浅谈蓄热式燃嘴的设计与应用

摘 要：本文介绍蓄热室几个主要组成，以及蓄热式燃烧器原理及设计应用。

1 前言

随着国民经济的迅猛发展，对能源的需求不断增加，因此对节能减排的要求越来越高。高效蓄热式烧嘴做为一种新型节能环保燃烧装置得到了广泛普及和推广。高效蓄热式烧嘴是一种新型高效节能、环保燃烧装置，该烧嘴工作时可使空气预热温度接近烟气入口温度（1000℃以上），排烟温度可降至250℃以下，热回收率80%以上，在工业炉窑上使用可节约燃料55%左右，比一般间壁式余热回收装置多节约燃料25～30%，从而使炉子的热效率大幅提高。由于空气预热温度提高，所以火焰温度也在相应提高，火焰辐射能力加大，加热速度变快，工业炉窑的生产效率可提高10～15%。由于以上原因，炉子的废气量减少，环保效果十分明显。蓄热式烧嘴使用过程中点火方便，燃烧完全、火焰稳定、铺展性好，在以油为燃料时，蓄热过程油路断开，雾化介质常通，所以不结焦。蓄热式烧嘴适合于冶金、石化、建材、机械等行业中的加热炉、熔化炉及热处理炉。

2 蓄热式烧嘴简介

蓄热式烧嘴主要由蓄热室、蓄热体、天燃气烧嘴、点火枪、UV火焰监测器等组成。通过空燃比优化设计，使燃烧更充分，最大限度的节约燃料。蓄热体采用陶瓷小球，阻力小，便于拆下清洗，反复使用，蓄热效率高。两台蓄热式烧嘴（2支烧嘴）组成一对使用。

2.1烧嘴

烧嘴采用空气、天然气组合式， 由空气蓄热室、天然气烧嘴组合而成，蓄热式烧嘴的设计既要考虑低热值燃气的燃烧混合问题， 又要保证天然气的完全燃尽， 同时实现炉膛温度的均匀性， 因此采用双流动蓄热式烧嘴形式。

燃烧喷口是燃烧系统的关键部位， 合理的燃烧组织有赖于此， 在燃烧组织上既要确保燃气在炉内充分燃烧， 不会在对面的蓄热体内继续燃烧而对其造成损坏， 同时又要合理促成低氧燃烧的实现， 避免出现局部的高温过热； 既强化炉温的均匀性， 减少NOx等有害气体的生成， 又减小高温下脱碳的发生。因此，在喷口设计上要选择最优的气体出口速度和混合喷射角度。

燃料在喷口处边混合边燃烧， 空气、天然气在喷出过程中卷入周围的炉气， 稀释空煤气浓度， 低氧燃烧， 使烟气中NOx的产生大大降低，减少了有害气体的排放量。

2.2 蓄热体

蓄热体小球材料一般为：高铝质、莫来石质。据资料显示陶瓷小球蓄热体的各项指标如下：

比表面积：最佳为190～250m2/m3，球径最佳为：15～20m；

蓄热体高度：对直径15mm的陶瓷球蓄热体高度600mm以上

对直径25mm的陶瓷球蓄热体高度700mm以上

对直径35mm的陶瓷球蓄热体高度800mm以上

2.3 换向部分

换向过程描述：假设初始状态是在A位燃烧，则换向信号到来时，马上关闭A位燃气快断阀，延时1秒将空气三通换向阀切换到空气通向B位燃烧的阀位，再延时1秒后打开B位燃气快断阀，到此完成一次换向周期。再次换向信号到来时，状态反之。

2.4温度控制部分

本控制系统的温度控制完全由手动人工设定，根据熔铝加热升温曲线进行自动控制。

2.5炉压控制部分

当炉压过高时，通过对炉膛压力的检测信号来增大烟气调节阀的开度，加大排烟量；当炉压过低时，通过对炉膛压力的检测信号来减小烟气调节阀的开度，减少排烟量。

2.6系统报警部分

如果在给出打开或关闭空气四通换向阀的驱动信号5秒后，仍无阀位反馈则判为换向不到位，相应的位置指示灯闪烁，同时蜂鸣器发声，产生换向不到位报警信号。

当排烟温度超过设定的温度时换向系统强行换向并且发出声音报警。排烟温度高指示灯闪烁。

3 蓄热式烧嘴工作原理

蓄热式烧嘴又称单预热陶瓷球蓄热式烧嘴。这种烧嘴采用陶瓷蜂小球作为蓄热体，空气与燃料气流斜交混合。其工作原理，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，在经过蓄热式烧嘴B陶瓷球时被加热，在极短的时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉温低50-100℃），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2-20%）状态下实现燃烧；与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式烧嘴A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式烧嘴A时，将显热储存在蓄热式烧嘴内，然后以低于250℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，从而达到节能和降低NOx排放量等目的，常用的切换周期为30-200秒。如此周而复始变换，通过蓄热体这一媒介，排出的烟气余热绝大部分转换成燃烧介质的物理热，被充分回收利用。

蓄热小球的使用寿命为1～2年。视使用情况可清理。将小球由出球口去出。用压缩空气吹干净后再重新装入蓄热箱内使用即可。

4 蓄热室的设计计算

4.1一个周期内预热空气所需要热量：

Qk=Vk（C"k t"k- C'k t'k）Zk kJ/h

式中 Vk ――助燃空气量，m3/h

Zk ―― 换向周期，h

C"k，C'k ―― 空气比热容，kJ/（kg・℃）

t'k ，t"k ―― 空气进出口温度，℃

4.2出蓄热室烟气温度：

t"k=[C'y t'y- Qy/（Vy Zyη）]/ C"y， ℃

式中 Vy ――进入蓄热室烟气量，m3/h

Zy――换向周期，h

C"k，C'k ――烟气比热容，kJ/（kg・℃）

η―― 蓄热室热效率，η=0.9～0.95

t'k ，t"k ――烟气进出口温度，℃

Qy ―― 烟气放出热量，kJ/h

4.3对数平均温差：td， ℃

td = ts/tz ，ts= t'y- t"k ，ty= t"y- t"k ， ℃

4.4综合换热系数K：30～100W/（m2・℃） （球型蓄热体）

4.5蓄热室换热面积：S =0.9 Qy/（Ktd），m2

4.6蓄热室横截面积：A = Vy/Uy，烟气通过蓄热室横截面流速Uy：0.8～1.64Nm/s

4.7蓄热室装球高度：H = S/[A・Fb]，比表面积Fb：190～250m2/m3，m

4.8蓄热室装球重量：G = 0.524HAρ球，kg

式中ρ球――球型蓄热体密度，kg/m3

5 结语

蓄热室的设计是跟你换热计算方式，以烟气和空气在一个周期内的平均温度为特性温度。设定被预热空气的出口温度，计算一个周期内空气所需的热量；按热量平衡计算出高温烟气的出口温度，验证预热空气出口温度是否满足要求；计算对数平均温差；为了减少计算繁琐根据资料和经验选取综合换热系数；根据热交换量和综合换热系数计算出蓄热室换热面积，计算蓄热室装球重量；最终计算蓄热室几何尺寸。

国内蓄热式燃烧嘴发展很快， 现在还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的， 都多少存在一些问题， 蓄热体的寿命、烧嘴的寿命都有待提高等， 总之蓄热式燃烧技术是一种新概念的燃烧技术，它把回收余热与高效燃烧及降低NOX排放等技术有机地结合起来从而实现了节能和降低NOX排放量的双重标准。其发展前景是大有可为的。■

参考文献

1机械工业部设计研究院.工业炉设计手册. 北京.机械工业出版社，