燃燒換熱

提高化石能源的利用效率是最直接有效緩解全球能源危機的途徑之一。單從燃燒領域而言，若將燃燒換熱效率提高12.5%，可等同所有核能和其他能源的總和，這一大趨勢在今後一段時間內不會改變。伴隨著環境的惡化，降低污染同時成為燃燒技術的又一發展方向。

基本介紹

• 中文名：燃燒換熱
• 外文名：Burning heat
• 作用：提高燃燒熱效率
• 套用：燃燒過程計算
• 學科：熱力學

概念

人類在提高燃燒效率並降低污染方面做出了不懈的努力，發展出多種燃燒技術。如1937年便開始的分級燃燒，將空氣分兩次或多次送入爐膛與燃料混合燃燒，避免火焰集中形成，主要為降低污染，但會降低燃燒強度，還可能降低效率。為燃燒垃圾和一些劣質燃料，又開發出流化床燃燒技術，然而形成流化狀態需要大量鼓風，能耗較大，並且燃燒溫度不高，且僅適合固體顆粒燃燒。在全球溫室效應的大背景下，為解決CO₂減排，又研發出富氧燃燒技術，並配套CO₂捕捉封存技術(CCS)，由於超過通常空氣中21%含量的氧氣濃度，所以燃燒更易組織且溫度更高，但往往會因局部溫度過高生成大量NO_x，且由於高昂的制氧成本，使其還無法成功商業運行。

Weinberg於1971年首次提出了熱再循環(heat recirculating)技術，即將燃燒所釋放出的能量來預熱反應物，提高反應初溫，可以有效的提高反應溫度，增加燃燒強度，尤其利於燃燒低熱值燃料。由於引入了外在的能量，所以這一思想被稱為超焓燃燒(excess enthalpy combustion)，字面意思是額外的焓的燃燒，所謂額外的焓是指本應隨高溫熱煙氣排放掉的能量，而將這部分能量用於加熱反應物，就回收了這部分能量。不僅提高了熱效率，而且提升了整個反應區的溫度，最主要的好處是使得原本無法正常燃燒低熱值燃料得到了套用價值。

超焓燃燒思想示意圖

高溫空氣燃燒換熱特性研究

80年代，日本人發現高爐、鍛造爐等工業設備尾氣溫度很高，於是希望回收尾氣預熱提高熱效率。田中良一等人率先提出高溫空氣燃燒技術，採用蜂窩陶瓷作為蓄熱體，先由煙氣加熱升溫，再向空氣放熱降溫，完成整個周期。現公認的高溫空氣燃燒空氣至少需預熱達到800℃以上。日本人的後續技術研發可將空氣溫度提升到1000℃，僅低於爐溫50-100℃，將燃燒區內熱氧含量降低至2-4%，大大降低了N0_x排放，排煙溫度低於150℃，熱回收效率達到85%，節能約40%-50%。

高溫空氣燃燒的特徵

常見的高溫空氣燃燒系統如圖1中所示。前半個周期內，空氣經換向閥進入左側的燃燒器，經高溫的蓄熱體傳熱，空氣溫度升高至1000-1200℃，進入爐膛與燃料混合，燃燒放熱，高溫煙氣從左側空氣通道進入右側的燃燒器，向右側蓄熱體放熱，將蓄熱體加熱至1200℃，冷卻後的煙氣，通常低於200℃再經由換向閥流出，進入煙道排出。一段時間後(30-120s)，左側的蓄熱體溫度過低，而此時右側蓄熱體已經加熱到幾乎與熱煙氣相同的溫度，這時換向，煙氣改由右側燃燒器進入，而從左側流出，當右側蓄熱體降溫而左側蓄熱體升溫後，再換向，如此重複。基於高溫空氣燃燒的這些特點，通常套用於排煙溫度較高的工業爐中，且一般燃料選擇氣體或液體，以保證不因粉塵堵塞蓄熱體的小孔。

