孟浩郭嬋李光敏高源郭雷

（1民政部一零一研究所 北京 100070 2北京社會管理職業(yè)學院 北京 101601）

蓄熱式高溫燃燒技術(shù)在火化機上的節(jié)能應(yīng)用

孟浩1郭嬋1李光敏2高源1郭雷1

（1民政部一零一研究所 北京 100070 2北京社會管理職業(yè)學院 北京 101601）

為了從根本上解決燃油式火化機的能耗問題，采用理論計算與現(xiàn)場試驗相結(jié)合，利用蓄熱式煙氣余熱回收技術(shù)對火化機結(jié)構(gòu)裝置進行改進。該技術(shù)不僅取代了二燃室，而且簡化了后處理流程。改進結(jié)果表明，遺體火化平均耗油量為7.61kg/具，低于標準限度的60%；火化平均時間為32min，低于傳統(tǒng)火化機的火化時間40min～50min；通過國家環(huán)境分析測試中心的檢測，大氣污染物的排放濃度與速率均達到國家規(guī)定指標。

蜂窩蓄熱體；火化機；環(huán)保；節(jié)能

1 研究內(nèi)容

1.1 實驗裝置

蓄熱式燃油火化系統(tǒng)由火化機、噴淋塔、布袋除塵器、煙囪四部分組成，如圖1所示，不同于傳統(tǒng)火化機后處理的串聯(lián)連接模式，本文實驗系統(tǒng)后處理采用并聯(lián)方式，連接布袋除塵器和噴淋系統(tǒng)。當煙溫過高時，關(guān)閉布袋除塵器，采用噴淋系統(tǒng)對煙氣進行降溫/洗滌處理，避免了高溫煙氣燒毀布袋。這種連接方式適用范圍較廣，既避免了北方冬季水冷結(jié)冰，又防止了南方夏季產(chǎn)生局部高溫。

圖1 實驗裝置總體示意圖

圖2 蓄熱式燃油火化機結(jié)構(gòu)

蓄熱式燃油火化機結(jié)構(gòu)如圖2所示，爐體中未設(shè)二燃室，單獨一個主燃室，在主燃室兩側(cè)靠下方位置設(shè)置氣體通道口，每側(cè)布置6個，對稱布置。和傳統(tǒng)燃油式火化機相比，主燃室兩側(cè)下方位置設(shè)置氣體通道口交替作為排煙口或助燃風的進風口，形成下排煙方式。在主燃室爐體兩側(cè)保溫磚外布置4組蜂窩陶瓷蓄熱體[1]，以對角上的兩組蓄熱體構(gòu)成一組蓄熱體單元，主燃室煙氣出口與蓄熱體內(nèi)部的通道都是直接聯(lián)通的，兩組蓄熱體單元按周期交替進行排煙蓄熱和預熱供風[2]，排煙和供風均由電控氣動閥進行程序切換。

蓄熱式燃油火化機煙氣余熱回收技術(shù)的工作原理如圖3所示。傳統(tǒng)火化機煙氣余熱大多是通過列管式換熱器進行回收，而本蓄熱體是通過兩組蓄熱單元交替切換工作回收煙氣中的余熱。以蓄熱體為媒介物質(zhì)，當爐膛內(nèi)點火燃燒時，產(chǎn)生大量高溫煙氣通過一組蓄熱單元排出，排出后絕大部分熱量滯留在蜂窩陶瓷蓄熱體內(nèi)，此時，助燃空氣從另一組蓄熱單元預熱后進入爐膛，兩組蓄熱單元通過按預先設(shè)定的時間進行切換[3]，反復循環(huán)，直至主燃室焚燒工作結(jié)束。這樣，實現(xiàn)煙氣的余熱通過蓄熱體間接預熱助燃空氣，實現(xiàn)高溫煙氣余熱的有效回收，有效降低能耗。此外，爐膛作為一個反應(yīng)空間，燃油和空氣的燃燒產(chǎn)物充滿爐膛，高溫預熱空氣呈對角線的方向進入爐膛，避免了局部高溫區(qū)，使爐內(nèi)溫度更加均勻，實現(xiàn)了低氧燃燒并減少了污染物的生成。

圖3 蓄熱式燃油火化機工作原理

1.2 蜂窩蓄熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

蜂窩蓄熱體結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中，以爐膛為研究對象，全過程視為理想燃燒情況?，F(xiàn)場測試中，爐體外表面的溫度與室溫接近，爐體保溫性能良好，因此忽略爐體散熱量。燃燒過程中，熱量損失計為10%。通過進出口熱量平衡得出：

燃料放熱量+燃燒物質(zhì)放熱量+助燃空氣攜帶熱量=高溫煙氣排放量

根據(jù)經(jīng)驗，假設(shè)理想耗油量與排煙溫度，推算出一組蓄熱單元吸收與釋放的熱量。通過計算，得出一塊蜂窩陶瓷蓄熱體的導熱率與傳熱系數(shù)[4]。由于蜂窩蓄熱體安裝在主燃室外兩側(cè)，即排列面積有限，那么我們可以通過計算周期交替過程中吸收釋放的熱量，試算得出，N塊蜂窩蓄熱體的最優(yōu)排列方式。最后通過傳熱計算，驗證蜂窩蓄熱體安裝排列方式的合理性。經(jīng)多次理論試算，以及現(xiàn)場調(diào)試，得出蓄熱體排列結(jié)構(gòu)，爐膛兩側(cè)各8層蜂窩蓄熱體，每層15塊（理論計算的結(jié)果需要在工程中附加一個擴大系數(shù)）。

