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[科普中国]-燃烧换热

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提高化石能源的利用效率是最直接有效缓解全球能源危机的途径之一。单从燃烧领域而言,若将燃烧换热效率提高12.5%,可等同所有核能和其他能源的总和,这一大趋势在今后一段时间内不会改变。伴随着环境的恶化,降低污染同时成为燃烧技术的又一发展方向。

概念人类在提高燃烧效率并降低污染方面做出了不懈的努力,发展出多种燃烧技术。如1937年便开始的分级燃烧,将空气分两次或多次送入炉膛与燃料混合燃烧,避免火焰集中形成,主要为降低污染,但会降低燃烧强度,还可能降低效率。为燃烧垃圾和一些劣质燃料,又开发出流化床燃烧技术,然而形成流化状态需要大量鼓风,能耗较大,并且燃烧温度不高,且仅适合固体颗粒燃烧。在全球温室效应的大背景下,为解决CO2减排,又研发出富氧燃烧技术,并配套CO2捕捉封存技术(CCS),由于超过通常空气中21%含量的氧气浓度,所以燃烧更易组织且温度更高,但往往会因局部温度过高生成大量NOx,且由于高昂的制氧成本,使其还无法成功商业运行。

Weinberg于1971年首次提出了热再循环(heat recirculating)技术,即将燃烧所释放出的能量来预热反应物,提高反应初温,可以有效的提高反应温度,增加燃烧强度,尤其利于燃烧低热值燃料。由于引入了外在的能量,所以这一思想被称为超焓燃烧(excess enthalpy combustion),字面意思是额外的焓的燃烧,所谓额外的焓是指本应随高温热烟气排放掉的能量,而将这部分能量用于加热反应物,就回收了这部分能量。不仅提高了热效率,而且提升了整个反应区的温度,最主要的好处是使得原本无法正常燃烧低热值燃料得到了应用价值。1

高温空气燃烧换热特性研究80年代,日本人发现高炉、锻造炉等工业设备尾气温度很高,于是希望回收尾气预热提高热效率。田中良一等人率先提出高温空气燃烧技术,采用蜂窝陶瓷作为蓄热体,先由烟气加热升温,再向空气放热降温,完成整个周期。现公认的高温空气燃烧空气至少需预热达到800℃以上。日本人的后续技术研发可将空气温度提升到1000℃,仅低于炉温50-100℃,将燃烧区内热氧含量降低至2-4%,大大降低了N0x排放,排烟温度低于150℃,热回收效率达到85%,节能约40%-50%。

高温空气燃烧的特征常见的高温空气燃烧系统如图1中所示。前半个周期内,空气经换向阀进入左侧的燃烧器,经高温的蓄热体传热,空气温度升高至1000-1200℃,进入炉膛与燃料混合,燃烧放热,高温烟气从左侧空气通道进入右侧的燃烧器,向右侧蓄热体放热,将蓄热体加热至1200℃,冷却后的烟气,通常低于200℃再经由换向阀流出,进入烟道排出。一段时间后(30-120s),左侧的蓄热体温度过低,而此时右侧蓄热体已经加热到几乎与热烟气相同的温度,这时换向,烟气改由右侧燃烧器进入,而从左侧流出,当右侧蓄热体降温而左侧蓄热体升温后,再换向,如此重复。基于高温空气燃烧的这些特点,通常应用于排烟温度较高的工业炉中,且一般燃料选择气体或液体,以保证不因粉尘堵塞蓄热体的小孔。

由于入口空气温度的预热(800-1200℃),提高了整个燃烧室温度分布。1)温度上升,加速了自由基的反应,当燃料是液体时,其蒸发和裂解速率也加快,使得整个燃烧反应更快。2)温度提高,有利于反应完全,燃烧效率提高。3)在高温情况下,温度越高辐射传热效果越明显,因此整个炉内换热得到强化,热效率更高。4)空气进口温度和炉内平均温度都达到燃料着火点以上,保证燃烧反应的稳定,不易熄火。5)火焰传播速度提高以及全流场的高温,使得火焰不易吹脱,可以承受更大来流速度,为无焰燃烧的形成创造了有利条件。6)温度场分布更均匀,峰值温度低,因此NOx排放极低。

