蓄熱式高溫燃燒技術在火化機上的節能應用

孟浩郭嬋李光敏高源郭雷

（1民政部一零一研究所 北京 100070 2北京社會管理職業學院 北京 101601）

蓄熱式高溫燃燒技術在火化機上的節能應用

孟浩1郭嬋1李光敏2高源1郭雷1

（1民政部一零一研究所 北京 100070 2北京社會管理職業學院 北京 101601）

為了從根本上解決燃油式火化機的能耗問題，采用理論計算與現場試驗相結合，利用蓄熱式煙氣余熱回收技術對火化機結構裝置進行改進。該技術不僅取代了二燃室，而且簡化了后處理流程。改進結果表明，遺體火化平均耗油量為7.61kg/具，低于標準限度的60%；火化平均時間為32min，低于傳統火化機的火化時間40min～50min；通過國家環境分析測試中心的檢測，大氣污染物的排放濃度與速率均達到國家規定指標。

蜂窩蓄熱體；火化機；環保；節能

1 研究內容

1.1 實驗裝置

蓄熱式燃油火化系統由火化機、噴淋塔、布袋除塵器、煙囪四部分組成，如圖1所示，不同于傳統火化機后處理的串聯連接模式，本文實驗系統后處理采用并聯方式，連接布袋除塵器和噴淋系統。當煙溫過高時，關閉布袋除塵器，采用噴淋系統對煙氣進行降溫/洗滌處理，避免了高溫煙氣燒毀布袋。這種連接方式適用范圍較廣，既避免了北方冬季水冷結冰，又防止了南方夏季產生局部高溫。

圖1 實驗裝置總體示意圖

圖2 蓄熱式燃油火化機結構

蓄熱式燃油火化機結構如圖2所示，爐體中未設二燃室，單獨一個主燃室，在主燃室兩側靠下方位置設置氣體通道口，每側布置6個，對稱布置。和傳統燃油式火化機相比，主燃室兩側下方位置設置氣體通道口交替作為排煙口或助燃風的進風口，形成下排煙方式。在主燃室爐體兩側保溫磚外布置4組蜂窩陶瓷蓄熱體[1]，以對角上的兩組蓄熱體構成一組蓄熱體單元，主燃室煙氣出口與蓄熱體內部的通道都是直接聯通的，兩組蓄熱體單元按周期交替進行排煙蓄熱和預熱供風[2]，排煙和供風均由電控氣動閥進行程序切換。

蓄熱式燃油火化機煙氣余熱回收技術的工作原理如圖3所示。傳統火化機煙氣余熱大多是通過列管式換熱器進行回收，而本蓄熱體是通過兩組蓄熱單元交替切換工作回收煙氣中的余熱。以蓄熱體為媒介物質，當爐膛內點火燃燒時，產生大量高溫煙氣通過一組蓄熱單元排出，排出后絕大部分熱量滯留在蜂窩陶瓷蓄熱體內，此時，助燃空氣從另一組蓄熱單元預熱后進入爐膛，兩組蓄熱單元通過按預先設定的時間進行切換[3]，反復循環，直至主燃室焚燒工作結束。這樣，實現煙氣的余熱通過蓄熱體間接預熱助燃空氣，實現高溫煙氣余熱的有效回收，有效降低能耗。此外，爐膛作為一個反應空間，燃油和空氣的燃燒產物充滿爐膛，高溫預熱空氣呈對角線的方向進入爐膛，避免了局部高溫區，使爐內溫度更加均勻，實現了低氧燃燒并減少了污染物的生成。

圖3 蓄熱式燃油火化機工作原理

1.2 蜂窩蓄熱體結構設計分析

蜂窩蓄熱體結構設計計算過程中，以爐膛為研究對象，全過程視為理想燃燒情況。現場測試中，爐體外表面的溫度與室溫接近，爐體保溫性能良好，因此忽略爐體散熱量。燃燒過程中，熱量損失計為10%。通過進出口熱量平衡得出：

燃料放熱量+燃燒物質放熱量+助燃空氣攜帶熱量=高溫煙氣排放量

根據經驗，假設理想耗油量與排煙溫度，推算出一組蓄熱單元吸收與釋放的熱量。通過計算，得出一塊蜂窩陶瓷蓄熱體的導熱率與傳熱系數[4]。由于蜂窩蓄熱體安裝在主燃室外兩側，即排列面積有限，那么我們可以通過計算周期交替過程中吸收釋放的熱量，試算得出，N塊蜂窩蓄熱體的最優排列方式。最后通過傳熱計算，驗證蜂窩蓄熱體安裝排列方式的合理性。經多次理論試算，以及現場調試，得出蓄熱體排列結構，爐膛兩側各8層蜂窩蓄熱體，每層15塊（理論計算的結果需要在工程中附加一個擴大系數）。

