燃烧系统中陶瓷球蓄热式燃烧器及其应用

1.蓄热燃烧器设计原理

蓄热式燃烧器的设计遵循了高温低氧空气燃烧的基本技术原理，即高效回收烟气余热，大幅减少污染物特别是NOX的排放。蓄热式燃烧器采用燃气和空气双预热的设计方式。空气和燃气经蓄热体与其进行热交换后将其预热到较高的温度（900℃以上）并使其在烧嘴横断面上对角线位置喷向燃烧装置内，而燃烧产物烟气也在烧嘴横断面上另一对角线位置由引风机经蓄热体进行热交换后抽出，其排放温度在150℃左右，这样的设计使燃烧区有大量的高温烟气掺混，这样既可使燃烧区的氧浓度大幅降低，又不会造成燃烧温度的降低，从而提高燃料燃烧热效率。

2.燃烧器组成

蓄热式燃烧器有壳体、烧嘴砖、装球口，格栅、保温层、陶瓷球、卸球口、纤维板、纤维棉、连接件、观火孔、点火长明灯及燃气接口等部分组成，其内腔装填蓄热陶瓷球。

3.燃烧器工作原理

陶瓷球型蓄热式燃烧器又称单预热陶瓷球蓄热式燃气烧嘴。是用陶瓷作蓄热体和烧嘴的燃烧装置，这种烧嘴采用陶瓷小球作为蓄热体，空气与燃气（油雾）气流斜交混合。工作时两烧嘴是交替进行燃烧的。当烧嘴B燃烧时，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，在经过蓄热式烧嘴B陶瓷球时被加热，在极短的时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉温低50-100℃），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21％的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2-20％）状态下实现燃烧;与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气在排烟风机的强力作用下经过另一个蓄热式烧嘴A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式烧嘴A时，将显热储存在蓄热式烧嘴内，烟气粉尘被烧嘴A中陶瓷球挡住，大部分烟气余热被陶瓷球吸收拦截，高温烟气经烧嘴A之后变成低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。当烧嘴A燃烧时，空气穿过A烧嘴蓄热床被预热后(一般比炉温低50-100℃)再进入炉膛燃烧，同时B烧嘴重复进行A烧嘴刚才的排烟蓄热操作。由于排烟温度的降低，烟道、烟囱内衬也可不使用耐高温材料砌筑，这样可大大节省投资。也可使换向阀、风机始终处在低温条件下，因而风机可选用标准设计，在电气程序的自动控制下以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器始终处于蓄热与放热交替工作状态，从而实现烟气余热的最大回收利用达到节能和降低NOx排放量等目的，常用的切换周期为30-200秒。如此周而复始变换，通过蓄热体这一媒介，排出的烟气余热绝大部分转换成燃烧介质的物理热，被充分回收利用。

4.结构设计、技术参数、特点

空气与燃气的混合气体在经过蓄热器时伴随有辐射传热，也有对流传热和接触传热，由于蓄热燃烧要求空气流速快，使蓄热器中的气流处于紊流状态，因而蓄热式换热器内的传热是一复杂传热过程。如果结构设计不合理，则会使阻力增加，增大动力消耗，严重影响热能有效利用率。蓄热式换热器结构参数主要包括蓄热体的填充高度和换热面积等。

4.1蓄热式换热陶瓷球填充高度：

陶瓷球会增加空气阻力及风机动力消耗，整体效率明显降低，因此在陶瓷球径确定的前提下，球的填充高度对燃烧热效率具有决定作用。经过生产过程中的经验得出：直径15mm的陶瓷球，填充高度在0.6m以上，直径25mm的陶瓷球填充高度应在0.7m以上，直径35mm的陶瓷球填充高度应在0.8m以上。

4.2换热器传热比表面积

陶瓷球球径越小，单位面积填充球的换热比表面积越大。在材质相同情况下，随着陶瓷球蓄热体比表面积的增大，空气预热温度升高，蓄热式唤起的温度和热效率也随之增大。但是比表面积越大，意味着球的直径越小，随之阻力损失也增大，若综合考虑，换热器的传热比表面积应有一个最佳值。

4.3换向时间：

为了使燃料热能充分利用，蓄热式换热器换向时间必须有一定的要求。时间的长短受蓄热体形状、大小和填充高度的制约。在一定条件下，换向时间越短，温度效率越高；但换向越频繁，动力消耗就越大。一般球状蓄热体换向时间一般在50-200s之间，另外换向阀的质量也十分重要。

4.4陶瓷球蓄热体特点

1)耐高温：使用温度不低于1250℃
2)耐化学腐蚀：特别是耐高温烟气中的SO2、CO2、NOX等的腐蚀和不与高温粉尘固溶及抗高温氧化；
3)具有较高的热辐射、导热、放热和蓄热率；
5)具有良好的抗热震性能
6)更换清洗方便
7)价格适中，使用寿命长。

根据不用使用温度，可选用粘土质、刚玉质、莫来石质、锆英石质、钛酸铝质和堇青石质等材料作陶瓷球。从热容、抗震性、耐化学腐蚀、辐射率和导热率等方面考虑，普通莫来石质陶瓷作蓄热体是合适的，一般寿命在三个月以上，有的甚至可使用6到12个月，且价格也易被接受。