使用蓄热式高温空气燃烧与传统燃烧方式相比,最大的区别在于添加了蓄热体和换向装置。蓄热体的选择上大量采用蜂窝状材料,而蜂窝状的蓄热体孔隙较小,容易被粉尘堵塞,因此蓄热式高温空气燃烧还不能使用煤粉等固体燃料。换向阀通常无法在高温条件下工作,因此必须保证足够的蓄热体,使烟气在流经蓄热体后降到400℃,不过由于追求高热效率,通常都会将烟气冷却至200℃,更低的可以达到100℃以下,但相应的要增加蓄热体数量和缩短换向时间。

工业应用在工业过程的燃烧中,可采用高温空气燃烧的领域非常多,并在一些领域内已经成功进行,还有一些领域的研究工作也已经在开展中。高温空气燃烧的高效率特点,使得几乎所有直接应用燃烧加热的工业设备都能采用这项技术,而燃烧室温度分布高的特点,使以往无法燃烧的低热值物质都可以正常的燃烧。因此,其应用前景极其广阔。

加热应用,也是开展最为广泛,应用最多的领域:

1)工业炉。最主要的是热处理炉,占到了工业炉应用高温空气燃烧的近一半,其次是加热炉以及熔炉,其他炉型应用比例较小。就行业划分,包括钢铁、机械、有色金属、玻璃、陶瓷等。

2)锅炉。锅炉也是非常重要的燃烧耗能工业设备,在燃油锅炉,尤其是重油锅炉上有良好的应用。高温空气燃烧可以燃烧充分,不冒黑烟,且不易结焦、堵塞。

3)气化。许多工业炉以发生炉煤气作为燃料使用高温空气燃烧技术,煤气化过程中也可以采用高温空气燃烧技术。此外,高温空气燃烧的生物质气化技术也在研究中。

4)燃料重整,如燃料电池和甲烷重整制氢。它们利用的都是超焓燃烧的思想,拓展火焰的贫燃和富燃极限。

5)家用供热。家用热水器也是将来高温空气燃烧发展的一个重要领域。

低热值燃料以及废物处理等环保领域:

1)高炉煤气。高炉煤气是炼铁过程中的副产品,含CO约25%,可以用作燃烧但热值不高,理论燃烧温度低,燃烧不稳定。高温空气燃烧回收烟气预热,实现超焓可以提高燃烧温度,使燃烧稳定并能提供热能。

2)垃圾处理。垃圾经焚烧后体积可减小到之前的10%左右,尤其是医疗垃圾必须经过燃烧处理才可堆放。但垃圾热值极低,燃烧温度低,难以完全烧透,如燃烧温度过低还会大量产生二恶英等剧毒物质,因此往往需要掺混大量的优质燃料以提高燃烧温度。使用高温空气燃烧可以大幅降低煤的消耗甚至不再需要掺煤助燃。

3)环保。矿井乏风瓦斯,甲烷含量低于1%的甲烷,每年仅我国通过煤矿乏风排入大气的甲烷就超过210亿立方以上,造成极大环境破坏(甲烷温室效应为CO2的21倍)。通过超焓燃烧的思想,可以将原本根本无法燃烧的矿井乏风燃烧彻底,将甲烷氧化为温室效应低得CO2,相当于减排2亿吨CO2。2

