摘 "要：彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)是一種既節(jié)能又具備超低NOx排放的燃燒技術(shù)。此技術(shù)利用爐子內(nèi)裝物料的爐膛空間作為燃燒室，其缺點(diǎn)是在爐膛堆滿物料時(shí)，系統(tǒng)面臨燃燒不充分、生產(chǎn)速度低下、破壞設(shè)備正常工作甚至爆燃等問(wèn)題。本研究提供一種增加擴(kuò)張口的技術(shù)方案，解決彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)的上述問(wèn)題，促進(jìn)彌散式燃燒防堵塞穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：燃燒技術(shù)；彌散式燃燒；蓄熱式燃燒；NOx排放；堵塞；擴(kuò)張口

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求持續(xù)增加，節(jié)能與環(huán)保成為可持續(xù)發(fā)展的重要政策。工業(yè)燃燒技術(shù)作為工業(yè)生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，其優(yōu)化和改進(jìn)對(duì)提高能源利用效率和減少環(huán)境污染具有重要意義。眾所周知，傳統(tǒng)工業(yè)燃燒系統(tǒng)，特別是高溫工業(yè)爐窯的燃燒系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的大氣污染物NOx。要處理燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生的NOx必須要相關(guān)的脫銷設(shè)備，這些設(shè)備需要消耗能源和其他物資，進(jìn)一步派生污染。本研究提出了一種防堵塞彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)氣流通道和火口通道的設(shè)計(jì)，在通道與爐膛的交接處增加擴(kuò)張口，防止物料堵塞通道。

1.燃燒技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)狀

燃燒技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其發(fā)展直接關(guān)系到能源利用效率和環(huán)境保護(hù)效果。目前，燃燒技術(shù)主要包括預(yù)混式燃燒、擴(kuò)散式燃燒、彌散式燃燒三種主要類型。預(yù)混式燃燒技術(shù)通過(guò)在燃燒器點(diǎn)火前將燃料和助燃空氣均勻混合，實(shí)現(xiàn)了高燃燒速度和高火焰強(qiáng)度，但由于局部高溫導(dǎo)致大量NOx排放，成為大氣污染的主要原因之一。擴(kuò)散式燃燒技術(shù)通過(guò)燃料在空氣中的擴(kuò)散產(chǎn)生燃燒，具有燃燒穩(wěn)定、NOx排放少等優(yōu)點(diǎn)，但燃燒速度較慢，火焰強(qiáng)度低，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。彌散式燃燒技術(shù)通過(guò)高速度助燃空氣射流，將燃料與空氣分開(kāi)注入爐內(nèi)，稀釋燃燒區(qū)的氧氣濃度，實(shí)現(xiàn)低氧氣氛下的燃燒，這種方式不僅能有效降低NOx排放，還能提高燃燒效率。然而，彌散式燃燒技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著物料堵塞和燃燒效率下降等問(wèn)題，影響推廣應(yīng)用。為了克服這些缺陷，防堵塞彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)改進(jìn)氣流通道和火口通道設(shè)計(jì)，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，代表了燃燒技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展方向[1]。

蓄熱式燃燒技術(shù)是一種余熱回收加熱助燃空氣的技術(shù)，利用蓄熱器存儲(chǔ)尾氣熱量和釋放存儲(chǔ)的熱量加熱助燃空氣，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能效果。蓄熱式燃燒技術(shù)和彌散式燃燒技術(shù)結(jié)合形成的彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)（如圖1），具有節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)，正在工業(yè)領(lǐng)域特別是冶金行業(yè)冶金爐上快速推廣。

2.現(xiàn)有燃燒技術(shù)的缺陷

盡管燃燒技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍存在一些缺陷，影響其廣泛應(yīng)用和效果。預(yù)混式燃燒技術(shù)雖然燃燒速度快、火焰強(qiáng)度高，但燃燒過(guò)程中局部溫度過(guò)高，導(dǎo)致大量NOx排放，成為大氣污染的重要來(lái)源。此外，局部高溫還加速了爐體和爐墻的損耗，增加了維護(hù)成本。擴(kuò)散式燃燒技術(shù)則因燃燒速度慢、火焰強(qiáng)度低而受到限制，盡管NOx排放較低，但難以滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高效加熱的需求[2]。彌散式燃燒技術(shù)雖然能夠在低氧氣氛中燃燒，有效降低NOx排放，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨物料堵塞等問(wèn)題（如圖2），導(dǎo)致燃燒不充分、燃燒效率下降、運(yùn)行不穩(wěn)定，尤其在熔鋁爐、鋼包烘烤器、鋼鐵加熱爐等工業(yè)應(yīng)用中，物料堆積后產(chǎn)生的燃燒效率低下、系統(tǒng)爆燃、能耗上升、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，影響了彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)的燃燒和余熱回收性能。

圖2是彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)裝滿物料時(shí)，過(guò)燒嘴中心線的垂面剖視圖，顯而易見(jiàn)，物料堵塞會(huì)導(dǎo)致彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)一系列問(wèn)題。

3.防堵塞彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)

