高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管的創(chuàng)新設計

摘要 本文基于目前蓄熱蜂窩陶瓷的發(fā)展與應用，介紹一種內(nèi)燃燒式節(jié)能熱管，這種設備采用分步均勻燃燒，降低氮的氧化物的排放，提高助燃空氣的預熱溫度，相對提高了理論燃燒溫度，提高了燃料熱值的利用率。

關(guān)鍵詞 高效節(jié)能，蓄熱，內(nèi)燃燒式熱管，煙氣余熱回收，蜂窩陶瓷

1前言

日常家居中，我們經(jīng)常會看到日光燈懸掛在屋頂，也許這個不足為奇，可日光燈被稱為“節(jié)能燈”。日光燈兩端各有一燈絲，燈管內(nèi)充有微量的氬和稀薄的汞蒸汽，燈管內(nèi)壁上涂有熒光粉，通電后燈絲加熱水銀使其產(chǎn)生蒸汽，并使管內(nèi)水銀蒸汽導電，實現(xiàn)兩個燈絲之間的氣體導電，導電時發(fā)出紫外線，紫外線使熒光粉發(fā)出柔和的白光。由于燈管工作電流低，從而達到節(jié)能的效果。

陶瓷熱工完全可以采取同樣的方法，把燃燒也設計在一個高效熱管里，再把熱量輻射到陶瓷制品上，達到高效燒制陶瓷的目的。為了達到高效節(jié)能，在技術(shù)上可采用類似日光燈的工作原理：

（1） 利用高效的熱管作為熱能轉(zhuǎn)換裝置；

（2） 用高壓氣泵提供高氣壓作為燃燒功率的動力，類似燈管需要的電壓；

（3） 利用同步換向閥經(jīng)常轉(zhuǎn)換氣體的方向，類似于提供燈管工作的電壓頻率；

（4） 管內(nèi)的燃料及煙氣作為提供熱能熱量的物質(zhì)，類似于燈管工作時使管內(nèi)汞蒸汽產(chǎn)生紫外線從而使得熒光粉發(fā)光。

2具體設計

2.1工作原理

高效熱管的工作原理是利用燃料在狹長的密封熱管中燃燒，通過受熱的高溫管壁以輻射為主的形式把熱量傳遞到被加熱物體上。

高效燃燒管主要由燃燒管、燃料導向管、煙氣余熱蜂窩陶瓷回收裝置及同步換向閥組成，其示意如圖所示。

常溫助燃空氣先經(jīng)左蓄熱蜂窩陶瓷體進入燃燒管，燃料由左燃料導向管通過每個通孔進入燃燒管與助燃空氣混合，混合氣體通過點火器點火，管中混合氣體的燃燒溫度逐漸升高，熱量通過燃燒管壁，對流傳熱及輻射出去，達到加熱作用，完全燃燒后燃燒管中的高溫熱煙氣經(jīng)過右蓄熱蜂窩陶瓷體并與其進行熱量交換，煙氣溫度逐漸降低（根據(jù)設計可把溫度降低至幾十度）并通過導向管中的風機把煙氣通過煙囪排出。經(jīng)過一段控制系統(tǒng)預設定的時間后改變同步換向閥以改變?nèi)剂霞盁煔獾膶蚍较颍沟贸刂伎諝鈴挠覀?cè)進入蓄熱蜂窩陶瓷體，常溫助燃空氣與蓄熱蜂窩陶瓷體交換熱量，可把助燃空氣預熱至接近燃燒管管壁的溫度與燃料燃燒，熱煙氣經(jīng)過左側(cè)蓄熱蜂窩陶瓷體，與其進行熱量交換，把熱量傳遞給左側(cè)蓄熱蜂窩陶瓷體，然后再通過導向管中的風機把煙氣排出。如此不斷地交替變向循環(huán)，從而充分回收余熱，使整個燃燒過程均勻，從而避免了傳統(tǒng)的局部燃燒（火焰前鋒面處）。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)特點

2.2.1 燃燒外管

本結(jié)構(gòu)中采用燃料在燃燒外管內(nèi)燃燒，燃燒外管直接與火焰及高溫煙氣接觸，這就要求燃燒外管必須耐灼燒、耐氧化；該管是通過其表面產(chǎn)生對流傳熱及輻射為主的方式把熱量傳遞到管外的被加熱物體上，所以燃燒外管必須由導熱良好，表面換熱系數(shù)極大，發(fā)射率極高的材料制成，使得燃燒熱量及時從燃燒外管釋放，達到加熱的要求；由于燃燒過程中貫穿整個燃燒外管的助燃空氣的預熱、燃料的燃燒以及煙氣余熱的回收，勢必造成燃燒外管受到極大的熱應力，以及不同的熱膨脹，因此該結(jié)構(gòu)材料還必須能承受較大的熱應力，同時具備較小的膨脹系數(shù)（在此可以設置一個膨脹緩沖箱以減小氣體瞬時膨脹及管道的局部膨脹）。

