梭式窯煙氣廢熱利用系統的設計

曾令可，劉艷春，朱文成，劉平安，程小蘇，龔　輝

（華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640）

梭式窯煙氣廢熱利用系統的設計

曾令可，劉艷春，朱文成，劉平安，程小蘇，龔輝

（華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640）

高溫空氣燃燒技術是近10多年來高速發展的一種新型燃燒技術，具有高效、節能和低污染等特性，目前正得到越來越廣泛的應用。本文在分析高溫空氣燃燒技術的基本原理基礎上結合陶瓷梭式窯的特點，設計了梭式窯高溫空氣燃燒（HTAC）系統，構建實體模型進行實驗，研究余熱回收系統的溫度效率及煙氣在蜂窩陶瓷內壓力損失。研究結果表明，加熱期與冷卻期的溫度效率分別為：92.0%，93.2%，測量熱煙氣和預熱空氣的壓力損失分別為126.3Pa，107.8Pa，節能率可達26%以上。

余熱回收；高溫空氣燃燒技術；蜂窩陶瓷蓄熱體；梭式窯；節能環保

0　引　言

梭式窯是一種以窯車做窯底的倒焰（或半倒焰）間歇式生產的熱工設備。除具有一般倒焰窯操作靈活性大，能滿足多品種生產等優點外，其裝窯、出窯和制品的部分冷卻可以在窯外進行。既改善了勞動條件，又可以縮短窯的周轉時間，靈活性強。但由于間歇燒成，窯的蓄熱損失和散熱損失大，受熱延程短，熱交換不充分，故煙氣溫度高，熱耗量較高，煙氣余熱的利用問題尚沒有引起足夠的重視［1］。

高溫空氣燃燒技術（HTAC）又稱無焰燃燒技術，是二十世紀90年代初在日本國際貿易和工業廳的資助下，由日本新能源和工業技術開發組織（NEDO）及日本一些企業和研究院共同開發的一項新的燃燒技術。它的特征是煙氣熱量被最大限度地回收，助燃空氣被預熱可高達1000 ℃以上，經過充分的熱交換，促使排煙溫度降低，接近300 ℃或更低，熱回收率最高可達70%。大大地提高燃料的利用率，爐膛平均溫度高，溫度均勻性好，NOX、CO等污染物排放量少，可燃燒低熱值燃料及設備投資費用低等等眾多優點。該項技術在國際上引起了廣泛的關注，流行于美、日、歐等各國。一些工業發達國家已在鋼鐵、冶金［2］、機械和建材等部門的各種工業爐窯中采用了高溫空氣燃燒技術。我國在工業上應用高溫空氣燃燒技術方面的工作也已開始，并取得了良好的效果。但其在陶瓷行業的應用一直鮮有報道［4］，陶瓷行業是高耗能行業，能耗占總成本的25%-40%，窯爐的余熱利用只有30%-50%［5］。如果能將此種技術應用到所有的梭式窯上其意義無疑是巨大的。隨著高溫空氣燃燒技術的不斷完善，該項技術將會有更加廣闊的發展前景。

1　高溫空氣燃燒技術的原理及特點

高溫空氣燃燒技術的關鍵是采用高效蓄熱式燃燒系統，該燃燒系統主要由燃燒室、成對布置的燃燒器和蓄熱器、換向閥等主要部件組成，其系統示意圖如圖1所示。高溫空氣燃燒技術主要利用燃料燃燒后產生煙氣的顯熱來加熱燃燒所需的空氣，使預熱空氣溫度高達800 ℃以上。

圖1　高溫空氣燃燒系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of HTAC system

當燒嘴A工作時，A側燃料閥打開，B側關閉。經蓄熱器A預熱后的空氣連同燃料由燒嘴A噴入燃燒室，加熱后的高溫煙氣經燒嘴B進入蓄熱器B，將其顯熱傳遞給蓄熱體后，經換向閥排出。經過一定時間（20 s-200 s）后，換向閥動作，此時B側燃料閥打開，A側關閉?？諝饨洆Q向閥進入蓄熱器B吸收蓄熱體的熱量，然后連同燃料通過燒嘴B進入燃燒室燃燒，產生的高溫煙氣經由燒嘴A進入蓄熱器A，在那里釋放熱量后經換向閥排出，完成一個換向周期。這樣蓄熱體周期性地儲存煙氣放出的熱量，并用儲存的熱量加熱助燃用空氣，實現了“極限余熱回收”。

用高溫空氣燃燒技術來代替傳統換熱器熱回收系統，主要優點：

⑴ 降低生產成本

采用蓄熱式燃燒技術，擴展了火焰的燃燒區域，火焰邊界幾乎擴展到爐膛邊界，爐膛溫度均勻，延長爐襯壽命。而且由于爐內氣流來回切換，加強了爐內傳熱，爐膛平均溫度提高，加熱速度快。另外由于加熱爐幾乎沒有預熱段，爐子造價減少，爐子長度縮短，運行成本降低。

