第二章　燃燒設備及其節能燃燒新技術

第一節　概　述

燃燒是人類獲取能源的主要途徑，世界上80%以上的能源都來自于燃燒。而人類通過燃燒獲得能量的同時，也產生了大量溫室氣體和酸性氣體，這些氣體是造成當今生態環境惡化的重要影響因素。

隨著煤、石油及天然氣等礦物質能源的不斷減少，如何有效和環保地利用現有能源已成為世界普遍關注的大事。

現在，我國已經將保護環境、造福人民作為一項基本國策。而公民的環保意識也是促使環境向有利方向轉化的一支強大的力量。那么，當今我們對環境生態問題的節能燃燒新技術感知度和關注度如何呢？此次，我以“公民的環境生態意識及其測評研究”為主題，對話了一位六零后和一位九零后，從幾個方面初步了解公民的環境生態意識。并且通過查閱相關的文獻資料對公民的環境生態意識及其測評研究有了更加深刻地了解。

一、輝焰燃燒

當煤粉進入分解爐后，懸游于氣流中，經預熱、分解、燃燒發出光和熱，形成一個個小火星，無數的煤粉顆粒便形成無數的迅速燃燒的小火焰。這些小火焰浮游布滿爐內，從整體看，看不見一定輪廓的有形火焰。所以分解爐中煤粉的燃燒并非一般意義的無焰燃燒，而是充滿全爐的無數小火焰組成的燃燒反應。有人把分解爐內的燃燒稱為輝焰燃燒，這主要指分解爐內將料粉或煤粉均勻分散于高溫氣流中，使粉料顆粒受熱達一定溫度后，固體顆粒發出光、熱輻射而呈輝焰。但并不能看到有形的火焰而只見滿爐發光。分解爐內無焰燃燒的優點是燃料均勻分散，能充分利用燃燒空間，不易形成局部高溫。燃燒速率較快，發熱能力較強。

由于分解爐內的煤粉為無焰燃燒，不會形成高溫集中的“火焰”，因而煤只能靠迅速分散與爐內氣流密切接觸，得到所需的氧氣和著火的溫度，才能較好地著火和燃燒。因此煤粉分散性不好或在爐內分布不均是導致煤不能著火或僅部分著火的主要因素。

1. 分解爐內的溫度分布

煤粉噴燃溫度可達1500～1800℃，分解爐內氣流溫度之所以能保持在800～900℃之間，主要是因為燃料與物料混合懸浮在一起，燃料燃燒放出的熱量，立即被料粉分解所吸收，當燃燒快，放熱快時，分解也快；相反，燃燒慢，分解也慢。所以分解反應抑制了燃燒溫度的提高，而將爐內溫度限制在略高于CaCO3平衡分解溫度20～50℃的范圍。

①分解爐的軸向及平面溫度都比較均勻。

②爐內縱向溫度由下而上逐漸升高，但變化幅度不大。

③爐的中心溫度較高，邊緣溫度較低。主要是爐壁散熱、中心料粉稀、邊緣濃所致。

2. 分解爐內的燃燒速率

分解爐內的燃燒速率，影響著分解爐的發熱能力和爐內的溫度，從而影響物料的分解率。燃燒速率快，放熱多，爐內溫度就高，分解速度將加快。反之，分解率將降低。因此加快燃料燃燒的速度，是提高分解爐效能的一個重要問題。

分解爐內的燃燒溫度通常在860～950℃，燃燒過程的性質處于低溫化學動力學控制范圍與高溫擴散控制范圍的交界，因此，影響這兩種過程的影響因素，均對分解爐內的燃燒速率有重要影響。其中影響燃燒速率的化學動力學因素有燃料的種類、性質、溫度、壓力及反應物濃度等，影響擴散燃燒速率的主要因素有爐氣的紊流程度、燃料與氣流的相對速度、燃料的分散度等。

為適當加快燃燒速率，控制好爐溫，一般應注意下列幾個方面。

①選擇適當的燃料加入點并分成幾點加入。

②適當控制燃料的霧化粒度或煤粉細度。

③選擇適當的燃料品種，例如煤粉中含有適當的揮發物，使揮發物與焦炭先后配合燃燒，以達到好的熱效應。

④選擇適當的一次、二次風速以及合適的加料點的位置。

⑤調節燃料加入量以改變燃燒的空氣過剩系數。

3. 分解爐的容積熱負荷

一些分解爐的容積熱負荷見表2-1。由表可見，各類分解爐的容積熱負荷相差較大，它與分解爐中的燃燒速率、氣體速度及爐的結構有關。

4. 分解爐內的傳熱

在分解爐內，由于料粉分散在氣流中，燃燒放出的熱量在很短時間內被物料吸收，既達到高的分解率，又防止了過熱。

（1）分解爐內傳熱的特點　分解爐內的傳熱方式主要為對流傳熱，其次是輻射傳熱。爐內燃料與料粉懸浮于氣流中，燃料燃燒，燃料中的潛熱把氣體加熱至高溫，高溫氣流同時以對流方式傳熱給物料。由于氣固相充分接觸，傳熱速率高。分解爐中燃燒氣體的溫度在900℃左右，其輻射放熱性能沒有回轉窯中燃燒帶的輻射能力大。然而由于爐氣中含有很多固體顆粒，CO2含量也較多，增大了分解爐中氣流的輻射傳熱能力，這種輻射傳熱對促進全爐溫度的均勻極為有利。

