浅谈自身预热式高温氧化排烟罩

艾治文 艾元方

(1.长沙铁路第一中学高中部， 湖南 长沙 410001; 2.中南大学能源科学与工程学院， 湖南 长沙 410083)

浅谈自身预热式高温氧化排烟罩

艾治文1艾元方2

(1.长沙铁路第一中学高中部， 湖南 长沙 410001; 2.中南大学能源科学与工程学院， 湖南 长沙 410083)

为了克服传统生物质炉具因中低温燃烧、空气供应不足、可燃物和空气混合不均匀、不充分、燃烧时间短而出现的排放黑烟、焦油、CO等不节能、环境污染问题，研发一种集成空气- 烟气喷吹换热、高温燃烧和旋流燃烧新技术，二次空气喷吹高温排烟管实现烟气余热回收和二次空气预热，二次空气在炉膛顶部区域旋流使可燃性废气浓缩并和二次空气充分混合，实现可燃性尾气长时间高温氧化的自身预热式高温氧化排烟罩。

排烟罩； 喷流式换热； 旋流燃烧

0 前言

我国生物质燃料分布广泛，总量巨大，仅农村每年产生的生物质燃料可折合2.7亿tce，占农村总能耗的40%左右，其中秸秆产量超过7亿t，谷壳4千万t。由于缺乏有效的生物质燃料高效清洁燃烧技术，全国有近一半的秸秆在田间直接焚烧。另外，木材加工、木制品生产产生的大量木屑、锯木等被废弃，食品加工产生的壳皮等被当作垃圾填埋。研发一种生物质燃料高效清洁燃烧炉具，可以满足当今节能减排和建设“两型”社会的需要，提高我国生物质资源能源化利用水平，缓解我国广大农村面临的日益严重的环保压力。

生物质燃料属于低热值燃料，发生中低温燃烧反应居多，燃烧温度不高。目前农村大多数生物质炉具只考虑为炉内燃烧提供一次空气，且一次空气难以均匀接触到燃料表面，燃烧过程中空气供应严重不足，加上燃烧温度不高，炉内发生明显的不完全燃烧，火焰呈黄色，火焰温度低。炉膛内热浮力作用使得碳黑、焦油和CO等燃烧中间产物过早地离开高温区。这些燃烧中间产物一旦离开高温区，即刻失去继续完全氧化所需的温度条件；同时，炉具的敞开式排烟设计使可燃性中间产物浓度迅速变低，失去继续完全氧化所需的浓度条件。这些产物随后以燃烧污染物形式扩散到室内变成尾气，使得室内碳黑、焦油和CO浓度逐渐升高，最终达到远远超过国标GB16410—2007规定的燃烧污染物排放浓度，散发出难闻的焦油味，严重时发生胸闷甚至CO中毒事故，严重污染环境和危害人们的身体健康。另一方面这些尾气可以继续燃烧放热，直接排放会造成大量宝贵的生物质能源得不到有效利用。

1 低浓度可燃性尾气处理技术现状

由于尾气可燃成分热值低，采取常规方法难以在自由空间内维持热力燃烧或催化燃烧的自发进行，当与高热值燃气混合燃烧时，热效率低下，并产生大量的NOx和CO等污染物；尾气可燃物浓度低则蓄热燃烧室内难以维持燃烧所需的温度导致燃烧较为困难，若不向燃烧系统输入热量，则无法满足对低浓度可燃性尾气进行处理的要求。

目前工艺上获得应用的可燃性尾气净化技术主要有燃烧、生物、等离子体、膜分离、吸附及冷凝等技术，其中燃烧技术是目前最主要、最有效的可燃性尾气净化技术，如蓄热燃烧及中低温催化燃烧。

燃烧净化技术的重要设备蓄热式热力焚化炉原理是利用可燃性尾气通过蓄热体被加热到接近热氧化温度760～1 000 ℃，而后进入燃烧室进行热氧化反应，生成CO2和H2O。目前，对该炉型的研究已经取得了许多进展，如郑承煜[1]发明了一种蓄热式热力焚烧及锐钛型二氧化钛光触媒净化的可燃性尾气治理系统。该系统利用了蓄热式换热器在回收尾气余热的同时生成高温空气并组织高温燃烧的光触媒反应原理。陈泽智等[2]发明了一种气流往复式蓄热催化型热力氧化器。该氧化器包括呈管式或隧道式结构的空气腔体，在空气腔体中部设有燃烧炉，燃烧炉两侧对称设有蓄热段和催化段。吴万泉等[3]发明了一种基于蓄热式燃烧原理的蓄热式热力焚化炉。该焚化炉在引风机作用下可燃性尾气被吸入氧化室进行充分燃烧氧化。