冷凝壁挂炉燃烧换热结构研究背景燃气壁挂炉具有强大的家庭中央供暖功能,能满足多居室的采暖需求,各个房间能够根据需求随意设定舒适温度,也可根据需要决定某个房间单独关闭供暖,并且能够提供大流量恒温卫生热水,供家庭沐浴、厨房等场所使用。在欧洲,燃气壁挂炉已有近百年历史,是一个非常成熟发达的行业。燃气壁挂炉以其节能、环保、灵活、舒适等优点得到了人们的认可,也成为最流行的采暖方式。国内的壁挂炉市场格局主要由国产、合资、外资三部分组成,国内壁挂炉发展的基础也是基于国外的技术。

在倡导低碳生活的时候,无疑给制造行业的企业提出了更高的要求,即如何低碳生产、如何生产出低碳产品成为了能源领域必然的要求,开发高效节能的冷凝式壁挂炉,已不单是为用户节省开支,而是实现国民经济可持续发展的需要,实现科学发展观的需要。对燃气壁挂炉来说,提高热效率的有效途径有三:①是燃气尽可能多的释放热量;②是换热器尽可能多的吸收热量;③尽可能少的减少各项热量损失。

要使燃气燃烧释放出尽可能多的热量,必须注意两点:一是燃气要完全燃尽。研究指出,为使燃气燃尽需要燃气与空气之间充分、均匀的混合,并提供燃烧所需的充足的氧气;二是需把排烟温度降到烟气露点以下,使烟气中的水蒸气冷凝释放出其潜热,燃气释放出的总热量便增加。

要使换热器尽可能多的吸收热量,有三种方法可供考虑:一是增加换热器面积,尽可能多地布置换热面,这是最简便易行而可靠的方法。二是合理分配辐射与对流受热面。三是增加强化元件。如在水管增加肋片、燃烧室内壁增加针状突起,水道中增加换热槽等。要使壁挂炉尽可能少的减少各项热量损失,就必须控制好排烟损失,化学与物理不完全燃烧损失及各部位的散热损失。

冷凝式壁挂炉的燃气和空气在燃烧前能得到均匀混合并保持稳定的比值,使燃料燃烧充分,同时特殊的换热器结构形式与制作工艺能将排烟温度降到露点以下,烟气中大量水蒸汽冷凝并释放出汽化潜热,热效率比常规设计锅炉高10%以上,具有明显的节能效果。而冷凝式壁挂炉的一个主要特点是在设计工况下烟气中有较多的水蒸汽冷凝,释放出汽化潜热,并使热效率有明显升高。如果烟气中水蒸汽冷凝份额很少,对提高热效率贡献不大,这种设计就没有多大的实际意义了。

研究进展要想设计一个比较优化的冷凝式壁挂炉换热系统和燃烧系统,必须要清楚以下三个方面:首先,要清楚在冷凝式壁挂炉上实现水蒸汽冷凝的条件。水蒸汽的冷凝与换热器冷凝段的热交换过程密切相关。观察高温烟气经冷凝段肋片管换热器的加热过程:烟气首先把热量传递给肋片(加热肋片),肋片再把吸收的热量传递到肋片根部,经管壁最终加热管内的水。所以,在加热过程中必然是烟温大于肋片温度,肿片温度大于水温。要注意,肋片温度不是一个定值,它与肋片上的位置有关。观察烟气出口侧,在肋片根部肋片温度最低,在肋片顶端,肋片温度升高。而在烟气入口侧肋片温度会比出口侧的要高。在冷凝段换热器上由于吸热量小,肋片根部与水温问的温差也小,一般为1~2℃左右。肋片上的温降约为5℃。排烟温度与肋片顶端间的温差在设计中宜大于20℃。按我国供暖规范,供暖热水温度为95℃,回水温度为70℃。按欧洲供暖规范,供暖热水温为75℃,回水温为50℃(当用地板供暖时,热水温度为40℃,回水温度为30℃)。按欧洲规范,取回水温度为50℃。此时,如果仍采用大气式燃烧方式(过剩空气系数α=1.7,露点49℃)与肋片管换热器,则肋片顶端温度便会升到56℃,排烟温度会随之升到70℃附近。均大于烟露点,水蒸气一点也不会冷凝。研究指出:在两用炉上要实现水蒸气冷凝,只有采用完全预混低氧燃烧方式,使过剩空气系数口从1.7降到1.2,露点相应地从49℃提高到54℃,高于回水温度。同时,将肋片管换热器改为光管换热器,使管外壁温度下降到51℃左右。这样,便能满足换热器壁面温度低于烟气露点,出现水蒸气冷凝,实现冷凝运行方式。所以,欧洲的冷凝式两用炉都几乎采用光管换热器,完全预混燃烧器,低氧燃烧。这种做法是为了实现冷凝运行方式而必须采取的措施,而不是其他目的。