（2）懸浮態傳熱　分解爐內傳熱最主要的因素是傳熱面積大大增加，料粉與氣流充分接觸，其傳熱面積即為料粉的比表面積。因此，氣流與料粉的溫度差很小，使料粉的升溫（如750～900℃）瞬間即可完成。也是由于這個原因，燃料放出的大量熱量，能迅速地被碳酸鹽分解吸收而限制了氣體溫度的提高。傳熱（及傳質）速率的提高，使生料的碳酸鹽分解過程由傳熱、傳質的擴散控制過程轉化為分解的化學動力學控制過程。這種極高的懸浮態傳熱、傳質速率與邊燃燒放熱、邊分解吸熱共同形成了分解爐的熱工特點。

（3）分解爐內的氣體運動　分解爐對氣體運動的要求是分解爐內的氣流具有供氧燃燒、浮送物料及作傳熱介質的多重作用。為了獲得良好的燃燒條件及傳熱效果，要求分解爐各部位保持一定的風速，以使燃燒穩定；物料懸浮均勻；為使在一定爐體容積內物料滯留時間長些，則要求氣流在爐內呈旋流或噴騰狀態，以延長燃料燃燒及物料分解的時間；為提高傳熱效率及生產效率又要求氣流有適當高的料粉浮送能力，在加熱分解同樣的物料量時，以減少氣體流量，縮小分解爐的容積，并提高熱的有效利用率。在滿足上述工藝熱工要求的條件下，要求分解爐有較小的流體阻力，以降低系統的動力消耗。概括來說，對分解爐氣體的運動有如下要求。

①適當的速度分布。

②適當的回流及紊流。

③較大的物料浮送能力。

④較小的流體阻力。

分解爐要求一定風速的目的如下。

①保持爐內有適當的氣體流量，以供燃料燃燒所需的氧氣，保持分解爐的發熱能力。

②使噴入爐內的燃料與氣流良好混合，使燃燒穩定、完全。

③使加入爐中的物料能很快分散，均勻懸浮于氣流中，并使氣流有較大的浮送物料的能力。

④使氣流產生回旋運動，使其中的料粉及燃料在爐內滯留一定時間，使燃燒、傳熱及分解反應達到一定要求。

二、燃氣燃燒器結構分析與特點

燃氣燃燒器具有熱效率高、安全性能好、可靠性強、自動化程度高、操作簡單、維護方便、噪聲低等優點。燃氣燃燒器分為：擴散式燃氣燃燒器；部分預混（大氣式）燃氣燃燒器；動力式燃氣燃燒器。其中大氣式燃燒又分為自然引射式和鼓風式。

1. 燃氣燃燒器特點

①熱效率高：能適應壓力波動，自行調節一次配風（即燃氣壓力大，吸入一次風多；燃氣壓力小，吸入一次風少），燃燒充分，熱效率高。

②安全性高：該燃燒器配備小火。鍋爐啟動時，先點小火，當小火正常穩定燃燒時，自控系統才打開主燃氣閥門，燃料才能進入鍋爐正常燃燒，不會產生爆燃現象。

③燃料適應性強：該種燃燒器只需更換少量部件就能適用于天然氣、液化石油氣、煤氣、液化石油混合氣以及其他類燃氣。

2. 燃氣燃燒器燃氣閥門組

本鍋爐可直接接入低壓力燃氣管道，不需要調壓站。其燃氣閥門為低壓閥門。燃氣閥門由三部分組成：

①手動閥門；

②24V電動閥門；

③燃氣壓力調節閥（某些型號鍋爐電動閥門與壓力調節閥門為同一個閥）。

可根據用戶要求另外設置燃氣最高壓力開關、燃氣最低壓力開關；燃氣壓力調節閥要求閥前壓力127～279.4mmH2O，閥門壓力不低于88.9mmH2O。液化石油氣閥門壓力要求279.4mmH2O。

三、燃氣燃燒器斷氣保護裝置

燃氣管道上設置有最高壓力開關和最低壓力開關，當斷氣或燃氣壓力降低到某一值時，最低壓力開關啟動，系統自動關閉；當燃氣壓力過高時，最高壓力開關啟動，系統自動關閉。燃氣燃燒器斷氣保護裝置是如燃氣燃燒器一般保持燒結工序的熱量平衡（見圖2-1）。