2.2.2 燃料導向內(nèi)管

燃料導向內(nèi)管不僅可以替代傳統(tǒng)燃燒方法的燒嘴作用，而且可以把燃料導向燃燒管的整個全程，跟燃燒外管一樣經(jīng)過助燃空氣的預熱、燃料的燃燒，以及煙氣的余熱回收這三個過程，這樣就要求燃料導向內(nèi)管同樣能承受較大的熱應力和較小的熱膨脹系數(shù)；還有燃料導向內(nèi)管同時也是燃料的保護管，它避免燃料在噴出管體燃燒之前被預熱到較高的溫度，使得燃料過早高溫預熱分解形成碳黑而得不到充分燃燒，不僅造成燃料浪費，而且堵塞管道。

2.2.3 煙氣余熱回收裝置

在煙氣出口與助燃空氣進口處設有蓄熱蜂窩陶瓷體煙氣余熱回收裝置，該裝置是采用當前最新高效蓄熱蜂窩陶瓷作為蓄熱體，它解決了傳統(tǒng)的管道余熱回收裝置回收效率低的難題，排煙顯熱較高。

據(jù)當前資料顯示：傳統(tǒng)的燃燒方法如果不進行煙氣余熱回收，燃料利用率僅25%～30%左右。用傳統(tǒng)的普通間壁式結(jié)構(gòu)，熱回收效果不理想，空氣預熱溫度僅200～300℃，熱效率只有30%～40%；經(jīng)空氣預熱器預熱回收后，排煙溫度一般能降低至500℃～600℃，熱效率提高到40%～60%。由此可見，不管哪種傳統(tǒng)的燃燒余熱回收裝置的熱效率都難突破75%。統(tǒng)計顯示：煙氣溫度每降低100℃，熱效率可提高約4.5%；應用本設計蓄熱蜂窩陶瓷體作為余熱回收裝置的燃燒系統(tǒng)的熱效率可高達80～90%以上。因此，發(fā)展余熱回收是提高熱工設備燃料利用率的最重要途徑。

蜂窩陶瓷具有蓄熱量大、換熱速度快、結(jié)構(gòu)強度好、耐高溫高壓、抗氧化與腐蝕、阻力損失小、經(jīng)濟耐用等特點。其材料的主要成分為氧化鋁。由于其多孔性結(jié)構(gòu)，換熱體積比表面積非常高，高達400m2/m3。蜂窩通道呈直線，壓力損失小，不易發(fā)生粉塵堵塞，由于該蓄熱體的高速蓄熱與釋熱，使得切換時間可設定為30～60s。采用本設計裝置，可將1000℃以上的高溫煙氣降低到150℃以下，常溫空氣預熱到接近高溫煙氣的溫度（最高時與高溫煙氣相差僅50～150℃），該裝置的熱效率可達80%～90%以上。由于該類型蓄熱體具有非常高的換熱比表面積，蓄熱體需要量大幅減少，使得安裝有蜂窩陶瓷蓄熱體后的燃燒熱管的體積并不會很大。以爐溫為1000℃、長度為3m的燃燒蓄熱裝置為例進行理論計算，以焦爐煤氣為燃料時，過剩空氣系數(shù)為1.02。其單元塊間距為1.4mm×1.4mm，總截面積150mm×150mm。通過計算表明，只需250mm長的這種蓄熱體就可將煙氣溫度降低到100℃，空氣溫度從室溫預熱到850℃。與采用傳統(tǒng)的空氣預熱器將空氣溫度預熱到300℃相比，可實現(xiàn)節(jié)能21.55%。

2.2.4 同步換向閥

本裝置采用燃料助燃空氣同步換向（類似于交流電）的方式，同步換向閥采用固定頻率的換向控制系統(tǒng)控制，使燃料在燃燒管的不同方向進入燃燒管燃燒，與蓄熱蜂窩陶瓷體進行熱量交換、空氣預熱，同時冷燃料氣體冷卻燃料導向管體，使其滿足在一定的溫度波動范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

2.2.5 點火裝置

在蓄熱體附近可安裝電加熱器進行加熱點火。

2.3 裝置的工作特點

該裝置的燃燒過程與傳統(tǒng)的燃燒方法存在著很大區(qū)別，具體如下：

2.3.1 均勻分步燃燒，降低氮的氧化物的排放

該裝置是通過燃料導向管的每個小孔把燃料導入燃燒管燃燒，這樣使得火焰拉得很長并使溫度在整個燃燒過程都較均勻，這種燃燒方法有效避免了傳統(tǒng)燃燒方法中局部高溫區(qū)（火焰前鋒面處）的產(chǎn)生，使得燃燒的溫度峰值較高，從而避免傳統(tǒng)燃燒形成的NOx排放濃度較高的難題。

