直流蓄換熱技術在工業(yè)爐節(jié)能領域的應用

1.引言

隨著社會的發(fā)展，人類對能源的利用逐步增加，加重了空氣污染，其中工業(yè)污染占比較大，污染物種類多，對人類、動植物的生存產生了嚴重影響。其中CO2的大量排放，也是引起溫室效應的直接原因。直流蓄熱技術的應用，可以使傳統(tǒng)換熱工業(yè)爐的熱利用率由50%提高至80%-85%以上，NOx排放量明顯降低，而且設備維護費用低，蓄熱體介質更換方便快捷，使用壽命長，使用領域可以擴展到所有燃燒式加熱爐，發(fā)展前景廣闊。

2.直流蓄換熱裝置的特點

2.1 傳統(tǒng)蓄熱燒嘴的局限性

蓄熱燒嘴結構是由陶瓷燒嘴和蓄熱室兩部分組成，蓄熱室內填充蓄熱材料，分為蜂窩體和陶瓷球兩種，常用的是蜂窩體。蓄熱燒嘴成對安裝在爐窯側壁上，通過換向閥操作。其特點是一套系統(tǒng)至少有兩個燒嘴，對稱分布，兩個蓄熱器，一個熱能回收系統(tǒng)、相應的換向控制裝置。雖然蓄熱式燒嘴可節(jié)省能源70%，提高燃燒效率90%，但其使用領域有很大局限：要求爐體成軸向對稱分布，燒嘴對稱分布，這樣才能保證進氣量和排氣量平衡，使爐內氣壓波動幅度小，溫度場均衡變換，有利材料加熱；另外燃料必須為氣體，以混燃形式燃燒，才能保證充分燃燒。

山東某廠φ100生產線環(huán)形爐在2016年進行了蓄熱燒嘴改造，結果并不理想。初期改造是內側9個燒嘴為一組，外側15個燒嘴為一組，以進行蓄熱換向燃燒，結果導致爐內氣壓劇烈波動，熱量從爐門、煙道、觀測孔不斷涌出散失，使得鋼坯加熱時間變長，氧化皮增多。由于溫度場不穩(wěn)定，容易引起鋼坯局部過燒，軋制開裂現(xiàn)象時有發(fā)生。經過一個月的測定，每噸天然氣用量只比改造前節(jié)省2m3。由于燒嘴壽命只有6個月，改造及維護成本較高，因而出現(xiàn)了節(jié)能不節(jié)錢的現(xiàn)象。半年后進行了蓄熱燒嘴的重新組合，取外側的9個燒嘴與內側配合，外側的其余6個燒嘴，相鄰組對。最后相鄰組對的蓄熱燒嘴只維持了3個月便被破壞。這是因為相鄰的一對燒嘴在其中一個排出煙氣的過程中，吸入了相鄰未完全燃燒的混燃氣體，使得在蓄熱室中繼續(xù)燃燒，產生高溫。排出的煙氣中含有氧化鐵氣氛，與蓄熱體基體反應生成了低熔點化合物，破壞了蓄熱基體。

2.2 直流蓄換熱裝置的設計

2.2.1 直流蓄換熱裝置結構見圖1。

圖1 直流蓄換熱技術設計原理圖

其工作原理是：在同一時間，四個三通電磁閥同時動作處于圖1的A狀態(tài)，電磁閥（4）關閉通往熱煙氣管道（2）的通道，保持和熱空氣管道（3）的連通，電磁閥（1）關閉通往熱空氣管道（3）的通道，保持和熱煙氣管道（2）連通，電磁閥（5）關閉通往冷空氣管道（6）的通道，保持和廢煙氣管道（7）連通，電磁閥（8）關閉通往廢煙氣管道（7）的通道，保持和冷空氣管道（6）連通，燃燒后的熱煙氣經熱煙管道（2）進入蓄熱體獨立型腔（9）冷卻放出熱量后，流動到廢煙氣管道（7）經引風機排到大氣中，冷空氣經管道進入蓄熱體獨立型腔（10），經預熱后進入熱空氣管道（3）；經過一定時間后，四個三通電磁閥同時換向，處于圖1的B狀態(tài)，電磁閥（4）關閉通往熱空氣管道（3）的通道，保持和熱煙氣管道（2）的連通，電磁閥（1）關閉通往熱煙氣管道（2）的通道，保持和熱空氣管道（3）連通，電磁閥（5）關閉通往廢煙氣管道（7）的通道，保持和冷空氣管道（6）連通，電磁閥（8）關閉通往冷空氣管道（6）的通道，保持和廢煙氣管道（7）連通，燃燒后的熱廢煙氣經熱煙管道（2）進入蓄熱體獨立型腔（10）冷卻放出熱量后，流動到廢煙氣管道（7）經引風機排到大氣中，冷空氣經管道進入蓄熱體獨立型腔（9），經預熱后進入熱空氣管道（3）。蓄熱室(9)和(10)中裝有陶瓷蓄熱球和蜂窩蓄熱體。