⑵ 節約能源，降低燃耗

采用該燃燒技術可以將煙氣余熱利用到幾乎接近極限的程度，排煙溫度最低可降到150 ℃左右，余熱回收率可達70%，爐子平均節能30%左右，節能降耗非常明顯。

⑶ 溫度均勻可加快燒成速度

由于空氣預熱溫度很高，幾乎接近煙氣溫度，空氣與燃料在爐膛內邊混合邊燃燒，燃燒速度加快，燃燒完全，通過優化設計在爐膛內實現貧氧燃燒；而且爐子沒有預熱段，爐膛溫度均勻，加熱速度快，有利于快速燒成。

⑷ 減小對環境的污染

不論對何種燃料，污染物的排放量都大大減少，排煙溫度都非常低，有效地抑制了溫室效應。

⑸ 投資較小

與原工業爐的總體設計比，除燃燒系統外，其余系統改造量不大，投資也基本不增加。

2　蓄熱室的設計

2.1結構及尺寸設計

HTAC系統的關鍵是蓄熱室的尺寸大小，即換熱器的容量，要實現極限余熱回收的關鍵是要有足夠的換熱面積及充裕的換熱時間，換熱時間的長短又受制換熱面積的大小和換熱溫度梯度的大小，故設計中首先要計算換熱面積。下面以實驗用小梭式窯計算為例。

設計采用的蜂窩陶瓷材質為堇青石材料，其規格為100 mm×100 mm×100 mm，26孔×26孔，孔尺寸為3 mm×3 mm，壁厚為0.8 mm。煙氣流量最大為690 m3/h（風機的最大功率370 w），蓄熱室橫截面積：

式中，S為蓄熱室橫截面積，m2；Gf為進口煙氣的流量，m3/s；Vf為進口煙氣的流速，m/s。

單塊蜂窩體的流通截面積為：

式中， Sh為單塊蜂窩體的流通截面積，m2；n為單塊蜂窩體的孔個數；d為孔的邊長，m；

蓄熱室橫截面所用蜂窩陶瓷塊數為：

則有：2.6257＜N＜3.9386

本研究設計取4塊，排列成正方形截面；按優化方案蜂窩陶瓷長度為800 mm，采用8塊蜂窩陶瓷堆砌；每塊蜂窩陶瓷之間留30 mm距離，防止因為多塊蜂窩陶瓷堆砌時孔洞偏移導致塊與塊之間孔通道堵塞；并在每兩塊蜂窩陶瓷之間插入K分度號的熱電偶，用以測量通過每塊蜂窩陶瓷后的煙氣溫度變化；蜂窩陶瓷與不銹鋼蓄熱室壁之間填充5 mm厚的陶瓷纖維作為不銹鋼外壁的保溫層，以減少外壁的散熱，整個設計如圖2所示。

2.2蓄熱體裝配結構

蜂窩陶瓷采用長、寬、高均為100 mm的立方體蜂窩陶瓷。其材質為堇青石，橫截面上有26×26個、尺寸為3 mm×3 mm的方孔，孔壁厚為0.8 mm。蜂窩陶瓷及其在蓄熱室中的裝配方式如圖3所示。

圖2　蓄熱室的三視圖及局部剖面圖Fig.2 Three-view and partial sectioned view drawing of regenerator

圖3　堇青石蜂窩陶瓷及其在蓄熱室中的裝配方式Fig. 3 Cordierite honeycomb ceramic bricks and their flling style in regenerator

2.3四通換向閥的設計

綜上所述，惠州遺存的傳統道教祭祀場所選址，經宋、清兩次道教的俗化演變，形成以羅浮山道教神祗信仰為基礎，結合惠州民間信仰的獨特地方道教風俗祭祀場所。二者基于地域文化的交融同化，及晚清羅浮山道教對民間信仰的管理兼并，導致現存的清代、民末的惠州州府級別的民間信仰祭祀場所選址受羅浮山道教潛移默化的影響。

由于蓄熱室工作過程中必須在一定的時間間隔內實現常溫空氣與高溫煙氣的頻繁切換，因此四通換向閥是其關鍵部件之一。

梭式窯產生的高溫煙氣在進入蓄熱室之前溫度較高，加之換向次數頻繁，切換周期短，煙氣中含有的微小粉塵會對頻繁動作的部件構成磨損，對四通換向閥的材料有較高的要求，四通換向閥宜采用旋轉式設計。

根據前面的設計計算，四通閥的四個進出口的圓外徑為D=89 mm，兩個四通閥均采用金屬密封技術。煙氣換熱前進入的四通閥需耐高溫，選用不銹鋼材料為316L，18Cr-12Ni-2.5Mo。

實現四通閥的切換控制方式有幾種，可以采用氣動控制、電動控制、機械控制等。本項目采用電動控制。

2.4梭式窯的高溫空氣燃燒系統設計

本文設計的梭式窯高溫空氣燃燒系統如圖4所示，蜂窩陶瓷與燒嘴是分離的，設計成了A，B兩個蓄熱室；梭式窯的兩只燒嘴始終是作為燃燒器，而不是像目前大部分工業窯爐中分布在窯爐兩側交替作為燃燒器和煙道進行燃燒和排煙。