2.3.2 提高助燃空氣的預熱溫度

由于常溫助燃空氣經(jīng)過高溫蓄熱蜂窩陶瓷體被預熱至接近燃燒管的溫度，使得燃燒過程中只要燃料一噴出隔熱燃料導向管便立即與高溫空氣混合燃燒，從而減少燃料在燃燒之前長時間進行高溫預熱，而使燃料高溫分解，造成燃料浪費。

2.3.3 相對提高理論燃燒溫度

根據(jù)實際燃燒溫度公式[1]：即

式中：

t實——火焰實際溫度

Q低——燃料低熱值

Q空——空氣預熱帶進熱值

Q燃——燃料預熱帶進熱值

Q傳——系統(tǒng)傳熱損失熱值

Q未——燃料未燃燒熱損失熱值

Q分——燃料熱分解熱損失熱值

Vn——煙氣體積量

C產(chǎn)——煙氣產(chǎn)物比熱值

由于充分回收利用煙氣的余熱來充分預熱助燃空氣，使助燃空氣可預熱達到極高溫度（1000℃以上），從而在加熱功率不變的情況下使得實際燃燒溫度提高。相反，在實際燃燒溫度要求不變時，對燃料的低熱值要求大大降低，從而實現(xiàn)可選擇的燃料范圍的擴大或可以充分利用由于燃料熱值低而不能利用的燃料，有利于變廢為寶的主導思想。

2.3.4 高效隔焰

該燃燒裝置全程在完全密封的燃燒管道中進行，避免了高溫溫度不均勻火焰直接接觸，有效避免了加熱物體受熱不均而出現(xiàn)影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況；避免了與帶有粉塵及SO2的煙氣接觸，避免加熱物體表面被污染。

2.3.5 減小空氣系數(shù)

燃料與助燃空氣混合更充分、燃燒更加完全則可降低空氣過剩系數(shù)，預計可降低到接近最佳值（1.02），可進一步提高實際燃燒的溫度。

2.3.6 提高燃料熱值的利用率 ：

式中：

η——熱值的利用率

Q低——燃料低熱值

Q空——空氣預熱帶進熱值

Q燃——燃料預熱帶進熱值

Q煙——煙氣帶走熱值

Q未——燃料未燃燒熱損失熱值

Q分——燃料熱分解熱損失熱值

由于提高了余熱回收，減少了燃料的分解反應，提高了燃燒質(zhì)量，因此使得總體的燃燒效率提高到80%～90%。

2.3.7 降低溫度峰值

ε=Δt/tmax =1-tmin/tmax[2]

式中：

ε——溫度峰高比數(shù)

Δt——高溫與低溫的溫差

tmax——火焰最高溫度

tmin——火焰最低溫度

2.3.8 減少污染

由以上提到的采用均勻分步燃燒，可降低氮的氧化物的形成和排放；提高助燃空氣的預熱溫度使燃料在混合瞬間燃燒，減少由于燃料在預熱時的分解反應，降低了難燃的碳黑的形成，從而減少了粉塵的形成；采取高效蓄熱蜂窩陶瓷體充分回收煙氣余熱，降低了高溫煙氣的熱污染。

由以上可見，高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管燃燒系統(tǒng)具有高效率、高質(zhì)量、高環(huán)保、高經(jīng)濟效益等優(yōu)勢。

3設計總結(jié)

(1) 本高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管完全可以滿足陶瓷隧道窯、輥道窯以及梭式窯等陶瓷生產(chǎn)線上各燒成溫度的需要，而且控制操作簡便、安全、可靠。

(2) 本高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管，單位產(chǎn)量能量消耗低于傳統(tǒng)燃燒方法，而且溫度穩(wěn)定均勻，在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面有一定優(yōu)越性；在安裝使用上可降低窯體的要求，使其使用壽命延長。

(3) 本高效節(jié)能內(nèi)燃燒式熱管與傳統(tǒng)的燃燒方法相比，可以減少溫室氣體CO2和燃燒污染物NOx的排放，是一項具有推廣價值的燃燒裝置。

(4) 在技術(shù)改進后也可推廣到冶金、供暖等其它熱工設備上。

參考文獻

1 韓昭滄.燃料及燃燒.燃燒溫度，1984（6），39

2 王秉銓主編.工業(yè)爐設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996:885～891

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。