圖1 蓄熱式高溫空氣燃燒示意圖

由於入口空氣溫度的預熱(800-1200℃)，提高了整個燃燒室溫度分布。1)溫度上升，加速了自由基的反應，當燃料是液體時，其蒸發和裂解速率也加快，使得整個燃燒反應更快。2)溫度提高，有利於反應完全，燃燒效率提高。3)在高溫情況下，溫度越高輻射傳熱效果越明顯，因此整個爐內換熱得到強化，熱效率更高。4)空氣進口溫度和爐內平均溫度都達到燃料著火點以上，保證燃燒反應的穩定，不易熄火。5)火焰傳播速度提高以及全流場的高溫，使得火焰不易吹脫，可以承受更大來流速度，為無焰燃燒的形成創造了有利條件。6)溫度場分布更均勻，峰值溫度低，因此NO_x排放極低。

使用蓄熱式高溫空氣燃燒與傳統燃燒方式相比，最大的區別在於添加了蓄熱體和換向裝置。蓄熱體的選擇上大量採用蜂窩狀材料，而蜂窩狀的蓄熱體孔隙較小，容易被粉塵堵塞，因此蓄熱式高溫空氣燃燒還不能使用煤粉等固體燃料。換向閥通常無法在高溫條件下工作，因此必須保證足夠的蓄熱體，使煙氣在流經蓄熱體後降到400℃，不過由於追求高熱效率，通常都會將煙氣冷卻至200℃，更低的可以達到100℃以下，但相應的要增加蓄熱體數量和縮短換向時間。

工業套用

在工業過程的燃燒中，可採用高溫空氣燃燒的領域非常多，並在一些領域內已經成功進行，還有一些領域的研究工作也已經在開展中。高溫空氣燃燒的高效率特點，使得幾乎所有直接套用燃燒加熱的工業設備都能採用這項技術，而燃燒室溫度分布高的特點，使以往無法燃燒的低熱值物質都可以正常的燃燒。因此，其套用前景極其廣闊。

加熱套用，也是開展最為廣泛，套用最多的領域：

1)工業爐。最主要的是熱處理爐，占到了工業爐套用高溫空氣燃燒的近一半，其次是加熱爐以及熔爐，其他爐型套用比例較小。就行業劃分，包括鋼鐵、機械、有色金屬、玻璃、陶瓷等。

2)鍋爐。鍋爐也是非常重要的燃燒耗能工業設備，在燃油鍋爐，尤其是重油鍋爐上有良好的套用。高溫空氣燃燒可以燃燒充分，不冒黑煙，且不易結焦、堵塞。

3)氣化。許多工業爐以發生爐煤氣作為燃料使用高溫空氣燃燒技術，煤氣化過程中也可以採用高溫空氣燃燒技術。此外，高溫空氣燃燒的生物質氣化技術也在研究中。

4)燃料重整，如燃料電池和甲烷重整制氫。它們利用的都是超焓燃燒的思想，拓展火焰的貧燃和富燃極限。

5)家用供熱。家用熱水器也是將來高溫空氣燃燒發展的一個重要領域。

低熱值燃料以及廢物處理等環保領域：

1)高爐煤氣。高爐煤氣是煉鐵過程中的副產品，含CO約25%，可以用作燃燒但熱值不高，理論燃燒溫度低，燃燒不穩定。高溫空氣燃燒回收煙氣預熱，實現超焓可以提高燃燒溫度，使燃燒穩定並能提供熱能。

2)垃圾處理。垃圾經焚燒後體積可減小到之前的10%左右，尤其是醫療垃圾必須經過燃燒處理才可堆放。但垃圾熱值極低，燃燒溫度低，難以完全燒透，如燃燒溫度過低還會大量產生二惡英等劇毒物質，因此往往需要摻混大量的優質燃料以提高燃燒溫度。使用高溫空氣燃燒可以大幅降低煤的消耗甚至不再需要摻煤助燃。

3)環保。礦井乏風瓦斯，甲烷含量低於1%的甲烷，每年僅我國通過煤礦乏風排入大氣的甲烷就超過210億立方以上，造成極大環境破壞(甲烷溫室效應為CO₂的21倍)。通過超焓燃燒的思想，可以將原本根本無法燃燒的礦井乏風燃燒徹底，將甲烷氧化為溫室效應低得CO₂，相當於減排2億噸CO₂。