1.3 測試結(jié)果

現(xiàn)場調(diào)試過程中，火化機上設(shè)置了四個溫度采集點，采集溫度分別為主燃室溫度、排煙溫度、兩組蓄熱體單元預熱風溫度。

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，得到燃燒一具遺體的主燃室壓力圖、主燃室溫度圖、經(jīng)蓄熱體后排煙溫度圖、經(jīng)蓄熱體后助燃風溫度圖，如圖4、圖5、圖6、圖7。

由圖4可以看出，改進后的火化機主燃室內(nèi)并沒有因為蓄熱單元交替進風、排煙而形成正壓。相反，爐膛內(nèi)始終保持著微負壓狀態(tài)，這樣減少了爐膛熱量被煙氣帶走和對環(huán)境的污染。

圖4 主燃室壓力曲線圖

圖5 主燃室溫度曲線圖

由圖5可以看出，當爐膛內(nèi)燃燒6min后，主燃室溫度保持在1000℃左右，而后逐漸趨近于800℃。相比傳統(tǒng)火化機，蓄熱式燃油火化機煙氣余熱充分利用，使爐膛內(nèi)溫度在短時間內(nèi)迅速升至1000℃高溫，并且此后燃燒溫度趨于平穩(wěn)，有利于避免爐膛內(nèi)由于低溫助燃空氣而產(chǎn)生污染物，更好的控制了主燃室溫度與自動燃燒器啟停關(guān)聯(lián)控制。

由圖6可以看出，隨著燃燒的不斷繼續(xù)，高溫煙氣使蓄熱磚

不斷儲存熱量，排煙溫度略有提高，但蓄熱式煙氣余熱回收技術(shù)使排煙溫度降到了200℃以下，省去了后處理中的換熱系統(tǒng)。

圖6 排煙溫度曲線圖

圖7 助燃風溫度圖

由圖7可以看出，爐膛內(nèi)燃燒約5min，經(jīng)蓄熱體的助燃空氣上升為近1000℃，對比圖5和圖7可以看出助燃空氣溫度與爐膛內(nèi)燃燒溫度相近，減少了能耗損失。

由于遺體火化是一個非穩(wěn)態(tài)、變邊界的氧化燃燒過程[5]。結(jié)合圖4～圖7分析，燃燒過程中燃燒器并非始終噴油。當1min～6min時，打開噴油槍，引燃附在遺體上的紙棺以及遺體皮膚毛發(fā)，這些易燃物質(zhì)瞬間引燃使爐膛升至高溫。此刻關(guān)閉油槍，爐膛內(nèi)的高溫煙氣維持遺體繼續(xù)燃燒，觀察電控屏幕的溫度顯示，當燃燒17min左右時，遺體內(nèi)所含水分開始大量蒸發(fā)，爐內(nèi)溫度有所下降，此時打開油槍助燃，直至殆盡。未完全燃燒的污染物隨煙氣流經(jīng)多層蓄熱磚時，可繼續(xù)反應(yīng)，降低了污染物的排出。

本實驗裝置在現(xiàn)場檢測時，先后火化了4具遺體（第一具遺體為當天首具），4具遺體的耗油量分別為18kg、7.656kg、7.851kg、7.323kg，火化平均耗油量為7.61kg/具?；鸹瘯r間分別為46min、37min、29min、30min，火化平均時間為32min。每具遺體的煙氣排放指標全部達標。在排放濃度方面，主要污染物二氧化硫、硫化氫、氨氣、氯化氫、汞等全部滿足國家一級標準，氮氧化物滿足國家二級標準，一氧化碳滿足國家三級標準。從煙氣指標上，可以看出本項目的爐體燃燒和煙氣后處理技術(shù)達到了國內(nèi)先進水平。

2 結(jié)語

2.1 在燃油式火化機采用蜂窩蓄熱式煙氣余熱回收技術(shù)，免去了二燃室，簡化了后處理流程，取得了顯著的節(jié)能減排的實際效果。

2.2 結(jié)構(gòu)改進后的燃油式火化機遺體火化平均耗油量為7.61kg/具，低于標準要求的60%；火化平均時間為32min，低于傳統(tǒng)火化機的火化時間40min～50min。

2.3 通過國家環(huán)境分析測試中心的檢測，大氣污染物排放濃度與速率均達到國家規(guī)定指標。

[1]賈翠,謝志鵬,孫加林,楊東亮,李世良.蜂窩陶瓷蓄熱體的研究現(xiàn)狀[J].耐火材料,2009∶64-68.

[2]梁春魁,李義科,任雁秋,張胤.蓄熱式高溫燃燒技術(shù)在工業(yè)爐領(lǐng)域的應(yīng)用[J].包頭鋼鐵學院學報,2002,21（3）∶208-215.

[3]劉夏丹,于宏,周琦,李賜亮.陶瓷蜂窩體的結(jié)構(gòu)特性及其蓄熱燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用[J].冶金能源,199718(4)∶28-31.

[4]蔣紹堅,曹小玲,汪洋洋,熊家政,李勇,魯志昂.蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱數(shù)學模型及傳熱系數(shù)求解[J].工業(yè)爐，2001，23（3）：50-53.

[5]尹荔堃,熊程程,邢嘯林,魯琦,陳曦,李大濤,等.遺體火化二惡英類污染物減排技術(shù)研究 [M].中國環(huán)境科學學會學術(shù)年會論文集, 2012,2899-2903.

科研項目

中央級科學事業(yè)單位科研儀器設(shè)備設(shè)備升級改造專項（1181301100013）。

孟浩（1962—），男，漢，大學本科，研究員，主要從事燃燒設(shè)備技術(shù)與研究工作。