艾治文 艾元方

(1.長(zhǎng)沙鐵路第一中學(xué)高中部， 湖南 長(zhǎng)沙 410001; 2.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

淺談自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩

艾治文1艾元方2

(1.長(zhǎng)沙鐵路第一中學(xué)高中部， 湖南 長(zhǎng)沙 410001; 2.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了克服傳統(tǒng)生物質(zhì)爐具因中低溫燃燒、空氣供應(yīng)不足、可燃物和空氣混合不均勻、不充分、燃燒時(shí)間短而出現(xiàn)的排放黑煙、焦油、CO等不節(jié)能、環(huán)境污染問題，研發(fā)一種集成空氣- 煙氣噴吹換熱、高溫燃燒和旋流燃燒新技術(shù)，二次空氣噴吹高溫排煙管實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收和二次空氣預(yù)熱，二次空氣在爐膛頂部區(qū)域旋流使可燃性廢氣濃縮并和二次空氣充分混合，實(shí)現(xiàn)可燃性尾氣長(zhǎng)時(shí)間高溫氧化的自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩。

排煙罩； 噴流式換熱； 旋流燃燒

0 前言

我國(guó)生物質(zhì)燃料分布廣泛，總量巨大，僅農(nóng)村每年產(chǎn)生的生物質(zhì)燃料可折合2.7億tce，占農(nóng)村總能耗的40%左右，其中秸稈產(chǎn)量超過7億t，谷殼4千萬t。由于缺乏有效的生物質(zhì)燃料高效清潔燃燒技術(shù)，全國(guó)有近一半的秸稈在田間直接焚燒。另外，木材加工、木制品生產(chǎn)產(chǎn)生的大量木屑、鋸木等被廢棄，食品加工產(chǎn)生的殼皮等被當(dāng)作垃圾填埋。研發(fā)一種生物質(zhì)燃料高效清潔燃燒爐具，可以滿足當(dāng)今節(jié)能減排和建設(shè)“兩型”社會(huì)的需要，提高我國(guó)生物質(zhì)資源能源化利用水平，緩解我國(guó)廣大農(nóng)村面臨的日益嚴(yán)重的環(huán)保壓力。

生物質(zhì)燃料屬于低熱值燃料，發(fā)生中低溫燃燒反應(yīng)居多，燃燒溫度不高。目前農(nóng)村大多數(shù)生物質(zhì)爐具只考慮為爐內(nèi)燃燒提供一次空氣，且一次空氣難以均勻接觸到燃料表面，燃燒過程中空氣供應(yīng)嚴(yán)重不足，加上燃燒溫度不高，爐內(nèi)發(fā)生明顯的不完全燃燒，火焰呈黃色，火焰溫度低。爐膛內(nèi)熱浮力作用使得碳黑、焦油和CO等燃燒中間產(chǎn)物過早地離開高溫區(qū)。這些燃燒中間產(chǎn)物一旦離開高溫區(qū)，即刻失去繼續(xù)完全氧化所需的溫度條件；同時(shí)，爐具的敞開式排煙設(shè)計(jì)使可燃性中間產(chǎn)物濃度迅速變低，失去繼續(xù)完全氧化所需的濃度條件。這些產(chǎn)物隨后以燃燒污染物形式擴(kuò)散到室內(nèi)變成尾氣，使得室內(nèi)碳黑、焦油和CO濃度逐漸升高，最終達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)標(biāo)GB16410—2007規(guī)定的燃燒污染物排放濃度，散發(fā)出難聞的焦油味，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生胸悶甚至CO中毒事故，嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人們的身體健康。另一方面這些尾氣可以繼續(xù)燃燒放熱，直接排放會(huì)造成大量寶貴的生物質(zhì)能源得不到有效利用。

1 低濃度可燃性尾氣處理技術(shù)現(xiàn)狀

由于尾氣可燃成分熱值低，采取常規(guī)方法難以在自由空間內(nèi)維持熱力燃燒或催化燃燒的自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)與高熱值燃?xì)饣旌先紵龝r(shí)，熱效率低下，并產(chǎn)生大量的NOx和CO等污染物；尾氣可燃物濃度低則蓄熱燃燒室內(nèi)難以維持燃燒所需的溫度導(dǎo)致燃燒較為困難，若不向燃燒系統(tǒng)輸入熱量，則無法滿足對(duì)低濃度可燃性尾氣進(jìn)行處理的要求。

目前工藝上獲得應(yīng)用的可燃性尾氣凈化技術(shù)主要有燃燒、生物、等離子體、膜分離、吸附及冷凝等技術(shù)，其中燃燒技術(shù)是目前最主要、最有效的可燃性尾氣凈化技術(shù)，如蓄熱燃燒及中低溫催化燃燒。

