蓄热式高温燃烧技术在火化机上的节能应用

2015-12-14孟浩郭婵李光敏高源郭雷

资源节约与环保 2015年7期

关键词：火化蜂窝炉膛

孟浩郭婵李光敏高源郭雷

（1民政部一零一研究所北京 100070 2北京社会管理职业学院北京 101601）

蓄热式高温燃烧技术在火化机上的节能应用

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（1民政部一零一研究所北京 100070 2北京社会管理职业学院北京 101601）

为了从根本上解决燃油式火化机的能耗问题，采用理论计算与现场试验相结合，利用蓄热式烟气余热回收技术对火化机结构装置进行改进。该技术不仅取代了二燃室，而且简化了后处理流程。改进结果表明，遗体火化平均耗油量为7.61kg/具，低于标准限度的60%；火化平均时间为32min，低于传统火化机的火化时间40min～50min；通过国家环境分析测试中心的检测，大气污染物的排放浓度与速率均达到国家规定指标。

蜂窝蓄热体；火化机；环保；节能

1 研究内容

1.1 实验装置

蓄热式燃油火化系统由火化机、喷淋塔、布袋除尘器、烟囱四部分组成，如图1所示，不同于传统火化机后处理的串联连接模式，本文实验系统后处理采用并联方式，连接布袋除尘器和喷淋系统。当烟温过高时，关闭布袋除尘器，采用喷淋系统对烟气进行降温/洗涤处理，避免了高温烟气烧毁布袋。这种连接方式适用范围较广，既避免了北方冬季水冷结冰，又防止了南方夏季产生局部高温。

图1 实验装置总体示意图

图2 蓄热式燃油火化机结构

蓄热式燃油火化机结构如图2所示，炉体中未设二燃室，单独一个主燃室，在主燃室两侧靠下方位置设置气体通道口，每侧布置6个，对称布置。和传统燃油式火化机相比，主燃室两侧下方位置设置气体通道口交替作为排烟口或助燃风的进风口，形成下排烟方式。在主燃室炉体两侧保温砖外布置4组蜂窝陶瓷蓄热体[1]，以对角上的两组蓄热体构成一组蓄热体单元，主燃室烟气出口与蓄热体内部的通道都是直接联通的，两组蓄热体单元按周期交替进行排烟蓄热和预热供风[2]，排烟和供风均由电控气动阀进行程序切换。

蓄热式燃油火化机烟气余热回收技术的工作原理如图3所示。传统火化机烟气余热大多是通过列管式换热器进行回收，而本蓄热体是通过两组蓄热单元交替切换工作回收烟气中的余热。以蓄热体为媒介物质，当炉膛内点火燃烧时，产生大量高温烟气通过一组蓄热单元排出，排出后绝大部分热量滞留在蜂窝陶瓷蓄热体内，此时，助燃空气从另一组蓄热单元预热后进入炉膛，两组蓄热单元通过按预先设定的时间进行切换[3]，反复循环，直至主燃室焚烧工作结束。这样，实现烟气的余热通过蓄热体间接预热助燃空气，实现高温烟气余热的有效回收，有效降低能耗。此外，炉膛作为一个反应空间，燃油和空气的燃烧产物充满炉膛，高温预热空气呈对角线的方向进入炉膛，避免了局部高温区，使炉内温度更加均匀，实现了低氧燃烧并减少了污染物的生成。

图3 蓄热式燃油火化机工作原理

1.2 蜂窝蓄热体结构设计分析

蜂窝蓄热体结构设计计算过程中，以炉膛为研究对象，全过程视为理想燃烧情况。现场测试中，炉体外表面的温度与室温接近，炉体保温性能良好，因此忽略炉体散热量。燃烧过程中，热量损失计为10%。通过进出口热量平衡得出：

燃料放热量+燃烧物质放热量+助燃空气携带热量=高温烟气排放量

根据经验，假设理想耗油量与排烟温度，推算出一组蓄热单元吸收与释放的热量。通过计算，得出一块蜂窝陶瓷蓄热体的导热率与传热系数[4]。由于蜂窝蓄热体安装在主燃室外两侧，即排列面积有限，那么我们可以通过计算周期交替过程中吸收释放的热量，试算得出，N块蜂窝蓄热体的最优排列方式。最后通过传热计算，验证蜂窝蓄热体安装排列方式的合理性。经多次理论试算，以及现场调试，得出蓄热体排列结构，炉膛两侧各8层蜂窝蓄热体，每层15块（理论计算的结果需要在工程中附加一个扩大系数）。

1.3 测试结果

现场调试过程中，火化机上设置了四个温度采集点，采集温度分别为主燃室温度、排烟温度、两组蓄热体单元预热风温度。

经过现场数据采集，得到燃烧一具遗体的主燃室压力图、主燃室温度图、经蓄热体后排烟温度图、经蓄热体后助燃风温度图，如图4、图5、图6、图7。

由图4可以看出，改进后的火化机主燃室内并没有因为蓄热单元交替进风、排烟而形成正压。相反，炉膛内始终保持着微负压状态，这样减少了炉膛热量被烟气带走和对环境的污染。

图4 主燃室压力曲线图

图5 主燃室温度曲线图

由图5可以看出，当炉膛内燃烧6min后，主燃室温度保持在1000℃左右，而后逐渐趋近于800℃。相比传统火化机，蓄热式燃油火化机烟气余热充分利用，使炉膛内温度在短时间内迅速升至1000℃高温，并且此后燃烧温度趋于平稳，有利于避免炉膛内由于低温助燃空气而产生污染物，更好的控制了主燃室温度与自动燃烧器启停关联控制。

由图6可以看出，随着燃烧的不断继续，高温烟气使蓄热砖

不断储存热量，排烟温度略有提高，但蓄热式烟气余热回收技术使排烟温度降到了200℃以下，省去了后处理中的换热系统。

图6 排烟温度曲线图

图7 助燃风温度图

由图7可以看出，炉膛内燃烧约5min，经蓄热体的助燃空气上升为近1000℃，对比图5和图7可以看出助燃空气温度与炉膛内燃烧温度相近，减少了能耗损失。

由于遗体火化是一个非稳态、变边界的氧化燃烧过程[5]。结合图4～图7分析，燃烧过程中燃烧器并非始终喷油。当1min～6min时，打开喷油枪，引燃附在遗体上的纸棺以及遗体皮肤毛发，这些易燃物质瞬间引燃使炉膛升至高温。此刻关闭油枪，炉膛内的高温烟气维持遗体继续燃烧，观察电控屏幕的温度显示，当燃烧17min左右时，遗体内所含水分开始大量蒸发，炉内温度有所下降，此时打开油枪助燃，直至殆尽。未完全燃烧的污染物随烟气流经多层蓄热砖时，可继续反应，降低了污染物的排出。

本实验装置在现场检测时，先后火化了4具遗体（第一具遗体为当天首具），4具遗体的耗油量分别为18kg、7.656kg、7.851kg、7.323kg，火化平均耗油量为7.61kg/具。火化时间分别为46min、37min、29min、30min，火化平均时间为32min。每具遗体的烟气排放指标全部达标。在排放浓度方面，主要污染物二氧化硫、硫化氢、氨气、氯化氢、汞等全部满足国家一级标准，氮氧化物满足国家二级标准，一氧化碳满足国家三级标准。从烟气指标上，可以看出本项目的炉体燃烧和烟气后处理技术达到了国内先进水平。