新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機設(shè)計與實驗研究
摘要：基于高溫空氣燃燒技術(shù)，設(shè)計一種新型自蓄熱燃燒器，以實現(xiàn)連續(xù)的高溫空氣燃燒。新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機由燃燒器、蓄熱體、四通換向閥3部分構(gòu)成。為驗證新型自蓄熱燃燒器熱工及阻力特性，建立了基于直管式輻射管測試系統(tǒng)，結(jié)果表明：該自蓄熱生物質(zhì)燃燒機能實現(xiàn)穩(wěn)定的高溫空氣燃燒，工作過程中排煙溫度在150℃以下，溫度效率可達88%以上；直管式輻射管外壁縱向最大溫差不高于58℃；N() x#-非放濃度不高于3 85 mg/m3;且該自蓄熱生物質(zhì)燃燒機結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝靈活，因此對不同爐型有較強的適應(yīng)性。
引 言
高溫空氣燃燒(H 19h Te11Perature AirC∞bus-ti∞簡稱HiTAC)技術(shù)是具有芾能減排雙重效果的先進燃燒技術(shù)。通過高效蓄熱體“極限”回收煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣，提高燃料的理論燃燒溫度，節(jié)約燃料消耗，減少燃燒產(chǎn)物排放【111。這項燃燒技術(shù)還被稱為FI_OX MIID和IN燃燒技術(shù)和蓄熱燃燒技術(shù)[3】。目前，國內(nèi)的HlTAC系統(tǒng)多采用雙焰式高溫空氣燃燒方式，雙焰式H正Aq支術(shù)要求成對安裝生物質(zhì)燃燒機，每只生物質(zhì)燃燒機配備蓄熱體，當(dāng)其中一只生物質(zhì)燃燒機處于燃燒狀態(tài)時，其蓄熱體被助燃空氣冷卻，相對應(yīng)的生物質(zhì)燃燒機排煙，與之相連的蓄熱體被高溫?zé)煔饧訜?，它們按周期進行轉(zhuǎn)換功能，交替加熱和冷卻蓄熱體從而實現(xiàn)“極限”回收余熱【41。頻繁的火焰切換造成爐溫、爐膛壓力的波動，換向瞬間燃燒不連續(xù)，頻繁的燃料通斷造成燃料噴管易出現(xiàn)結(jié)焦、堵塞和斷火等問題【51。如一端生物質(zhì)燃燒機出現(xiàn)故障整個系統(tǒng)就不能正常燃燒，影響生產(chǎn)的正常進行。
為有效解決雙焰式H iTAC系統(tǒng)上述不足，國內(nèi)外研究者提出了連續(xù)式蓄熱燃燒的概念。6呻1，就是在保持煙氣余熱能極限回收的同日寸，燃?xì)膺B續(xù)供給，在國內(nèi)這種燃燒技術(shù)已經(jīng)在熔鋁行業(yè)取得成功，2002年國內(nèi)某鋁材
公司的熔鋁爐上安裝連續(xù)式Hi~C系統(tǒng)后，取得了理想的節(jié)能效果【71，但連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)在其它彤式熱處理爐或輻射管上應(yīng)用的相關(guān)報道很少見諸公開文獻。
首先介紹了新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成，然后介紹了該自蓄熱生物質(zhì)燃燒機測試系統(tǒng)對其在直管式輻射管上進行了冷態(tài)蓄熱體阻力特性的測試和熱態(tài)生物質(zhì)燃燒機熱工性能測試最后對測試結(jié)果進行了分析和比較。
1新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計
Ll新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的工作原理
新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機根據(jù)高溫空氣燃燒技術(shù)的基本原理設(shè)計而成，可以實現(xiàn)在H iTAC-F連續(xù)燃燒，具有高效回收煙氣余熱，大幅降低污染物排放，降低NO舶排放濃度的特點[1叫，因燃燒過程中燃?xì)獠粨Q向，空氣與煙氣間切換周期可以縮短到10 s左右。自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的工作原理如圖1所示，在爐膛的升溫段，閥1關(guān)閉，閥2打開，自蓄熱生物質(zhì)燃燒機中間的小生物質(zhì)燃燒機先工作，采用非預(yù)混燃燒方式，此時換向閥開始工作，蓄熱體A和B交替作為排煙通道并蓄熱，保證煙氣排放溫度在150℃以下。當(dāng)排煙溫度達到150℃左右時，部分開啟空氣閥l調(diào)小空氣閥2的開度，空氣與煙氣交替通過蓄熱體，實現(xiàn)加熱助燃空氣，回收煙氣余熱，如圖1所示爐內(nèi)的高溫?zé)煔膺M入蓄熱室B蓄熱體B皮加熱，同時高溫?zé)煔獗焕鋮s到150℃以下通過四通換向閥后經(jīng)引風(fēng)機排出，煙氣的顯熱被蓄熱體B【！及牧并貯存；常溫空氣經(jīng)過高溫蓄熱體A后被預(yù)熱為高溫助燃空氣，同時蓄熱體A冷卻，高溫助燃空氣噴入爐內(nèi)與燃?xì)饣旌虾筮M行
半個周期后換向閥換向，爐內(nèi)的高溫?zé)煔膺M入蓄熱室A蓄熱體A皮加熱，同時高溫?zé)煔獗焕鋮s到150℃以下通過換向閥后經(jīng)引風(fēng)機排出，煙氣的余熱被蓄熱體A吸收并貯存；常溫空氣經(jīng)過高溫蓄熱體助舌被預(yù)熱為高溫助燃空氣，同時蓄熱體B吏冷卻，高溫助燃空氣噴入爐內(nèi)與燃?xì)饣旌虾筮M行燃燒。爐膛溫度達到850℃，閥1全開，閥2部分開啟，此時為二級燃燒方式。由以上的分析可以看出，在燃燒過程中，燃?xì)獠辉兕l繁的通斷，燃?xì)鈬姽軆?nèi)不會出現(xiàn)堵塞、結(jié)焦、斷火和不燃等現(xiàn)象。
