高效节能内燃烧式热管的创新设计

摘要 本文基于目前蓄热蜂窝陶瓷的发展与应用，介绍一种内燃烧式节能热管，这种设备采用分步均匀燃烧，降低氮的氧化物的排放，提高助燃空气的预热温度，相对提高了理论燃烧温度，提高了燃料热值的利用率。

关键词 高效节能，蓄热，内燃烧式热管，烟气余热回收，蜂窝陶瓷

1前言

日常家居中，我们经常会看到日光灯悬挂在屋顶，也许这个不足为奇，可日光灯被称为“节能灯”。日光灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸汽，灯管内壁上涂有荧光粉，通电后灯丝加热水银使其产生蒸汽，并使管内水银蒸汽导电，实现两个灯丝之间的气体导电，导电时发出紫外线，紫外线使荧光粉发出柔和的白光。由于灯管工作电流低，从而达到节能的效果。

陶瓷热工完全可以采取同样的方法，把燃烧也设计在一个高效热管里，再把热量辐射到陶瓷制品上，达到高效烧制陶瓷的目的。为了达到高效节能，在技术上可采用类似日光灯的工作原理：

（1） 利用高效的热管作为热能转换装置；

（2） 用高压气泵提供高气压作为燃烧功率的动力，类似灯管需要的电压；

（3） 利用同步换向阀经常转换气体的方向，类似于提供灯管工作的电压频率；

（4） 管内的燃料及烟气作为提供热能热量的物质，类似于灯管工作时使管内汞蒸汽产生紫外线从而使得荧光粉发光。

2具体设计

2.1工作原理

高效热管的工作原理是利用燃料在狭长的密封热管中燃烧，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，其示意如图所示。

常温助燃空气先经左蓄热蜂窝陶瓷体进入燃烧管，燃料由左燃料导向管通过每个通孔进入燃烧管与助燃空气混合，混合气体通过点火器点火，管中混合气体的燃烧温度逐渐升高，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通过烟囱排出。经过一段控制系统预设定的时间后改变同步换向阀以改变燃料及烟气的导向方向，使得常温助燃空气从右侧进入蓄热蜂窝陶瓷体，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，热烟气经过左侧蓄热蜂窝陶瓷体，与其进行热量交换，把热量传递给左侧蓄热蜂窝陶瓷体，然后再通过导向管中的风机把烟气排出。如此不断地交替变向循环，从而充分回收余热，使整个燃烧过程均匀，从而避免了传统的局部燃烧（火焰前锋面处）。

2.2 装置结构特点

2.2.1 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；该管是通过其表面产生对流传热及辐射为主的方式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，使得燃烧热量及时从燃烧外管释放，达到加热的要求；由于燃烧过程中贯穿整个燃烧外管的助燃空气的预热、燃料的燃烧以及烟气余热的回收，势必造成燃烧外管受到极大的热应力，以及不同的热膨胀，因此该结构材料还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）。

2.2.2 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，而且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，以及烟气的余热回收这三个过程，这样就要求燃料导向内管同样能承受较大的热应力和较小的热膨胀系数；还有燃料导向内管同时也是燃料的保护管，它避免燃料在喷出管体燃烧之前被预热到较高的温度，使得燃料过早高温预热分解形成碳黑而得不到充分燃烧，不仅造成燃料浪费，而且堵塞管道。

2.2.3 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的难题，排烟显热较高。

据当前资料显示：传统的燃烧方法如果不进行烟气余热回收，燃料利用率仅25%～30%左右。用传统的普通间壁式结构，热回收效果不理想，空气预热温度仅200～300℃，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%。由此可见，不管哪种传统的燃烧余热回收装置的热效率都难突破75%。统计显示：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。

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。其材料的主要成分为氧化铝。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。采用本设计装置，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的温度（最高时与高温烟气相差仅50～150℃），该装置的热效率可达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的燃烧热管的体积并不会很大。以炉温为1000℃、长度为3m的燃烧蓄热装置为例进行理论计算，以焦炉煤气为燃料时，过剩空气系数为1.02。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250mm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300℃相比，可实现节能21.55%。

2.2.4 同步换向阀

本装置采用燃料助燃空气同步换向（类似于交流电）的方式，同步换向阀采用固定频率的换向控制系统控制，使燃料在燃烧管的不同方向进入燃烧管燃烧，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范围内稳定工作。

2.2.5 点火装置

在蓄热体附近可安装电加热器进行加热点火。

2.3 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，具体如下：

2.3.1 均匀分步燃烧，降低氮的氧化物的排放

该装置是通过燃料导向管的每个小孔把燃料导入燃烧管燃烧，这样使得火焰拉得很长并使温度在整个燃烧过程都较均匀，这种燃烧方法有效避免了传统燃烧方法中局部高温区（火焰前锋面处）的产生，使得燃烧的温度峰值较高，从而避免传统燃烧形成的NOx排放浓度较高的难题。

2.3.2 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立即与高温空气混合燃烧，从而减少燃料在燃烧之前长时间进行高温预热，而使燃料高温分解，造成燃料浪费。

2.3.3 相对提高理论燃烧温度

根据实际燃烧温度公式[1]：即

式中：

t实——火焰实际温度

Q低——燃料低热值

Q空——空气预热带进热值

Q燃——燃料预热带进热值

Q传——系统传热损失热值

Q未——燃料未燃烧热损失热值

Q分——燃料热分解热损失热值

Vn——烟气体积量

C产——烟气产物比热值

由于充分回收利用烟气的余热来充分预热助燃空气，使助燃空气可预热达到极高温度（1000℃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。相反，在实际燃烧温度要求不变时，对燃料的低热值要求大大降低，从而实现可选择的燃料范围的扩大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。

2.3.4 高效隔焰

该燃烧装置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，有效避免了加热物体受热不均而出现影响产品质量的情况；避免了与带有粉尘及SO2的烟气接触，避免加热物体表面被污染。

2.3.5 减小空气系数

燃料与助燃空气混合更充分、燃烧更加完全则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的温度。

2.3.6 提高燃料热值的利用率 ：

式中：

η——热值的利用率

Q低——燃料低热值

Q空——空气预热带进热值

Q燃——燃料预热带进热值

Q烟——烟气带走热值

Q未——燃料未燃烧热损失热值

Q分——燃料热分解热损失热值

由于提高了余热回收，减少了燃料的分解反应，提高了燃烧质量，因此使得总体的燃烧效率提高到80%～90%。

2.3.7 降低温度峰值

ε=Δt/tmax =1-tmin/tmax[2]

式中：

ε——温度峰高比数

Δt——高温与低温的温差

tmax——火焰最高温度

tmin——火焰最低温度

2.3.8 减少污染

由以上提到的采用均匀分步燃烧，可降低氮的氧化物的形成和排放；提高助燃空气的预热温度使燃料在混合瞬间燃烧，减少由于燃料在预热时的分解反应，降低了难燃的碳黑的形成，从而减少了粉尘的形成；采取高效蓄热蜂窝陶瓷体充分回收烟气余热，降低了高温烟气的热污染。

由以上可见，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。

3设计总结

(1) 本高效节能内燃烧式热管完全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，而且控制操作简便、安全、可靠。

(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，在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。

(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，是一项具有推广价值的燃烧装置。

(4) 在技术改进后也可推广到冶金、供暖等其它热工设备上。

参考文献

1 韩昭沧.燃料及燃烧.燃烧温度,1984（6）,39

2 王秉铨主编.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，1996:885～891

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。