等离子体技术有降解效率高，可根据可燃性尾气浓度调节等离子体的输入能量以及对尾气种类及浓度适应性好等优势，但也存在如能耗过高、可燃性尾气浓度高时降解不充分等问题。高翔等[4]发明了强化多孔介质燃烧净化可燃性尾气的等离子体炉。该炉基于多孔介质材料蓄热和等离子体自由基氧化作用协同降解可燃性尾气。等离子体炉包括过滤器、反应器和控制器，反应区两端分别是预热区和蓄热区，反应器内设有等离子体火炬，蓄热区充满多孔蓄热介质。

活性碳吸附法适用于大尾气量场所，阻力损失大。喷淋法会产生新的废水二次污染。这些装置均存在技术要求高，结构复杂，一次性投资大，日常运行费用高，经济性差等诸多缺点。目前市场上还没有针对低浓度可燃性尾气净化效果好、成本低的设备。

2 自身预热式高温氧化排烟罩结构

在生物质燃料不完全燃烧条件下，燃烧污染物中碳黑、焦油和CO分子浓度极低，同时氧分子浓度也极低，温度也低于碳黑、焦油和CO的自燃点。作者设计的一种自身预热式高温氧化排烟罩[5]，提供了可燃性尾气完全氧化所需反应条件：高度浓缩了碳黑、焦油和CO分子；增加了助燃空气供应，可燃分子和氧分子充分均匀混合；延长燃烧污染物在高温区的停留时间，提高燃烧氧化反应温度。

如图1所示，自身预热式高温氧化排烟罩，包括圆台筒状炉顶盖、外圆管、内圆管、排烟管、圆环状中挡板和底挡板。炉顶盖侧壁外表面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的进风口，进风口两短边中点连线延长线相交于炉顶盖中心轴线上同一点。通过进风口的呈条缝状的气流通道沿逆时针方向向炉顶盖内腔倾斜，且和进风口两短边中点连线与炉顶盖中心轴线确定的垂直面交角相等。在排烟管侧壁中部位置垂直于排烟管侧壁布置中挡板，并用中挡板将排烟管和内圆管之间的环形通道封死。在内圆管底圆面位置垂直于内圆管侧壁布置底挡板，并用底挡板将内、外圆管之间的环形通道封死。中挡板以下的内圆管侧壁面均匀布置众多的细圆孔，细圆孔中心轴线延长线和排烟管中心轴线垂直相交。

图1 自身预热式高温氧化排烟罩1.炉顶盖；11.进风口；2.外圆管；3.内圆管；31.细圆孔；4.排烟管；5.中挡板；6.底挡板

生物质燃料和一次空气混合燃烧，燃烧污染物聚集于炉顶盖内腔。二次空气进入内、外圆管之间的环形通道。在底挡板阻塞作用下，从众多细圆孔径向喷吹而出的二次空气垂直冲击高温排烟管侧壁外表面，二次空气吸收排烟管壁面热量后从常温预热到600 ℃左右。在中挡板阻塞作用下，中温二次空气流动方向改变90°，流至外圆管与炉顶盖之间空间，然后沿炉顶盖侧壁面众多进风口及气流通道倾斜喷入炉顶盖内。在炉顶盖内中温二次空气旋转向上流动，不断卷吸原来停留在炉顶盖内的燃烧污染物。燃烧污染物快速完全氧化生成高温烟气，燃烧温度提高到800 ℃以上。高温烟气在排烟管向上抽吸作用下离开炉顶盖进入排烟管。二次空气流过排烟管时烟气加热排烟管侧壁，为排烟管外侧二次空气预热升温提供热源，烟气自身降温到250 ℃以下排至室外。

3 自身预热式高温氧化排烟罩强化燃烧机理

炉顶盖侧壁面周向均匀布置的众多呈矩形条缝状的进风口可组织空气在炉顶盖内壁贴壁区域旋流流动。在炉顶盖内二次空气旋转向上流动的同时不断卷吸炉腔顶部区域集留的碳黑、焦油、CO等燃烧污染物。在旋流离心力作用下，碳黑、焦油、CO和氧分子在炉顶盖内贴壁区域高度集中，从而炉顶盖内壁贴壁区域同时具备了碳黑、焦油、CO分子高度浓缩、氧分子足够、可燃分子和氧分子充分均匀混合、燃烧区停留时间足够长和燃烧温度高等燃烧污染物完全氧化所需条件。二次空气旋流流动设计延长了燃烧污染物在高温区的停留时间。炉顶盖内壁贴壁区域空间小，单位容积燃烧放热强度大，燃烧污染物氧化速度快。二次空气向上旋流增强了外排烟气动力，增大了炉内负压，减少了燃烧污染物外泄污染。全封闭式炉具代替了敞开式炉具，减少了炉膛顶部区域温度梯度，增强了炉内燃烧过程的可调节性，净化了室内空气。

