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余熱利用
蓄熱式余熱回收
簡介:

隨著人們企業對節能環保的日益重視,蓄熱式燃燒技術越來越受到關注。蓄熱式加熱爐實質上是高效蓄熱式換熱器與常規加熱爐的結合體,是通過蓄熱室最大限度地回收煙氣余熱,以達到提高空氣(或煤氣)預熱溫度,提高爐子熱效率的目的。

20世紀70~80年代,以小徑陶瓷球和超薄壁陶瓷蜂窩體為蓄熱體的新一代蓄熱室首先在日本開始使用,其良好節能效果得到工業領域一致認同。新型蓄熱體的比表面積(單位體積蓄熱體具有的表面積)是傳統蓄熱體的10~100倍,因此,可在短時間內將煙氣溫度降到150℃以下,將空氣預熱到800~1000℃。20世紀90年代初,蓄熱室開始在中國的鋼鐵生產領域推廣應用。到目前為止,國內鋼鐵企業大型軋鋼加熱爐已有百余座,加熱能力在50噸到200噸,節能率在25%~30%。

傳統的燃燒方式是空氣和煤氣預混和擴散燃燒,在燃燒器周圍存在一個局部高溫區,造成爐溫不均勻,影響加熱質量。同時,在高溫區內,氮氣參與燃燒反應,導致煙氣中NOx含量高,造成大氣污染。蓄熱式燃燒則完全不同,在蓄熱式爐中,整個爐膛為一個反應體,空氣和煤氣充滿爐膛,在這個爐膛內彌散燃燒,不存在局部高溫區,爐溫非常均勻。在軋鋼加熱爐中,爐兩側溫差小于10℃,在大型鍛件熱處理爐中,保溫期整個爐膛溫差小于5℃。在蓄熱式爐中,由于燃料在相對較低氧濃度下燃燒,因此金屬氧化燒損可大幅度降低,平均可下降0.5%~1.0%。此外,由于蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態下彌散燃燒,沒有火焰中心,因此,不存在大量生成NOx的條件,煙氣不用處理即可達到國家規定的排放標準。

例如熔鋁爐的平均熱效率不到20%,排煙熱損失高達50%以上。雖然大型熔鋁爐安裝了空氣預熱器,但由于技術、價格、壽命等原因,通常也只能將空氣預熱到300℃左右,節能率只有20%左右,仍有30%以上的熱量隨煙氣排放到大氣中去,排煙溫度普遍在300℃以上。采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術,不但克服了常規熔鋁爐的缺點,將余熱回收率提高到70%-90%,空氣預熱到800℃左右,煙氣排放溫度低于150℃,達到余熱回收的極限,而且投資少,見效快。

蓄熱式高溫空氣燃燒技術HTAC(High Temperature Air Combustion)是目前國內外開始流行的一種革命性的全新燃燒技術,它通過高效蓄熱材料將助燃空氣從室溫預熱至前所未有的800℃高溫,同時大幅度降低Nox排放量,使排煙溫度控制在露點以上、150℃以下范圍內,最大限度地回收煙氣余熱,使爐內燃燒溫度更趨均勻。HTAC技術針對燃料種類或熱值的不同,有單蓄熱與雙蓄熱之分。一般認為油類、高熱值煤氣及含焦油粉塵的熱臟發生爐煤氣則只需或只能采用助燃空氣單蓄熱方式;清潔的低熱值燃料(高爐煤氣、轉爐煤氣)可采用雙蓄熱方式。
 
高效蓄熱式余熱回收燃燒技術的發展、演變過程

   爐膛廢氣余熱回收的主要設備

    換熱器(Recuperator)
1828年,James Nielson發明了換熱器。換熱器發明以后,在余熱回收上發揮了的巨大作用,其優勢逐漸被人們所認識,并開始在各種爐窯上廣泛使用。但是,在較長的時間內,由于換熱器只能用鑄鐵和普通碳鋼制造,所以空氣的預熱溫度并不高。
 
