备上。