外圆管、内圆管和排烟管从外向内依次套装且共中心轴线并采用二次空气- 烟气喷流换热，从而内外两个稳压室压力差使得二次空气喷吹流过众多细圆孔，压力势能转变为动能，实现二次空气径向喷吹排烟，增强了排气罩的安全性，即从内向外依次是800℃高温烟气、600℃中温二次空气和常温二次空气，防止了热量散失和烫伤事件发生，降低了排烟管侧壁温度，延长了排烟管使用寿命，炉顶盖内腔和排烟管内腔相连通。炉膛内负压稳定，排烟顺畅。排烟管高度保证了足够的烟气自下向上抽吸作用力。

内圆管侧壁面均匀布置众多的细圆孔，二次空气流过内圆管众多细圆孔时压力势能转变为动能。从细圆孔径向喷吹而出的二次空气垂直冲击高温排烟管侧壁外表面，破坏了贴附在排烟管侧壁外表面的流动边界层，加快了高温烟气→排烟管侧壁→二次空气的综合传热，在烟气余热高效回收利用的同时二次空气高效预热。高温烟气→常温二次空气综合传热过程包括排烟管侧壁内表面烟气- 侧壁辐射对流换热、排烟管侧壁导热和排烟管侧壁外表面空气- 侧壁对流换热，制约传热速度的关键是排烟管侧壁外表面空气- 侧壁对流换热，二次空气径向喷吹排烟管侧壁外表面使得综合传热系数在二次空气平行流过排烟管侧壁外表面基础上增大1～2倍，二次空气预热温度可提高到600℃左右，烟气温度降低到250℃以下。炉顶盖内中温二次空气和燃烧污染物充分均匀混合发生高温氧化，提高了燃烧温度，二次空气进入炉顶盖内腔温度提高到600℃左右，燃烧温度提高到800℃以上。燃烧温度提高可以使碳黑、焦油、CO等燃烧污染物氧化速度加快，CO2和H2O生成速度加快，提高燃烧污染物氧化反应完全程度，降低其排放浓度。

新型排烟罩改传统炉具中低温燃烧为高温燃烧，高效回收燃烧污染物氧化放热，在无需额外添加能源条件下改传统炉具低或极低浓度可燃烧污染物不完全氧化为高浓度燃烧污染物完全氧化，解决了传统炉具低温燃烧难以克服的烟气中CO氧化反应速度慢、焦油分子难以氧化等问题。同时，新型排烟罩改传统炉具炉膛顶部未燃烬的燃烧污染物扩散排入室内空间为炉膛顶部未燃烬的燃烧污染物高度聚集并完全氧化，提高了室内空气质量。

4 结束语

新型排烟罩结构紧凑，制作、安装、维护简便，炉具性能稳定，可燃烧污染物氧化速度快，能量利用率高，炉具使用现场室外无明显烟雾排放，室内空气清新、无焦油味，无胸闷和恶心等CO中毒感，室内空气粉尘、焦油和CO浓度均能满足GB16410—2007要求，且对生物质燃料的适应性强。

[1] 郑承煜. 蓄热式热力焚烧及光触媒净化的废气治理系统[P]. 实用新型, 申请号201320601211.1, 申请日2013.9.27.

[2] 陈泽智, 龚惠娟. 气流往复式蓄热催化、热力氧化器[P]. 发明, 申请号200910029425.4, 申请日2009.4.13.

[3] 吴万泉, 郭国平, 卢永杰, 等. 一种蓄热式热力焚化炉[P]. 实用新型, ZL20120182529.0, 授权日2013.9.25, 申请日2013.4.12.

[4] 高翔, 郑成航, 骆仲泱, 等. 等离子体强化多孔介质燃烧处理有机废气的装置及方法 [P]. 发明, 申请号201310734058.4, 申请日2013.12.27.

[5] 艾治文. 自身预热式高温氧化排烟罩[P]. 发明, 申请号2013105210302.2, 申请日2013.10.23.

Discussion on Self-recuperative Pyro-oxidation Exhaust Hood

AI Zhi-wen, AI Yuan-fang

To solve the problems of no energy saving and environmental pollution in the traditional biomass stove as the black smoke, the tar and the carbon monoxide under the conditions of the middle and low temperature combustion, the insufficient air supply, the uneven not insufficient mixture between the combustible and the air, and the short combution time, a new kind of self-recuperative pyro-oxidation exhaust hood based on the jet heat exchange between the combustion air and the exhaust gas, the high-temperature combustion and the swirling combustion is developped. Its second-air preheating and its waste heat recovery of flue gas results from its secondary air spraying to its high-temperature exhaustpipe, its combustible exhaust gas is highly condensed and intensively mixed with its secondary air in the furnace top through the secondary air swirling, and the high-temperature oxidation reaction for its combustible waste extends for a long time.

exhaust hood; jet heat exchange; swirling combustion

2014-09-10

艾治文(1997—)，男，湖南邵阳人，在校高中生，感兴趣领域:农村节能减排新技术。

TK863

A

1008-5122(2014)06-0038-04