燃燒凈化技術(shù)的重要設(shè)備蓄熱式熱力焚化爐原理是利用可燃性尾氣通過蓄熱體被加熱到接近熱氧化溫度760～1 000 ℃，而后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行熱氧化反應(yīng)，生成CO2和H2O。目前，對(duì)該爐型的研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，如鄭承煜[1]發(fā)明了一種蓄熱式熱力焚燒及銳鈦型二氧化鈦光觸媒凈化的可燃性尾氣治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了蓄熱式換熱器在回收尾氣余熱的同時(shí)生成高溫空氣并組織高溫燃燒的光觸媒反應(yīng)原理。陳澤智等[2]發(fā)明了一種氣流往復(fù)式蓄熱催化型熱力氧化器。該氧化器包括呈管式或隧道式結(jié)構(gòu)的空氣腔體，在空氣腔體中部設(shè)有燃燒爐，燃燒爐兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有蓄熱段和催化段。吳萬泉等[3]發(fā)明了一種基于蓄熱式燃燒原理的蓄熱式熱力焚化爐。該焚化爐在引風(fēng)機(jī)作用下可燃性尾氣被吸入氧化室進(jìn)行充分燃燒氧化。

等離子體技術(shù)有降解效率高，可根據(jù)可燃性尾氣濃度調(diào)節(jié)等離子體的輸入能量以及對(duì)尾氣種類及濃度適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)，但也存在如能耗過高、可燃性尾氣濃度高時(shí)降解不充分等問題。高翔等[4]發(fā)明了強(qiáng)化多孔介質(zhì)燃燒凈化可燃性尾氣的等離子體爐。該爐基于多孔介質(zhì)材料蓄熱和等離子體自由基氧化作用協(xié)同降解可燃性尾氣。等離子體爐包括過濾器、反應(yīng)器和控制器，反應(yīng)區(qū)兩端分別是預(yù)熱區(qū)和蓄熱區(qū)，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有等離子體火炬，蓄熱區(qū)充滿多孔蓄熱介質(zhì)。

活性碳吸附法適用于大尾氣量場(chǎng)所，阻力損失大。噴淋法會(huì)產(chǎn)生新的廢水二次污染。這些裝置均存在技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一次性投資大，日常運(yùn)行費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性差等諸多缺點(diǎn)。目前市場(chǎng)上還沒有針對(duì)低濃度可燃性尾氣凈化效果好、成本低的設(shè)備。

2 自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩結(jié)構(gòu)

在生物質(zhì)燃料不完全燃燒條件下，燃燒污染物中碳黑、焦油和CO分子濃度極低，同時(shí)氧分子濃度也極低，溫度也低于碳黑、焦油和CO的自燃點(diǎn)。作者設(shè)計(jì)的一種自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩[5]，提供了可燃性尾氣完全氧化所需反應(yīng)條件：高度濃縮了碳黑、焦油和CO分子；增加了助燃空氣供應(yīng)，可燃分子和氧分子充分均勻混合；延長(zhǎng)燃燒污染物在高溫區(qū)的停留時(shí)間，提高燃燒氧化反應(yīng)溫度。

如圖1所示，自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩，包括圓臺(tái)筒狀爐頂蓋、外圓管、內(nèi)圓管、排煙管、圓環(huán)狀中擋板和底擋板。爐頂蓋側(cè)壁外表面周向均勻布置眾多呈矩形條縫狀的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口兩短邊中點(diǎn)連線延長(zhǎng)線相交于爐頂蓋中心軸線上同一點(diǎn)。通過進(jìn)風(fēng)口的呈條縫狀的氣流通道沿逆時(shí)針方向向爐頂蓋內(nèi)腔傾斜，且和進(jìn)風(fēng)口兩短邊中點(diǎn)連線與爐頂蓋中心軸線確定的垂直面交角相等。在排煙管側(cè)壁中部位置垂直于排煙管側(cè)壁布置中擋板，并用中擋板將排煙管和內(nèi)圓管之間的環(huán)形通道封死。在內(nèi)圓管底圓面位置垂直于內(nèi)圓管側(cè)壁布置底擋板，并用底擋板將內(nèi)、外圓管之間的環(huán)形通道封死。中擋板以下的內(nèi)圓管側(cè)壁面均勻布置眾多的細(xì)圓孔，細(xì)圓孔中心軸線延長(zhǎng)線和排煙管中心軸線垂直相交。

圖1 自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩1.爐頂蓋；11.進(jìn)風(fēng)口；2.外圓管；3.內(nèi)圓管；31.細(xì)圓孔；4.排煙管；5.中擋板；6.底擋板