   蓄熱室(Regenerator)
1858年,William Siemens發明了蓄熱室。由于蓄熱室可以將空氣預熱至較高溫度,所以許多爐子都改用了蓄熱室,如高爐、平爐、均熱爐和焦爐等。近年來,隨著新一代蓄熱體(陶瓷球和陶瓷蜂窩體)的研制開發,蓄熱室技術得到了空前的發展。其發展歷程大致經歷了從“傳統蓄熱室”到“填充球蓄熱室”,再到“蜂窩體蓄熱室”的過程。
 
  三種蓄熱室的比較
 
   傳統蓄熱室:
包括蓄熱室的耐熱保溫外殼和內部的磚格子,都是用耐火材料砌筑的,見圖1(a)。首先,煙氣通過磚格子將熱量傳給格子磚,使磚的溫度上升;當磚達到一定溫度后,換向控制系統動作,使空氣通過磚格子,空氣就被高溫的格子磚加熱,使磚的溫度下降。一座爐子至少有一對蓄熱室,在一個蓄熱室用于加熱磚格子的同時,另一個蓄熱室用于預熱助燃空氣,這樣交替使用。
   
 
 
             (a) 格子磚蓄熱室                            (b) 填充球蓄熱室         (c) 陶瓷蜂窩體蓄熱室
 
   填充球蓄熱室:
是把原來由耐火磚砌筑的磚格子改為用陶瓷球填充的散料床(簡稱填充床)。兩者相比,雖然填充球的體積減少了十幾倍,但熱交換面積卻要增大幾十倍。見圖1(b)。
 
   陶瓷蜂窩體:
是繼陶瓷球之后在上世紀90年代開發的一種新型蓄熱體,它用耐火材料制成,傳熱效果比陶瓷球更好。見圖1(c)。
 
蓄熱式加熱爐的工作原理:
蓄熱式加熱爐實質上是高效蓄熱式換熱器與常規加熱爐的結合體,主要由加熱爐爐體、蓄熱室、換向系統以及燃料、供風和排煙系統構成。
蓄熱室是蓄熱式加熱爐煙氣余熱回收的主體,它是填滿蓄熱體的室狀空間,是煙氣和空氣流動通道的一部分。在加熱爐中,蓄熱室總是成對使用,一臺爐子可以用一對,也可以用幾對,甚至幾十對。在國內的一些大型加熱爐上,最多用到四十幾對。
 
如上圖所示為空氣單預熱蓄熱式加熱爐工作原理示意圖。首先,常溫空氣從進氣管道經換向閥進入左側蓄熱室A,在蓄熱室A內自下而上流經蓄熱體(如陶瓷球),空氣被蓄熱體加熱到較高溫度(最高可達800~1100℃)后進入爐膛,與煤氣(或重油)混合燃燒。燃燒產物——煙氣由右側蓄熱室B排出,煙氣在蓄熱室B內自上而下流經蓄熱體,將熱量傳給陶瓷球并蓄積在陶瓷球內,同時煙氣本身被冷卻到150℃以下,經換向閥由普通鋼制的煙囪排放到空氣中。經過幾分鐘后,蓄熱體內熱量蓄積飽和后,控制系統操縱換向閥動作,使空氣經換向閥后流向蓄熱室B,在蓄熱室B內被加熱后進入爐膛。與此同時,蓄熱室B內的同時蓄熱體被冷卻,又重新獲得了蓄熱能力。熱空氣在爐膛內與煤氣混合燃燒,產生的煙氣由蓄熱室A排出,被冷卻的煙氣經換向閥后由煙囪排放到空氣中。兩個蓄熱室就這樣周而復始地交替工作,陶瓷體在此過程中起到了暫時蓄積熱量的媒介作用。
在蓄熱式加熱爐中,換向閥起到了至關重要的作用。為配合換向閥安全準確地工作,必須配備一套可簡可繁的控制系統。
蓄熱體通常采用直徑12~15mm的Al2O3質陶瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窩體。
蓄熱室總是成對使用,一臺爐子可以用一對,也可以用幾對,甚至幾十對。在國內的一些大型加熱爐上,最多用到四十幾對。

