新型自蓄热生物质燃烧机设计与实验研究

摘要：基于高温空气燃烧技术，设计一种新型自蓄热燃烧器，以实现连续的高温空气燃烧。新型自蓄热生物质燃烧机由燃烧器、蓄热体、四通换向阀3部分构成。为验证新型自蓄热燃烧器热工及阻力特性，建立了基于直管式辐射管测试系统，结果表明：该自蓄热生物质燃烧机能实现稳定的高温空气燃烧，工作过程中排烟温度在150℃以下，温度效率可达88%以上；直管式辐射管外壁纵向最大温差不高于58℃；N() x#-非放浓度不高于3 85 mg/m3;且该自蓄热生物质燃烧机结构相对简单，安装灵活，因此对不同炉型有较强的适应性。

引  言

    高温空气燃烧(H 19h Te11Perature AirC∞bus-ti∞简称HiTAC)技术是具有芾能减排双重效果的先进燃烧技术。通过高效蓄热体“极限”回收烟气余热预热助燃空气，提高燃料的理论燃烧温度，节约燃料消耗，减少燃烧产物排放【111。这项燃烧技术还被称为FI_OX MIID和IN燃烧技术和蓄热燃烧技术[3】。目前，国内的HlTAC系统多采用双焰式高温空气燃烧方式，双焰式H正Aq支术要求成对安装生物质燃烧机，每只生物质燃烧机配备蓄热体，当其中一只生物质燃烧机处于燃烧状态时，其蓄热体被助燃空气冷却，相对应的生物质燃烧机排烟，与之相连的蓄热体被高温烟气加热，它们按周期进行转换功能，交替加热和冷却蓄热体从而实现“极限”回收余热【41。频繁的火焰切换造成炉温、炉膛压力的波动，换向瞬间燃烧不连续，频繁的燃料通断造成燃料喷管易出现结焦、堵塞和断火等问题【51。如一端生物质燃烧机出现故障整个系统就不能正常燃烧，影响生产的正常进行。

    为有效解决双焰式H iTAC系统上述不足，国内外研究者提出了连续式蓄热燃烧的概念。6呻1，就是在保持烟气余热能极限回收的同日寸，燃气连续供给，在国内这种燃烧技术已经在熔铝行业取得成功，2002年国内某铝材公司的熔铝炉上安装连续式Hi~C系统后，取得了理想的节能效果【71，但连续式蓄热燃烧技术在其它彤式热处理炉或辐射管上应用的相关报道很少见诸公开文献。

    首先介绍了新型自蓄热生物质燃烧机的工作原理与结构组成，然后介绍了该自蓄热生物质燃烧机测试系统对其在直管式辐射管上进行了冷态蓄热体阻力特性的测试和热态生物质燃烧机热工性能测试最后对测试结果进行了分析和比较。

1新型自蓄热生物质燃烧机的设计

Ll新型自蓄热生物质燃烧机的工作原理

    新型自蓄热生物质燃烧机根据高温空气燃烧技术的基本原理设计而成，可以实现在H iTAC-F连续燃烧，具有高效回收烟气余热，大幅降低污染物排放，降低NO舶排放浓度的特点[1叫，因燃烧过程中燃气不换向，空气与烟气间切换周期可以缩短到10 s左右。自蓄热生物质燃烧机的工作原理如图1所示，在炉膛的升温段，阀1关闭，阀2打开，自蓄热生物质燃烧机中间的小生物质燃烧机先工作，采用非预混燃烧方式，此时换向阀开始工作，蓄热体A和B交替作为排烟通道并蓄热，保证烟气排放温度在150℃以下。当排烟温度达到150℃左右时，部分开启空气阀l调小空气阀2的开度，空气与烟气交替通过蓄热体，实现加热助燃空气，回收烟气余热，如图1所示炉内的高温烟气进入蓄热室B蓄热体B皮加热，同时高温烟气被冷却到150℃以下通过四通换向阀后经引风机排出，烟气的显热被蓄热体B【！及牧并贮存；常温空气经过高温蓄热体A后被预热为高温助燃空气，同时蓄热体A冷却，高温助燃空气喷入炉内与燃气混合后进行

    半个周期后换向阀换向，炉内的高温烟气进入蓄热室A蓄热体A皮加热，同时高温烟气被冷却到150℃以下通过换向阀后经引风机排出，烟气的余热被蓄热体A吸收并贮存；常温空气经过高温蓄热体助舌被预热为高温助燃空气，同时蓄热体B吏冷却，高温助燃空气喷入炉内与燃气混合后进行燃烧。炉膛温度达到850℃，阀1全开，阀2部分开启，此时为二级燃烧方式。由以上的分析可以看出，在燃烧过程中，燃气不再频繁的通断，燃气喷管内不会出现堵塞、结焦、断火和不燃等现象。