冷凝壁掛爐燃燒換熱結構

研究背景

燃氣壁掛爐具有強大的家庭中央供暖功能，能滿足多居室的採暖需求，各個房間能夠根據需求隨意設定舒適溫度，也可根據需要決定某個房間單獨關閉供暖，並且能夠提供大流量恆溫衛生熱水，供家庭沐浴、廚房等場所使用。在歐洲，燃氣壁掛爐已有近百年歷史，是一個非常成熟發達的行業。燃氣壁掛爐以其節能、環保、靈活、舒適等優點得到了人們的認可，也成為最流行的採暖方式。國內的壁掛爐市場格局主要由國產、合資、外資三部分組成，國內壁掛爐發展的基礎也是基於國外的技術。

大氣式燃燒方式+二次換熱器

在倡導低碳生活的時候，無疑給製造行業的企業提出了更高的要求，即如何低碳生產、如何生產出低碳產品成為了能源領域必然的要求，開發高效節能的冷凝式壁掛爐，已不單是為用戶節省開支，而是實現國民經濟可持續發展的需要，實現科學發展觀的需要。對燃氣壁掛爐來說，提高熱效率的有效途徑有三：①是燃氣儘可能多的釋放熱量；②是換熱器儘可能多的吸收熱量；③儘可能少的減少各項熱量損失。

要使燃氣燃燒釋放出儘可能多的熱量，必須注意兩點：一是燃氣要完全燃盡。研究指出，為使燃氣燃盡需要燃氣與空氣之間充分、均勻的混合，並提供燃燒所需的充足的氧氣；二是需把排煙溫度降到煙氣露點以下，使煙氣中的水蒸氣冷凝釋放出其潛熱，燃氣釋放出的總熱量便增加。

要使換熱器儘可能多的吸收熱量，有三種方法可供考慮：一是增加換熱器面積，儘可能多地布置換熱面，這是最簡便易行而可靠的方法。二是合理分配輻射與對流受熱面。三是增加強化元件。如在水管增加肋片、燃燒室內壁增加針狀突起，水道中增加換熱槽等。要使壁掛爐儘可能少的減少各項熱量損失，就必須控制好排煙損失，化學與物理不完全燃燒損失及各部位的散熱損失。

冷凝式壁掛爐的燃氣和空氣在燃燒前能得到均勻混合併保持穩定的比值，使燃料燃燒充分，同時特殊的換熱器結構形式與製作工藝能將排煙溫度降到露點以下，煙氣中大量水蒸汽冷凝並釋放出汽化潛熱，熱效率比常規設計鍋爐高10%以上，具有明顯的節能效果。而冷凝式壁掛爐的一個主要特點是在設計工況下煙氣中有較多的水蒸汽冷凝，釋放出汽化潛熱，並使熱效率有明顯升高。如果煙氣中水蒸汽冷凝份額很少，對提高熱效率貢獻不大，這種設計就沒有多大的實際意義了。

研究進展

要想設計一個比較最佳化的冷凝式壁掛爐換熱系統和燃燒系統，必須要清楚以下三個方面：首先，要清楚在冷凝式壁掛爐上實現水蒸汽冷凝的條件。水蒸汽的冷凝與換熱器冷凝段的熱交換過程密切相關。觀察高溫煙氣經冷凝段肋片管換熱器的加熱過程：煙氣首先把熱量傳遞給肋片(加熱肋片)，肋片再把吸收的熱量傳遞到肋片根部，經管壁最終加熱管內的水。所以，在加熱過程中必然是煙溫大於肋片溫度，腫片溫度大於水溫。要注意，肋片溫度不是一個定值，它與肋片上的位置有關。觀察煙氣出口側，在肋片根部肋片溫度最低，在肋片頂端，肋片溫度升高。而在煙氣入口側肋片溫度會比出口側的要高。在冷凝段換熱器上由於吸熱量小，肋片根部與水溫問的溫差也小，一般為1~2℃左右。肋片上的溫降約為5℃。排煙溫度與肋片頂端間的溫差在設計中宜大於20℃。按我國供暖規範，供暖熱水溫度為95℃，回水溫度為70℃。按歐洲供暖規範，供暖熱水溫為75℃，回水溫為50℃(當用地板供暖時，熱水溫度為40℃，回水溫度為30℃)。按歐洲規範，取回水溫度為50℃。此時，如果仍採用大氣式燃燒方式(過剩空氣係數α=1.7，露點49℃)與肋片管換熱器，則肋片頂端溫度便會升到56℃，排煙溫度會隨之升到70℃附近。均大於煙露點，水蒸氣一點也不會冷凝。研究指出：在兩用爐上要實現水蒸氣冷凝，只有採用完全預混低氧燃燒方式，使過剩空氣係數口從1.7降到1.2，露點相應地從49℃提高到54℃，高於回水溫度。同時，將肋片管換熱器改為光管換熱器，使管外壁溫度下降到51℃左右。這樣，便能滿足換熱器壁面溫度低於煙氣露點，出現水蒸氣冷凝，實現冷凝運行方式。所以，歐洲的冷凝式兩用爐都幾乎採用光管換熱器，完全預混燃燒器，低氧燃燒。這種做法是為了實現冷凝運行方式而必須採取的措施，而不是其他目的。