2.2.2 直流蓄換熱裝置的應用計算

（1）環(huán)形爐參數(shù)

加熱參數(shù)：進料溫度20℃，出料溫度1280℃。

爐膛排出煙氣平均溫度1200℃ ,空氣預熱進爐溫度900℃ ,廢煙排入大氣時130℃。

爐膛高度：預熱段1米, 加熱段1.6米,均熱鍛1.2米。

天然氣成份見表1：

（2）燃料計算

天然氣低發(fā)熱值：Qd=36310.4kJ/Nm3

=2×93.96+3.5×3.29+5×0.33×1.1=10.57Nm3/Nm3

（4）燃燒產物生成量及成分見表3。

2.2.3 蓄熱室主要設計尺寸計算

（1）熱量收入：燃料燃燒的化學熱量：

（2）預熱空氣帶入物理熱量：

Q2=(Ck高tk高-Ck低tk低)n L0B燃=1.4×(900-20)×1.1×10.57×B燃=14324.5B燃(kJ/h)

表1 天然氣的組成成份體積百分比 %

表2 濕天然氣中各種成份體積百分比 %

表3 1Nm3的天然氣完全燃燒產物中各種成分的體積

（3）鐵氧化反應放出熱量：

Q3=4.18×1350Ga=4.18×1350×30×1000×2.5%= 4.23×106Kj/h

（4）爐子共獲得熱量：

Q入=Q1+Q2+Q3=36310B燃+14324.5B燃+4.23×106kJ/h

（5）金屬坯料帶出熱量：

Q4=P(C出t出-C進t進)=30×1000×(892.6-2.28)=2.67×107kJ/h (1300℃、20℃時比焓)

（6）出爐煙氣帶走熱量：

Q5=B燃V(C廢出t廢出-C廢環(huán)t廢環(huán))=B燃11.38×(1.432×150-1.379×20)=2130.6B燃kJ/h

（7）爐體砌筑散熱或蓄熱損失熱量：

爐體散熱：Q6=3.29×106kJ/h（見表4、表5）。

查閱工業(yè)爐設計手冊，爐體耐材導熱系數(shù)，通過方程：

（8）爐門、觀察孔因輻射散失熱量：

（9）水封槽散熱：

循環(huán)水散熱：Q8=A×1000×(t工-t常)×Cp×4.18+G×1000×i×4.18

=32×1000×(50-20)×1×4.18+1.2×1000×539×4.18=6.7×106kJ/h

（10）其他熱量損失，一般取熱量收入的3%-5%。取3%，即Q9=0.03入

（11）根據(jù)熱平衡Q入=Q放得：B燃=719Nm3

（12）爐子熱量利用率：ξ=62.52%

3.直流蓄換熱換向裝置的設計參數(shù)

3.1 風管道設計參數(shù)

（1）風機需供應冷空氣量：719×10.57=7600 Nm3/h

（2）初選空氣流速：冷空氣V冷空9m/s。

鋼鐵設計手冊查表6-7得：冷風管道直徑D冷空=560mm

（3）由伯努利方程P=ρv2/2+P0（P總壓 ρ空氣密度 v風速 P0靜壓）

得：P=1.29×12×12÷2+50=142.88Pa D冷煙=冷煙管道600mm

表4 各段爐壁內表面平均溫度列表 ℃

表5 爐體內襯耐材及厚度 mm

表6 各加熱段不同部位熱流 kJ/m2.h

3.2 蓄熱室斷面積計算

（1）氣體流經的蓄熱球體（直徑2cm），按照密排結構可知，孔隙率為9.35%，每個孔截面積為：3.2×10-5㎡，相當于管直徑D蓄=3.19mm的細管道。

設定有效流量面積相等（取熱煙管道直徑），蓄熱室截面為：

D蓄=S熱煙÷9.35%=3.14×0.42÷9.35%=5.38m2。

相當于氣體由管道直徑3.19mm的2887根細管道匯集進入直徑800mm的總管道（熱煙管道）。

（2）熱空氣在蓄熱室被加熱到900℃時的速度頭

考慮到阻力及流量損失可以采用風壓800Pa，流量10000m3/h的低壓鼓風機。

（3）同理可以得出引風機風壓1000Pa，流量14000m3/h的低壓引風機為優(yōu)選。

4.三種蓄熱節(jié)能在環(huán)形轉底加熱爐中的應用對比

4.1 不同余熱回收原理的熱量回收效果

以山東某無縫管廠為例，2016年底對采用換熱方式的φ33米環(huán)形爐進行了蓄熱燒嘴改造，與采用直流蓄換熱裝置的效果對比數(shù)據(jù)。每噸鋼坯加熱到1280℃出爐，各項指標對比見表7。