蓄熱式余熱回收的優點:  

傳統的燃燒方式是空氣和煤氣預混和擴散燃燒,在燃燒器周圍存在一個局部高溫區,造成爐溫不均勻,影響加熱質量。同時,在高溫區內,氮氣參與燃燒反應,導致煙氣中NOx含量高,造成大氣污染。蓄熱式燃燒則完全不同,在蓄熱式爐中,整個爐膛為一個反應體,空氣和煤氣充滿爐膛,在這個爐膛內彌散燃燒,不存在局部高溫區,氮氣幾乎不參與燃燒反應。與傳統燃燒方式相比,其優勢表現在下面幾個方面:

 爐溫更加均勻
一方面,由于煤氣和空氣在爐膛內彌散燃燒,肉眼觀察無明顯火焰,因此,爐溫更均勻,而且無局部高溫區;另一方面,由于在每一對蓄熱室中都是燃燒側和排煙側隔幾分鐘就交替換位,因此,不存在燒偏的情況,使爐子兩側溫度異常均勻。實測表明,在普通加熱爐中,爐兩側溫差小于10℃;在大型鍛件熱處理爐中,整個爐膛溫差小于5℃。
由于爐溫分布均勻,加熱質量大大改善,產品合格率大幅度提高。

 燃料選擇范圍更大 
采用蓄熱式燃燒技術,空氣預熱溫度由過去的400~600℃可提高到800~1100℃。由于燃料的理論燃燒溫度大幅度提高,使燃料的選擇范圍更大,特別是可燃用800kcal/m3以下的低熱值燃料,如高爐煤氣或其他低熱值劣質燃料。 
適合輕油、重油、天然氣、液化石油氣等各種燃料,尤其是對低熱值的高爐煤氣、發生爐煤氣具有很好的預熱助燃作用,擴展了燃料的應用范圍。鋁熔化燃油單耗指標在60kg/t.A以內。

 大幅度節能
由于煙氣經蓄熱體后溫度降低到150℃以下(特殊情況下可降至70~80℃),將煙氣的絕大部分顯熱傳給了助燃空氣,做到了煙氣余熱的“極限回收”,因此,爐子燃料消耗量大幅度降低。對于一般大型加熱爐,可節能25%~30%;對于熱處理爐,可節能30%~65%。煙氣排放溫度低于150℃,余熱回收率可達到70%-90%。

 NOX生成量更低 
采用傳統的節能技術,助燃空氣預熱溫度越高,煙氣中NOX含量越大;而采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術,在助燃空氣預熱溫度高達800℃的情況下,爐內NOX生成量反而大大減少。由于蓄熱式燃燒是在相對的低氧狀態下彌散燃燒,沒有火焰中心,因此,不存在大量生成NOx的條件。煙氣中NOx含量低,有利于保護環境。

 金屬氧化燒損低 
低氧燃燒的另一個好處是可降低被加熱金屬的氧化燒損。 此外,蓄熱式燃燒還可以提高火焰輻射強度,強化輻射傳熱,提高爐子產量。

 改造簡單
既適合新建熔鋁爐或加熱爐,更適合舊型熔鋁爐或加熱爐的蓄熱式技術改造,可保留原爐基礎及鋼結構不動,在爐兩側或同側增加蓄熱式燒嘴,施工簡單,技術先進成熟。

  投資少見效快
項目投資不大,節能效益顯著,投資回收期短。

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高效蓄熱式余熱回收燃燒技術的應用簡介:

21世紀,中國將成為世界第一大機械制造國和機械出口國。機械制造業是高耗能行業,其大量能源消耗在鑄造、鍛件加熱和機件的熱處理上。目前,機械行業的許多加熱爐和熱處理爐都比較落后,能耗高,自動化程度低,工人勞動強度大,機件加熱質量差。