L 2新型自蓄热生物质燃烧机的结构

    新型自蓄热生物质燃烧机由生物质燃烧机、蓄热体与换向阀3部分组成。从图2可以看出，生物质燃烧机的中间部分是升温生物质燃烧机，它由空气管道、燃气管道、空气分布板和点火电极组成。升温生物质燃烧机四周均匀布置了4个管道，分别与蓄热体相连，在工作过程中，两根管道并联作为预热空气喷口，另外两根管道并联作为烟气排放管，并定期互换功能，火焰的检测是通过UV火焰检测器进行，燃料连续供应，取消了燃气自动切换装置。

2实验系统

    为了对自蓄热生物质燃烧机的蓄热体阻力特性与热工性能进行测试分析，搭建了如图3所示测试系鲩。本系统是由生物质燃烧机、蓄热器、换向阀、辐射管、试验炉、鼓风机和引风机等组成。

    燃料为瓶装液化石油气配瓶装氮气，蓄热器内蓄热体为莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体。用到的测量仪器有浮子流量计、UV检测火焰装置、，IESrIOM300型烟气分析仪、压力变送器、铠装K型热电偶、铠

装剐热电偶和台式电脑等。在升温阶段，闸板阀2关闭，闸板阀1开启，换向阀正常运行，随着蓄热内温度升高，逐渐关小闸板阀l逐渐开启闸板阀2当辐射管内温度达到850℃时，闸板阀2开启，进入高温低氧燃烧阶段。

3试验结果与分析

3 1新型自蓄热生物质燃烧机蓄热体的阻力特性

    蓄热体的阻力损失是指气体流过蓄热体时形成的压力差，这个数值的大小直接影响到整个系统的运行效果，影响燃烧的稳定性，系统设计中必须综合考虑【11]。本次实验中单台蓄热器内安装长度为1 000 mrrtl<J莫来石质蜂窝陶瓷蓄热体，整套蓄热器全流程为2 000 mrn为得到不同长度蓄热体在不同流量时的阻力特性及最大流量、最长蓄热体时的阻力值，分别对蓄热体长度为500、1  000; 1 500和2 000 rruyZ木同空气流量下进行了阻力损失测试，空气流量计的测量精度为±1耐／}1压力变送器的测量精度为±Q5 Pa气体的流量变化范围是从20～ioo n//b从测量结果图4中可以看出，当气体流量一定时，阻力损失随蓄热体的高度增大而增加；当蓄热体的高度一定时，阻力损失随气体的流量增大而增加，当流量100 m／h蓄热体长度2 000 mm，阻力损失750 Pa左右，同等条件下的陶瓷小球作为蓄热体的阻力损失约1 400 PA'2l。

3 2辐射管外壁的温度分布

    由辐射管外壁的温度梯度引起的应力大小是影响辐射管寿命的重要因素，在实际应用过程中发现，辐射管一般都从生物质燃烧机附近“烧穿，，，这是因为，在辐射管内生物质燃烧机附近的辐射管壁内温度梯度大，由此产生的热应力大，在这些点温度最高，氧化最严重，所以往往从这些地方损坏，这种现象在直管式辐射管上尤为严重。在直管式辐射管上采用自蓄热燃烧器后，整个过程中沿辐射管的纵向表面最大温差不超过58℃特别是当辐射管内温度超过850℃以后，图3中闸板阀2打开，实现高温贫氧燃烧，火焰体积变大，管内的温度更加均匀，管壁的最大温差有减小的趋势。从图5实测数据也可以看出，随着实验炉内温度的提高，辐射管表面的最大温差有变小的趋势，同其它类型的辐射管燃烧时辐射管壁的温度差相比【1卜141，配备新型自蓄热生物质燃烧机的直管式辐射管不但安装方便，表面最大温度差也大大降低，如表1所示。

3 3换向时间对排烟温度及温度效率的影响

    在自蓄热生物质燃烧机正常工作过程的任一换向周期中，如图6所示，前半个周期内，蜂窝体把热量传递给空气，靠测点的温度成线性下降，而后半个周期，烟气把热量传递给蜂窝体，被测点的温度变化呈抛物线上升。所采用热电偶的精度等级为2级，测量误差每吨为Q 25%，既对于1 000℃左右的火焰测量误差在3℃以内。换向时间的长短对排烟温度和温度效率有较大的影响，换向时间为60 sW，排烟温度波动为85℃换向时间为20咐，排烟温度波动为23℃。

对换向阀的要求提高，会影响到换向阀的寿命，要根据具体情况，确定蓄热材料的数量，保证自蓄热生物质燃烧机中蓄热体的热饱和时间为10～20叻佳，换向时间与其饱和时间相对应。

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