正确选定排烟温度设计值是一件重要的事,冷凝式壁挂炉设计时必须仔细权衡热效率的升高与换热材料耗量的增加之间的利弊关系,合理确定一个设计工作点。实验证明当排烟温度为60℃时,水蒸气冷凝放热占壁挂炉输入热量(即燃气低热值)的6%左右,可见,冷凝放热在提高热效率上的作用是很显著的。

铸砂铝式冷凝换热器是在欧洲发展时间最长,品种最多,结构也最复杂的一类冷凝锅炉换热器。由于材料的原因,铝制换热器的壁厚超过不锈钢很多,这可以耐受很高的压力,保证锅炉长期在高压系统内的稳定运行以及锅炉寿命。当前的新款铸铝换热器均为全水冷设计,燃烧窀被水道环绕,没有任何干背设计,有效吸收热量冷却烟气,因而不需要额外的保温材料。对于大功率的商用冷凝锅炉来说,铸铝的换热器只有少数几条平行水道,维护保养非常简单。同时铝材有其独到之处:铝的导热系数是不锈钢的8倍,所以在燃烧室以及水路的设计上给出了较大的余地;在抗腐蚀性上,不锈钢和铝各有特点:众所周知,铝是一种很活泼的金属,在自然条件下在铝材的表面能够形成一层致密的氧化层,可以有效防止酸性腐蚀和氧蚀;虽然铝对碱性腐蚀的抵抗能力不强,但是考虑到冷凝水是酸性污水,而系统循环水一般情况下均添加了抗腐蚀的药剂,所以铝的可靠性还是很高的,长达40年
以上的使用历史也证明了这一点;从原材料价格,加工性和加工成本上来看铝具有绝对的优势:我国在铝矿方面储量丰富,需求不足导致铝材价格长期稳定在较低水平。另外,铝的熔点较低,在高温铸造时拥有很高的流动性,产品的铸造和加工性好,成本低。此冷凝式壁挂炉同样采用了完全预混燃烧器,燃烧过剩空气系数α能降低到1.2,高温烟气自上向下流动,水流自下向上流动,相对不锈钢产品的平滑表面设计,铝制换热器在燃烧室有针状突起,水道中有换热槽,优化换热效果并且有效增加换热器的单位热负载,热效率高达107%(按低热值计算),负荷调节达25%-100%,烟气中CO含量低于1.0x10-4,NOx含量低于6.0x10-5,与常规壁挂炉相比节能10%以上,相应CO2总排放量也减少10%以上。在2008年度,铝制换热器的使用率已经占到了欧洲冷凝锅炉销售量的57%左右,而且欧洲主要厂商的新品研发中均为铸铝式的换热器。这正说明,铸铝式的换热器经过了短暂的低潮以后其一些特点正逐渐为各大生产厂商所认同。

由此可知,冷凝换热器的研制和全预混燃烧技术的研制是实现冷凝技术、低碳生活必不可少的两部份。随着世界范围内对节能环保的呼声越来越高,在采暖行业中,冷凝式壁挂锅炉的研制将是社会发展的一个必然的趋势。为适应行业的发展,越来越多的企业将会加大力度研制冷凝式壁挂锅炉,冷凝技术也必将会有新的突破。3

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学