生物質(zhì)燃料和一次空氣混合燃燒，燃燒污染物聚集于爐頂蓋內(nèi)腔。二次空氣進(jìn)入內(nèi)、外圓管之間的環(huán)形通道。在底擋板阻塞作用下，從眾多細(xì)圓孔徑向噴吹而出的二次空氣垂直沖擊高溫排煙管側(cè)壁外表面，二次空氣吸收排煙管壁面熱量后從常溫預(yù)熱到600 ℃左右。在中擋板阻塞作用下，中溫二次空氣流動(dòng)方向改變90°，流至外圓管與爐頂蓋之間空間，然后沿爐頂蓋側(cè)壁面眾多進(jìn)風(fēng)口及氣流通道傾斜噴入爐頂蓋內(nèi)。在爐頂蓋內(nèi)中溫二次空氣旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)，不斷卷吸原來停留在爐頂蓋內(nèi)的燃燒污染物。燃燒污染物快速完全氧化生成高溫?zé)煔?，燃燒溫度提高?00 ℃以上。高溫?zé)煔庠谂艧煿芟蛏铣槲饔孟码x開爐頂蓋進(jìn)入排煙管。二次空氣流過排煙管時(shí)煙氣加熱排煙管側(cè)壁，為排煙管外側(cè)二次空氣預(yù)熱升溫提供熱源，煙氣自身降溫到250 ℃以下排至室外。

3 自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩強(qiáng)化燃燒機(jī)理

爐頂蓋側(cè)壁面周向均勻布置的眾多呈矩形條縫狀的進(jìn)風(fēng)口可組織空氣在爐頂蓋內(nèi)壁貼壁區(qū)域旋流流動(dòng)。在爐頂蓋內(nèi)二次空氣旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng)的同時(shí)不斷卷吸爐腔頂部區(qū)域集留的碳黑、焦油、CO等燃燒污染物。在旋流離心力作用下，碳黑、焦油、CO和氧分子在爐頂蓋內(nèi)貼壁區(qū)域高度集中，從而爐頂蓋內(nèi)壁貼壁區(qū)域同時(shí)具備了碳黑、焦油、CO分子高度濃縮、氧分子足夠、可燃分子和氧分子充分均勻混合、燃燒區(qū)停留時(shí)間足夠長(zhǎng)和燃燒溫度高等燃燒污染物完全氧化所需條件。二次空氣旋流流動(dòng)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了燃燒污染物在高溫區(qū)的停留時(shí)間。爐頂蓋內(nèi)壁貼壁區(qū)域空間小，單位容積燃燒放熱強(qiáng)度大，燃燒污染物氧化速度快。二次空氣向上旋流增強(qiáng)了外排煙氣動(dòng)力，增大了爐內(nèi)負(fù)壓，減少了燃燒污染物外泄污染。全封閉式爐具代替了敞開式爐具，減少了爐膛頂部區(qū)域溫度梯度，增強(qiáng)了爐內(nèi)燃燒過程的可調(diào)節(jié)性，凈化了室內(nèi)空氣。

外圓管、內(nèi)圓管和排煙管從外向內(nèi)依次套裝且共中心軸線并采用二次空氣- 煙氣噴流換熱，從而內(nèi)外兩個(gè)穩(wěn)壓室壓力差使得二次空氣噴吹流過眾多細(xì)圓孔，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，實(shí)現(xiàn)二次空氣徑向噴吹排煙，增強(qiáng)了排氣罩的安全性，即從內(nèi)向外依次是800℃高溫?zé)煔狻?00℃中溫二次空氣和常溫二次空氣，防止了熱量散失和燙傷事件發(fā)生，降低了排煙管側(cè)壁溫度，延長(zhǎng)了排煙管使用壽命，爐頂蓋內(nèi)腔和排煙管內(nèi)腔相連通。爐膛內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定，排煙順暢。排煙管高度保證了足夠的煙氣自下向上抽吸作用力。