4.2 三種熱量回收方式結果分析

4.2.1 煙氣的散熱量

換熱式：交流蓄熱式：直流蓄換熱式= 7.19：6.73：1。

交流蓄熱相對換熱方式熱的回收效率高，煙氣帶走的熱量反而接近于換熱方式，原因是燒嘴分布不對稱，進出氣體總量失衡，導致爐壓由50Pa到240Pa的頻繁震蕩，“高壓”狀態(tài)下，高溫煙氣由出料口、進料口、觀測孔等處大量外溢，帶走熱量，所以交流蓄熱，煙氣損失熱量也比較多。換熱式爐壓能夠保持微正壓，并一直平穩(wěn)，高溫煙氣通過熱交換效率較低，一般為40%。直流蓄換熱式，高溫煙氣余熱回收率90%，且保持爐內恒壓，在微正壓狀態(tài)，煙氣直接散失的熱量很少，故直流蓄熱式煙氣余熱回收率最高，煙氣熱量散失最低。

4.2.2 爐體散熱量

換熱式：交流蓄熱式：直流蓄熱式=1.14：1.03：1。

出現(xiàn)這種情況的原因：熱交換式消耗燃料最多，生成的煙氣最多，爐體內襯及爐皮表面相對得到更多熱量的支持，溫度普遍相對其它兩種方式較高，散熱也較多。交流蓄熱式爐體散熱更接近直流蓄熱式，是因為部分煙氣直接在“高壓”時溢出，爐襯得到熱量相對減弱，溫度梯度相對“較小”，散熱也相應減弱，這種影響主要體現(xiàn)在一加熱段和預熱段。

4.2.3 水吸熱損失

換熱式：交流蓄熱式：直流蓄熱式= 2.91：2.99：1。

換熱式出現(xiàn)這種情況的原因：①熱交換式煙氣流量最大，隨著煙氣流動，水蒸汽分壓衰減快，不斷依靠水的蒸發(fā)補充。②流速快在一定程度上加速了水的表面蒸發(fā)。③預熱段、第一加熱段煙氣平均溫度稍高于直流蓄熱，水表面得到的熱量充足，對水的提溫快。對于交流換熱式除具有換熱式的上述三個特點外，爐壓起伏頻繁，煙氣擾動更劇烈，更利于水的蒸發(fā)和熱傳遞，所以熱損失比換熱式還高一點。

直流蓄換熱出現(xiàn)這種情況的原因：①爐壓微正壓，保持恒定。②生成煙氣少，流動量小，水蒸氣分壓容易飽和，減少蒸發(fā)量。③預熱段、第一加熱段，高溫煙氣流量少，平均溫度相對“較低”，水的蒸發(fā)熱傳遞速度減小。

表7 三種熱量回收方式爐子不同部位熱量散失數(shù)量表

由三種余熱回收方式的總散熱量對比可知，直流蓄熱在節(jié)能領域，特別是在非對稱爐體余熱利用方面有著獨特的優(yōu)越性。

5.經濟效益分析

以年產25萬噸的φ33米環(huán)形爐為例：（1）每年節(jié)省燃氣：(47-24)×250000=5.75×106m3。節(jié)省燃料費用：3×5.75×106= 1725萬元。（2）每年減排CO2量：1.02×5.75×106×1.977 = 11595噸。

6.結論

直流蓄換熱節(jié)能技術，煙氣余熱回收率高，應用領域可擴展到所有燃燒加熱爐領域。據(jù)國際能源署（IEA）發(fā)布的2018年報告，受能源激增和天氣因素影響，全球二氧化碳排放量創(chuàng)歷史新高，達到330億噸，其中約1/3來自煤炭。我國在溫室氣體減排上仍然面臨巨大壓力。

根據(jù)我國無縫管年產4000多萬噸測算，直流蓄換熱技術的應用，將節(jié)約天然氣達1億立方米，減排CO2量186萬噸。隨著直流蓄換熱技術在燃燒式工業(yè)爐的全面推廣，將為我國的節(jié)能減排和環(huán)境保護做出巨大貢獻。