四、富氧燃燒器

通常空氣中氧的含量為20.93%、氮為78.1%及少量惰性氣體等，在昆明地區空氣中氧的含量約為20.8%，在燃燒過程中只占有空氣總量的1/5左右的氧參與燃燒，而占空氣總量約4/5的氮和其他惰性氣體非但不助燃，反而將隨煙氣帶走大量的熱能。而含氧量大于21%的富氧空氣參與燃燒給燃燒提供了足夠的氧氣，使可燃物充分燃燒，減少了固體不完全燃燒的排放，減少了氮和其他惰性氣體隨煙氣帶走的熱能。將具有明顯的節能和環保效應。

變壓吸附富氧技術是非常適合各種鍋爐、窖爐做助燃用途的高新技術，它具有流程簡單、體積小、自身能耗低、使用壽命長、投資較少等特點，被工業發達國家稱之為“資源的創造性技術”。

1. 富氧燃燒分析

助燃空氣中氧濃度越高，燃料燃燒越完全，但富氧濃度太高，會導致火焰溫度太高而降低爐膛受熱面的壽命，同時制氧投資等費用增高，綜合效益反而下降。因此國內外研究均表明，助燃空氣富氧濃度一般在26%～30%時為最佳。

（1）據測試氧含量增加4%～5%，火焰溫度可升高200～300℃。火焰溫度的升高，促進整個爐膛溫度的上升，爐膛受熱物質更容易獲得熱量，熱效率大幅提高。

（2）燃料在空氣中燃燒與在純氧中的燃燒速率相差甚大，如氫氣在空氣中的燃燒速率最大為280cm/s，在純氧中為1175cm/s，是在空氣中的4.2倍，天然氣則高達10.7倍。富氧助燃，可以使燃燒強度提高、燃燒速率加快，從而獲得較好的熱傳導，使燃料燃燒得更完全。

（3）燃料的燃點溫度不是一個常數，它與燃燒狀況、受熱速度、富氧用量、環境溫度等密切相關，如CO在空氣中為609℃，在純氧中僅388℃，所以用富氧助燃能降低燃料燃點，提高火焰強度、減小火焰尺寸、增加釋放熱量等。

（4）用普通空氣助燃，約4/5的氮氣不但不參與助燃，還要帶走大量的熱量。一般氧濃度每增加1%，煙氣量約下降2%～4.5%，從而能提高燃燒效率。

（5）如用普通空氣助燃，當爐膛溫度為1300℃時，其可利用的熱量為42%；而用26%的富氧空氣助燃時，可利用熱量為56%，熱量利用率可增加14%。

（6）排煙溫度每降低12～15℃，可降低排煙熱損失約1%，用富氧代替空氣助燃，可減少一次風量，降低了空氣的過剩系數，減少了排煙量，降低了排煙熱損失。

2. 節能燃燒器

節能燃燒器是在普通燃氣灶具的基礎上，大膽創新發明的一種新型燃燒器（見圖2-2）。防銹材料，小巧玲瓏，重量只有傳統灶頭的十分之一，大大降低了自身吸熱和散熱，減少了傳統鑄鐵爐芯爐盤的導熱環節，降低了熱能的大量損耗。

①減少自身吸熱　傳統灶具燃燒盤和總成采用鑄鐵鑄造，火焰又是從燃燒盤里射出，自身消耗大量熱量（停止燃燒后，滴上幾滴水到發熱盤上，馬上就變成水蒸氣，并且發出“哧哧”的響聲）；而節能燃燒器，采用懸浮式燃燒原理，灶體自身不吸熱，熱損失幾乎為零。

②縮短了火焰的燃燒距離　傳統灶具的火焰從燃燒盤噴射到鍋底有一定距離，有的長達5cm以上。長距離的燃燒，熱能通過空氣流失，到達鍋底后大打折扣，致使室溫升高；節能燃燒器則是將小拇指粗的火焰噴發至鍋底后開始散開，火焰到鍋底的距離不超過1.5cm，距鍋邊不超過1cm，通過空氣散熱很少，能量利用率高，燃燒時廚房室溫變化不大。

③控制燃氣輸出量　原灶具有兩個出氣風口，屬雙管供氣；而節能灶頭只需一個孔，將另一個孔堵上。因為燃燒充分，替代了原灶頭的外圈火焰，燃燒時間也相對縮短，所以不用燃氣表檢測，功效也能一目了然。

a.后混（普通爐頭），不節能。

b.預混型（先混合后燃燒），節能20%以上。

c.預混型加后混型，節能25%以上。

d.預混預處理加后混型，節能30%以上。

3. 技術說明

①燃氣預混技術，使燃氣與氧氣按一定比例充分混合后燃燒。

②微火種技術：小氣量火種，一點就著，不易熄滅。相當于防空燒。

③仿氧焊切割火焰調節技術：火焰形成倒梯形仿氧焊切割火焰形狀均勻地分布于鍋底，提高鍋底對熱能的吸收。

4. 節能燃燒器適用范圍

節能燃燒器適用于酒店、餐館、院校、工廠企業等行業領域，以及對原有傳統爐灶節能工程技術改造安裝，主要用于：小炒爐、大炒爐、湯爐、烤爐、蒸爐、蒸柜爐灶的安裝。其也可適用于天然氣、油制氣、液化氣各種燃氣爐具的安裝。