L 2新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)
新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機由生物質(zhì)燃燒機、蓄熱體與換向閥3部分組成。從圖2可以看出，生物質(zhì)燃燒機的中間部分是升溫生物質(zhì)燃燒機，它由空氣管道、燃?xì)夤艿馈⒖諝夥植及搴忘c火電極組成。升溫生物質(zhì)燃燒機四周均勻布置了4個管道，分別與蓄熱體相連，在工作過程中，兩根管道并聯(lián)作為預(yù)熱空氣噴口，另外兩根管道并聯(lián)作為煙氣排放管，并定期互換功能，火焰的檢測是通過UV火焰檢測器進行，燃料連續(xù)供應(yīng)，取消了燃?xì)庾詣忧袚Q裝置。
2實驗系統(tǒng)
為了對自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的蓄熱體阻力特性與熱工性能進行測試分析，搭建了如圖3所示測試系鯇。本系統(tǒng)是由生物質(zhì)燃燒機、蓄熱器、換向閥、輻射管、試驗爐、鼓風(fēng)機和引風(fēng)機等組成。
燃料為瓶裝液化石油氣配瓶裝氮氣，蓄熱器內(nèi)蓄熱體為莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體。用到的測量儀器有浮子流量計、UV檢測火焰裝置、，IESrIOM300型煙氣分析儀、壓力變送器、鎧裝K型熱電偶、鎧
裝剮熱電偶和臺式電腦等。在升溫階段，閘板閥2關(guān)閉，閘板閥1開啟，換向閥正常運行，隨著蓄熱內(nèi)溫度升高，逐漸關(guān)小閘板閥l逐漸開啟閘板閥2當(dāng)輻射管內(nèi)溫度達到850℃時，閘板閥2開啟，進入高溫低氧燃燒階段。
3試驗結(jié)果與分析
3 1新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機蓄熱體的阻力特性
蓄熱體的阻力損失是指氣體流過蓄熱體時形成的壓力差，這個數(shù)值的大小直接影響到整個系統(tǒng)的運行效果，影響燃燒的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計中必須綜合考慮【11]。本次實驗中單臺蓄熱器內(nèi)安裝長度為1 000 mrrtl<J莫來石質(zhì)蜂窩陶瓷蓄熱體，整套蓄熱器全流程為2 000 mrn為得到不同長度蓄熱體在不同流量時的阻力特性及最大流量、最長蓄熱體時的阻力值，分別對蓄熱體長度為500、1 000; 1 500和2 000 rruyZ木同空氣流量下進行了阻力損失測試，空氣流量計的測量精度為±1耐／}1壓力變送器的測量精度為±Q5 Pa氣體的流量變化范圍是從20～ioo n//b從測量結(jié)果圖4中可以看出，當(dāng)氣體流量一定時，阻力損失隨蓄熱體的高度增大而增加；當(dāng)蓄熱體的高度一定時，阻力損失隨氣體的流量增大而增加，當(dāng)流量100 m／h蓄熱體長度2 000 mm，阻力損失750 Pa左右，同等條件下的陶瓷小球作為蓄熱體的阻力損失約1 400 PA'2l。
3 2輻射管外壁的溫度分布
由輻射管外壁的溫度梯度引起的應(yīng)力大小是影響輻射管壽命的重要因素，在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，輻射管一般都從生物質(zhì)燃燒機附近“燒穿，，，這是因為，在輻射管內(nèi)生物質(zhì)燃燒機附近的輻射管壁內(nèi)溫度梯度大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，在這些點溫度最高，氧化最嚴(yán)重，所以往往從這些地方損壞，這種現(xiàn)象在直管式輻射管上尤為嚴(yán)重。在直管式輻射管上采用自蓄熱燃燒器后，整個過程中沿輻射管的縱向表面最大溫差不超過58℃特別是當(dāng)輻射管內(nèi)溫度超過850℃以后，圖3中閘板閥2打開，實現(xiàn)高溫貧氧燃燒，火焰體積變大，管內(nèi)的溫度更加均勻，管壁的最大溫差有減小的趨勢。從圖5實測數(shù)據(jù)也可以看出，隨著實驗爐內(nèi)溫度的提高，輻射管表面的最大溫差有變小的趨勢，同其它類型的輻射管燃燒時輻射管壁的溫度差相比【1卜141，配備新型自蓄熱生物質(zhì)燃燒機的直管式輻射管不但安裝方便，表面最大溫度差也大大降低，如表1所示。
3 3換向時間對排煙溫度及溫度效率的影響
在自蓄熱生物質(zhì)燃燒機正常工作過程的任一換向周期中，如圖6所示，前半個周期內(nèi)，蜂窩體把熱量傳遞給空氣，靠測點的溫度成線性下降，而后半個周期，煙氣把熱量傳遞給蜂窩體，被測點的溫度變化呈拋物線上升。所采用熱電偶的精度等級為2級，測量誤差每噸為Q 25%，既對于1 000℃左右的火焰測量誤差在3℃以內(nèi)。換向時間的長短對排煙溫度和溫度效率有較大的影響，換向時間為60 sW，排煙溫度波動為85℃換向時間為20咐，排煙溫度波動為23℃。
對換向閥的要求提高，會影響到換向閥的壽命，要根據(jù)具體情況，確定蓄熱材料的數(shù)量，保證自蓄熱生物質(zhì)燃燒機中蓄熱體的熱飽和時間為10～20叻佳，換向時間與其飽和時間相對應(yīng)。
400-6352-900