蓄熱式加熱爐具有爐溫均勻、金屬氧化燒損少、爐溫控制自動化程度高、節能環保等優點,適合燃用天然氣、高爐煤氣、焦爐煤氣、發生爐煤氣以及柴油、煤油等燃油,而且對燃料熱值要求低,特別適合在機械行業的加熱爐和熱處理爐上推廣使用。

 鋼鐵企業的軋鋼加熱爐    

20世紀90年代中期,蓄熱式燃燒技術開始在我國應用于軋鋼加熱爐。經過10年的發展,目前已遍及國內各大鋼鐵企業。寶鋼、首鋼、武鋼、唐鋼、濟鋼、邯鋼、馬鋼、酒鋼等大鋼鐵企業都有多臺蓄熱式加熱爐在運行,為這些企業節約了大量的燃料,產生了巨大的經濟效益。  

 效益:節能25%~30%;
        
噸鋼氧化燒損約減少5kg; 
         可燃燒鋼廠的劣質燃料——高爐煤氣,解決了高爐煤氣放散問題。

 機械制造企業的工件加熱爐、熱處理爐  

機械制造企業有大量各種用途的工件加熱爐、熱處理爐,這些爐子普遍對爐溫均勻性要求較高,而且要求便于調節熱負荷,蓄熱式燃燒技術正好適合這些要求。鞍鋼機修公司和沈陽機床廠等單位都已經采用這項技術,節約燃料20%~40%,爐膛溫差在5℃以下。

 鋼絲熱處理爐  

國內某鋼繩廠于2004年將一臺傳統的馬弗磚鋼絲熱處理爐改成了蓄熱式熱處理爐。改造前后效果形成了鮮明對比: 

 效益: 爐子熱效率從17%提高到51%,節能66%;
          
鋼絲氧化燒損從6‰下降到2‰;
          產品合格率從70%提高到100%。

 各個行業的其他爐窯    

蓄熱式燃燒技術還可以應用在許多工業爐窯上,例如:熔鋁爐、鋼水包烘烤爐、玻璃窯、熱風爐和臺車式退火爐等。
蓄熱式燃燒技術可應用的領域,除了鋼鐵和機械行業外,還有建材、有色和石化等行業,甚至可用于輕工和日常生活。
蓄熱式燃燒技術對燃料的目前還僅氣體燃料和液體燃料,對燃燒煤粉和固體燃料的爐窯還存在一定的風險。

下面介紹蓄熱式技術在熱處理爐上應用的幾個實例:

 某機械制造公司的大型鑄件熱處理爐

    爐子用途:鑄件熱處理
 
    爐子工作特性:周期加熱
 
    爐型:臺車式室狀爐
 
    爐溫:800~1000℃
 
    燃料:高爐和焦爐混合煤氣
 
    熱值:8000~9000 kJ/m3
 
    最大工件:12噸
 
    熱效率:50%~60%(加熱期)
 
 某鋼繩廠的鋼絲熱處理加熱爐

   爐子用途:拉拔鋼絲熱處理
 
   爐子工作特性:連續加熱(后續工序:鉛浴淬火)
 
   原爐型:馬弗爐(箱式爐)
 
   現爐型:三段加熱爐
 
   爐溫:850~950℃
 
   燃料:高焦混合煤氣
 
   熱值:8500 kJ/m3
 
   產量:<1.5 t/h(原) ~4t/h(現)
 
   熱效率:15%(原) 51%(現)
 
 某機床廠的軸鍛件加熱爐(眼爐)
 

   爐子用途:軸坯料鍛前加熱
 
   爐子工作特性:間歇加熱
 
   原爐型:一端加熱箱式爐
 
   現爐型:兩端交替加熱箱式爐
 
   爐溫:1300℃
 
   燃料:天然氣
 
   熱值:40000 kJ/m3
 
   產量:1.5 t/h
 
   熱效率:5%(原)30%~45%(現)
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