1.3 測試結果

現場調試過程中，火化機上設置了四個溫度采集點，采集溫度分別為主燃室溫度、排煙溫度、兩組蓄熱體單元預熱風溫度。

經過現場數據采集，得到燃燒一具遺體的主燃室壓力圖、主燃室溫度圖、經蓄熱體后排煙溫度圖、經蓄熱體后助燃風溫度圖，如圖4、圖5、圖6、圖7。

由圖4可以看出，改進后的火化機主燃室內并沒有因為蓄熱單元交替進風、排煙而形成正壓。相反，爐膛內始終保持著微負壓狀態，這樣減少了爐膛熱量被煙氣帶走和對環境的污染。

圖4 主燃室壓力曲線圖

圖5 主燃室溫度曲線圖

由圖5可以看出，當爐膛內燃燒6min后，主燃室溫度保持在1000℃左右，而后逐漸趨近于800℃。相比傳統火化機，蓄熱式燃油火化機煙氣余熱充分利用，使爐膛內溫度在短時間內迅速升至1000℃高溫，并且此后燃燒溫度趨于平穩，有利于避免爐膛內由于低溫助燃空氣而產生污染物，更好的控制了主燃室溫度與自動燃燒器啟停關聯控制。

由圖6可以看出，隨著燃燒的不斷繼續，高溫煙氣使蓄熱磚

不斷儲存熱量，排煙溫度略有提高，但蓄熱式煙氣余熱回收技術使排煙溫度降到了200℃以下，省去了后處理中的換熱系統。

圖6 排煙溫度曲線圖

圖7 助燃風溫度圖

由圖7可以看出，爐膛內燃燒約5min，經蓄熱體的助燃空氣上升為近1000℃，對比圖5和圖7可以看出助燃空氣溫度與爐膛內燃燒溫度相近，減少了能耗損失。

由于遺體火化是一個非穩態、變邊界的氧化燃燒過程[5]。結合圖4～圖7分析，燃燒過程中燃燒器并非始終噴油。當1min～6min時，打開噴油槍，引燃附在遺體上的紙棺以及遺體皮膚毛發，這些易燃物質瞬間引燃使爐膛升至高溫。此刻關閉油槍，爐膛內的高溫煙氣維持遺體繼續燃燒，觀察電控屏幕的溫度顯示，當燃燒17min左右時，遺體內所含水分開始大量蒸發，爐內溫度有所下降，此時打開油槍助燃，直至殆盡。未完全燃燒的污染物隨煙氣流經多層蓄熱磚時，可繼續反應，降低了污染物的排出。

本實驗裝置在現場檢測時，先后火化了4具遺體（第一具遺體為當天首具），4具遺體的耗油量分別為18kg、7.656kg、7.851kg、7.323kg，火化平均耗油量為7.61kg/具。火化時間分別為46min、37min、29min、30min，火化平均時間為32min。每具遺體的煙氣排放指標全部達標。在排放濃度方面，主要污染物二氧化硫、硫化氫、氨氣、氯化氫、汞等全部滿足國家一級標準，氮氧化物滿足國家二級標準，一氧化碳滿足國家三級標準。從煙氣指標上，可以看出本項目的爐體燃燒和煙氣后處理技術達到了國內先進水平。

2 結語

2.1 在燃油式火化機采用蜂窩蓄熱式煙氣余熱回收技術，免去了二燃室，簡化了后處理流程，取得了顯著的節能減排的實際效果。

2.2 結構改進后的燃油式火化機遺體火化平均耗油量為7.61kg/具，低于標準要求的60%；火化平均時間為32min，低于傳統火化機的火化時間40min～50min。

2.3 通過國家環境分析測試中心的檢測，大氣污染物排放濃度與速率均達到國家規定指標。

[1]賈翠,謝志鵬,孫加林,楊東亮,李世良.蜂窩陶瓷蓄熱體的研究現狀[J].耐火材料,2009∶64-68.

[2]梁春魁,李義科,任雁秋,張胤.蓄熱式高溫燃燒技術在工業爐領域的應用[J].包頭鋼鐵學院學報,2002,21（3）∶208-215.

[3]劉夏丹,于宏,周琦,李賜亮.陶瓷蜂窩體的結構特性及其蓄熱燃燒系統的應用[J].冶金能源,199718(4)∶28-31.

[4]蔣紹堅,曹小玲,汪洋洋,熊家政,李勇,魯志昂.蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱數學模型及傳熱系數求解[J].工業爐，2001，23（3）：50-53.

[5]尹荔堃,熊程程,邢嘯林,魯琦,陳曦,李大濤,等.遺體火化二惡英類污染物減排技術研究 [M].中國環境科學學會學術年會論文集, 2012,2899-2903.

科研項目

中央級科學事業單位科研儀器設備設備升級改造專項（1181301100013）。

孟浩（1962—），男，漢，大學本科，研究員，主要從事燃燒設備技術與研究工作。