內(nèi)圓管側(cè)壁面均勻布置眾多的細(xì)圓孔，二次空氣流過內(nèi)圓管眾多細(xì)圓孔時(shí)壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。從細(xì)圓孔徑向噴吹而出的二次空氣垂直沖擊高溫排煙管側(cè)壁外表面，破壞了貼附在排煙管側(cè)壁外表面的流動(dòng)邊界層，加快了高溫?zé)煔狻艧煿軅?cè)壁→二次空氣的綜合傳熱，在煙氣余熱高效回收利用的同時(shí)二次空氣高效預(yù)熱。高溫?zé)煔狻囟慰諝饩C合傳熱過程包括排煙管側(cè)壁內(nèi)表面煙氣- 側(cè)壁輻射對(duì)流換熱、排煙管側(cè)壁導(dǎo)熱和排煙管側(cè)壁外表面空氣- 側(cè)壁對(duì)流換熱，制約傳熱速度的關(guān)鍵是排煙管側(cè)壁外表面空氣- 側(cè)壁對(duì)流換熱，二次空氣徑向噴吹排煙管側(cè)壁外表面使得綜合傳熱系數(shù)在二次空氣平行流過排煙管側(cè)壁外表面基礎(chǔ)上增大1～2倍，二次空氣預(yù)熱溫度可提高到600℃左右，煙氣溫度降低到250℃以下。爐頂蓋內(nèi)中溫二次空氣和燃燒污染物充分均勻混合發(fā)生高溫氧化，提高了燃燒溫度，二次空氣進(jìn)入爐頂蓋內(nèi)腔溫度提高到600℃左右，燃燒溫度提高到800℃以上。燃燒溫度提高可以使碳黑、焦油、CO等燃燒污染物氧化速度加快，CO2和H2O生成速度加快，提高燃燒污染物氧化反應(yīng)完全程度，降低其排放濃度。

新型排煙罩改傳統(tǒng)爐具中低溫燃燒為高溫燃燒，高效回收燃燒污染物氧化放熱，在無需額外添加能源條件下改傳統(tǒng)爐具低或極低濃度可燃燒污染物不完全氧化為高濃度燃燒污染物完全氧化，解決了傳統(tǒng)爐具低溫燃燒難以克服的煙氣中CO氧化反應(yīng)速度慢、焦油分子難以氧化等問題。同時(shí)，新型排煙罩改傳統(tǒng)爐具爐膛頂部未燃燼的燃燒污染物擴(kuò)散排入室內(nèi)空間為爐膛頂部未燃燼的燃燒污染物高度聚集并完全氧化，提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量。

4 結(jié)束語

新型排煙罩結(jié)構(gòu)緊湊，制作、安裝、維護(hù)簡(jiǎn)便，爐具性能穩(wěn)定，可燃燒污染物氧化速度快，能量利用率高，爐具使用現(xiàn)場(chǎng)室外無明顯煙霧排放，室內(nèi)空氣清新、無焦油味，無胸悶和惡心等CO中毒感，室內(nèi)空氣粉塵、焦油和CO濃度均能滿足GB16410—2007要求，且對(duì)生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)。

[1] 鄭承煜. 蓄熱式熱力焚燒及光觸媒凈化的廢氣治理系統(tǒng)[P]. 實(shí)用新型, 申請(qǐng)?zhí)?01320601211.1, 申請(qǐng)日2013.9.27.

[2] 陳澤智, 龔惠娟. 氣流往復(fù)式蓄熱催化、熱力氧化器[P]. 發(fā)明, 申請(qǐng)?zhí)?00910029425.4, 申請(qǐng)日2009.4.13.

[3] 吳萬泉, 郭國(guó)平, 盧永杰, 等. 一種蓄熱式熱力焚化爐[P]. 實(shí)用新型, ZL20120182529.0, 授權(quán)日2013.9.25, 申請(qǐng)日2013.4.12.

[4] 高翔, 鄭成航, 駱仲泱, 等. 等離子體強(qiáng)化多孔介質(zhì)燃燒處理有機(jī)廢氣的裝置及方法 [P]. 發(fā)明, 申請(qǐng)?zhí)?01310734058.4, 申請(qǐng)日2013.12.27.

[5] 艾治文. 自身預(yù)熱式高溫氧化排煙罩[P]. 發(fā)明, 申請(qǐng)?zhí)?013105210302.2, 申請(qǐng)日2013.10.23.

Discussion on Self-recuperative Pyro-oxidation Exhaust Hood

AI Zhi-wen, AI Yuan-fang

To solve the problems of no energy saving and environmental pollution in the traditional biomass stove as the black smoke, the tar and the carbon monoxide under the conditions of the middle and low temperature combustion, the insufficient air supply, the uneven not insufficient mixture between the combustible and the air, and the short combution time, a new kind of self-recuperative pyro-oxidation exhaust hood based on the jet heat exchange between the combustion air and the exhaust gas, the high-temperature combustion and the swirling combustion is developped. Its second-air preheating and its waste heat recovery of flue gas results from its secondary air spraying to its high-temperature exhaustpipe, its combustible exhaust gas is highly condensed and intensively mixed with its secondary air in the furnace top through the secondary air swirling, and the high-temperature oxidation reaction for its combustible waste extends for a long time.

exhaust hood; jet heat exchange; swirling combustion

2014-09-10

艾治文(1997—)，男，湖南邵陽人，在校高中生，感興趣領(lǐng)域:農(nóng)村節(jié)能減排新技術(shù)。

TK863

A

1008-5122(2014)06-0038-04