3.1 "系統(tǒng)組成

防堵塞圓形爐彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)（圖3）的設(shè)計(jì)旨在提升燃燒效率和避免常見(jiàn)的堵塞問(wèn)題，主要組成部分包括爐墻（2）、爐膛（1）、氣流通道（5）、火口通道（6）和擴(kuò)張口。爐墻（2）圍成爐膛（1），形成燃燒過(guò)程的主要空間。氣流通道（5）和火口通道（6）分別設(shè)置在爐墻上，貫通至爐膛內(nèi)部。為了防止堵塞，氣流通道（5）和火口通道（6）靠近爐膛的一側(cè)設(shè)計(jì)有擴(kuò)張口，這些擴(kuò)張口的截面面積向爐膛方向逐漸增大。氣流通道（5）通常設(shè)置在火口通道（6）的兩側(cè)，形成對(duì)稱布局。每個(gè)通道的擴(kuò)張口都呈喇叭狀開(kāi)口，其截面積大于通道的截面積（圖3）[3]。這種設(shè)計(jì)確保了即使是較大的物料也無(wú)法堵塞通道出口，同時(shí)允許燃料和氣流通過(guò)更多的物料間隙，提升燃燒效率。此外，擴(kuò)張口的設(shè)計(jì)還防止了灰塵和小塊物料被吸入通道，確保了燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性和余熱回收的效率。

具體而言，氣流通道的擴(kuò)張口（4）和火口通道的擴(kuò)張口（7）分別傾斜向爐膛底部設(shè)置，進(jìn)一步優(yōu)化了物料通過(guò)和氣流分布的效果（圖4，圖5）。這些角度設(shè)計(jì)確保了氣流和燃料在進(jìn)入爐膛后能充分混合并穩(wěn)定燃燒。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防堵塞彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程注重細(xì)節(jié)，以解決傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)中的堵塞問(wèn)題，并提升燃燒效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圍繞爐墻（2）、爐膛（1）、氣流通道（5）和火口通道（6）展開(kāi)，確保各組件在工作過(guò)程中能夠高效協(xié)同。首先，設(shè)計(jì)確定了氣流通道（5）和火口通道（6）的具體結(jié)構(gòu)和尺寸。氣流通道（5）設(shè)置在火口通道（6）的兩側(cè)，形成對(duì)稱布局，確保助燃空氣和燃料均勻分布。氣流通道和火口通道的出口處設(shè)計(jì)有擴(kuò)張口（4， 7），這些擴(kuò)張口的截面逐漸增大，呈喇叭狀，確保物料不會(huì)堵塞通道（圖3）。擴(kuò)張口的具體設(shè)計(jì)參數(shù)是設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵，氣流通道（5）的擴(kuò)張口（4）為方形，其底部尺寸為500×450毫米，面積為氣流通道截面積的三倍（圖4）?；鹂谕ǖ溃?）的擴(kuò)張口（7）同樣為方形，且傾斜向爐膛底部設(shè)置，以優(yōu)化氣流和燃料的流動(dòng)。這些擴(kuò)張口的設(shè)計(jì)不僅防止了物料堵塞，還優(yōu)化了燃料和助燃空氣的混合過(guò)程（圖5）。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

防堵塞彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的燃燒效果。爐子裝滿物料后，系統(tǒng)啟動(dòng)。燃料通過(guò)火口通道（6）注入爐膛（1），同時(shí)助燃空氣通過(guò)氣流通道（5）進(jìn)入爐膛。盡管堆滿物料，由于氣流通道和火口燃料通道在出口處設(shè)置了擴(kuò)張口（4， 7），擴(kuò)張口為助燃空氣和燃料進(jìn)入爐膛保持了足夠的通道。特別是火口燃料通道的擴(kuò)張口為燃料提供了較大的預(yù)燃空間，在物料堵塞的情況下，只需合理增加主火槍的一次風(fēng)供給量，燃料可以在擴(kuò)張口內(nèi)充分燃燒并產(chǎn)生熱量集中熔化火口通道前堵塞的物料[6]。當(dāng)物料熔化以后，燃料又可以不受阻礙地噴射進(jìn)入爐膛，與氣流通道進(jìn)入的助燃空氣逐漸混合產(chǎn)生彌散式燃燒，形成穩(wěn)定的低氧燃燒環(huán)境。

4.運(yùn)行效果

某新材料有限公司有多臺(tái)熔鋁爐，生產(chǎn)過(guò)程是將滿爐的固體鋁合金材料加熱熔化成740℃左右的鋁水。其投料方式為爐頂一次性投料，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)物料堵塞嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)的彌散式蓄熱燃燒系統(tǒng)時(shí)，由于堵塞問(wèn)題出現(xiàn)燃料未燃進(jìn)入物料空隙后爆燃、燃料進(jìn)入蓄熱箱燒結(jié)蓄熱材料、損壞蓄熱箱、生產(chǎn)速度慢等問(wèn)題，該系統(tǒng)面臨停用并被拆除、改造回高NOx排放的預(yù)混式燃燒系統(tǒng)的命運(yùn)。后來(lái)采用了本研究的技術(shù)方案，為燃料通道和助燃風(fēng)通道設(shè)計(jì)了針對(duì)性的擴(kuò)張口，以上問(wèn)題得以全面解決，系統(tǒng)運(yùn)行至今，表現(xiàn)穩(wěn)定。后續(xù)采用本方案改造了10多臺(tái)熔煉爐，因這個(gè)系統(tǒng)的超低NOx排放特性，該公司節(jié)省了2臺(tái)脫銷設(shè)備的建設(shè)資金2000萬(wàn)元。

5.結(jié)論

彌散式蓄熱燃燒技術(shù)具有節(jié)能和超低NOx排放的特性，是未來(lái)燃燒技術(shù)領(lǐng)域主要采用的燃燒技術(shù)之一。本研究使得彌散式蓄熱燃燒技術(shù)較好地適應(yīng)了嚴(yán)重堵塞的工業(yè)爐使用場(chǎng)景，為這項(xiàng)技術(shù)在更廣闊的領(lǐng)域推廣奠定了基礎(chǔ)。

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作者單位：深圳市龍瑞泰興能源環(huán)境科技有限公司