正確選定排煙溫度設計值是一件重要的事，冷凝式壁掛爐設計時必須仔細權衡熱效率的升高與換熱材料耗量的增加之間的利弊關係，合理確定一個設計工作點。實驗證明當排煙溫度為60℃時，水蒸氣冷凝放熱占壁掛爐輸入熱量(即燃氣低熱值)的6%左右，可見，冷凝放熱在提高熱效率上的作用是很顯著的。

鑄砂鋁式冷凝換熱器是在歐洲發展時間最長，品種最多，結構也最複雜的一類冷凝鍋爐換熱器。由於材料的原因，鋁製換熱器的壁厚超過不鏽鋼很多，這可以耐受很高的壓力，保證鍋爐長期在高壓系統內的穩定運行以及鍋爐壽命。當前的新款鑄鋁換熱器均為全水冷設計，燃燒窀被水道環繞，沒有任何乾背設計，有效吸收熱量冷卻煙氣，因而不需要額外的保溫材料。對於大功率的商用冷凝鍋爐來說，鑄鋁的換熱器只有少數幾條平行水道，維護保養非常簡單。同時鋁材有其獨到之處：鋁的導熱係數是不鏽鋼的8倍，所以在燃燒室以及水路的設計上給出了較大的餘地；在抗腐蝕性上，不鏽鋼和鋁各有特點：眾所周知，鋁是一種很活潑的金屬，在自然條件下在鋁材的表面能夠形成一層緻密的氧化層，可以有效防止酸性腐蝕和氧蝕；雖然鋁對鹼性腐蝕的抵抗能力不強，但是考慮到冷凝水是酸性污水，而系統循環水一般情況下均添加了抗腐蝕的藥劑，所以鋁的可靠性還是很高的，長達40年
以上的使用歷史也證明了這一點；從原材料價格，加工性和加工成本上來看鋁具有絕對的優勢：我國在鋁礦方面儲量豐富，需求不足導致鋁材價格長期穩定在較低水平。另外，鋁的熔點較低，在高溫鑄造時擁有很高的流動性，產品的鑄造和加工性好，成本低。此冷凝式壁掛爐同樣採用了完全預混燃燒器，燃燒過剩空氣係數α能降低到1.2，高溫煙氣自上向下流動，水流自下向上流動，相對不鏽鋼產品的平滑表面設計，鋁製換熱器在燃燒室有針狀突起，水道中有換熱槽，最佳化換熱效果並且有效增加換熱器的單位熱負載，熱效率高達107%(按低熱值計算)，負荷調節達25%-100%，煙氣中CO含量低於1.0x10^-4，NO_x含量低於6.0x10^-5，與常規壁掛爐相比節能10%以上，相應CO₂總排放量也減少10%以上。在2008年度，鋁製換熱器的使用率已經占到了歐洲冷凝鍋爐銷售量的57%左右，而且歐洲主要廠商的新品研發中均為鑄鋁式的換熱器。這正說明，鑄鋁式的換熱器經過了短暫的低潮以後其一些特點正逐漸為各大生產廠商所認同。

由此可知，冷凝換熱器的研製和全預混燃燒技術的研製是實現冷凝技術、低碳生活必不可少的兩部份。隨著世界範圍內對節能環保的呼聲越來越高，在採暖行業中，冷凝式壁掛鍋爐的研製將是社會發展的一個必然的趨勢。為適應行業的發展，越來越多的企業將會加大力度研製冷凝式壁掛鍋爐，冷凝技術也必將會有新的突破。