圖4　梭式窯的高溫空氣燃燒系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of shuttle kiln HTAC system

系統工作時，由鼓風機9送入的助燃空氣經四通換向閥進入蓄熱室A，蓄熱室A內蜂窩陶瓷把所蓄的熱量傳遞給助燃空氣，其自身溫度降低，助燃空氣被加熱升溫，然后由熱風管道11進入梭式窯內與燃料混合燃燒。此時高溫煙氣由煙道經四通閥4流入蓄熱室B將其熱量傳遞給蓄熱室B內的蜂窩陶瓷，蜂窩陶瓷獲得熱量溫度升高，而熱煙氣把熱量傳遞給蜂窩陶瓷后溫度逐漸降低，達到動態熱平衡后經排煙機8排入大氣；經過一個換向時間后，四通閥換向使助燃空氣由原來流經蓄熱室A變為流經蓄熱室B，被加熱后由熱風管道11進入梭式窯內與燃料混合燃燒，產生的高溫煙氣進入蓄熱室A，蓄熱室A內的蜂窩陶瓷獲得熱量溫度升高，煙氣溫度經換熱降低后經排煙機8排入大氣。經過相同的換向時間后四通閥換向，助燃空氣再次流向蓄熱室A，回到開始描述的狀態，完成一個換熱周期。

按照設計構建的實驗用梭式窯高溫空氣燃燒系統如圖5（a）所示。

⑴ 溫度記錄系統、煙氣成分分析系統及壓力損失測試

圖5　梭式窯高溫空氣燃燒系統實物圖Fig.5 Practicality of shuttle kiln HTAC system

各熱電偶的排布與編號見圖5（a）所示，0號測溫點的熱電偶是分度號為S的鉑銠-鉑熱電偶，插入窯內用于測量梭式窯內溫度；1，2號測溫點的熱電偶是分度號為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶，用于測量蜂窩陶瓷熱端與冷端的氣體溫度；采用ADAM-4520、ADAM-4018A/D溫度采集模塊，由組態王軟件測溫程序采集、記錄各熱電偶測溫點溫度。使用德國產Testo300M-1煙氣成分分析儀對煙氣進行成分分析。壓力損失用U型管測量。

⑵ 鼓風與排煙系統

鼓風機為佛山市南海九州風機廠生產的CER-370離心式中壓風機，其參數為：功率370 w，風量690 m3/h，風壓1800 Pa；排煙機是上海金鑼電器有限公司生產的CER76-370低噪聲強力中壓風機。其參數為：功率370 w，風量780 m3/h，風壓1500 Pa。風量由風閥控制，實驗鼓風量為517.6 m3/h，排煙量略微大于鼓風量使窯內略微呈負壓。

3　系統性能評定指標

系統的性能指標，一般包括加熱期溫度效率、冷卻期溫度效率和壓力損失。

加熱期溫度效率：

4　實驗和效果

4.1數值模擬

啟動過程中，蜂窩陶瓷冷端與熱端氣體的瞬時溫度如圖6所示。蜂窩陶瓷煙氣入口端為熱端，助燃空氣入口端為冷端。在圖6中冷端出口氣體為煙氣，其溫度在開始的幾次切換過程中接近于303 K，隨后急劇上升，然后增幅逐漸放緩，最后趨于水平。而熱端出口氣體為熱空氣，其出口溫度也是隨切換次數的增加逐漸升高，然后增幅趨于平緩直至穩定。這是因為在啟動過程中，每個加熱期蜂窩體吸收的熱量大于冷卻期被空氣帶走的熱量，使得每個換向周期完成后，都有剩余的熱量積累在蜂窩陶瓷內，導致蜂窩陶瓷的溫度不斷升高。使得它與煙氣的溫差逐漸減小，換熱能力不斷減弱，在加熱期所能吸收的熱量也就越來越少。因此，煙氣出口溫度逐漸上升。而蜂窩陶瓷的溫度不斷升高，使其與空氣的溫差變大，換熱能力增強，在冷卻期所能釋放的熱量也就越來越多，故預熱后的空氣出口溫度不斷升高。

進入穩定工作期后，加熱期溫度效率為：94.6%，冷卻期溫度效率為：93.7%，壓力損失為：457.7 Pa。

4.2小型梭式窯實驗

實驗時環境空氣溫度為10 ℃左右，啟動鼓風機與排煙機，煙氣經過左側的蓄熱室排出，空氣經過右側的蓄熱室進入梭式窯內。點火開機，通過調節燃氣量將窯內溫度控制在800 ℃-900 ℃之間。當左側蓄熱室內的蜂窩陶瓷蓄熱能力達到飽和后，開始以30s為一個周期進行換向操作，從啟動到蓄熱室穩定工作各測溫點的溫度曲線如圖7所示。

右側蓄熱室作為空氣通道，空氣從其中通過進入梭式窯內，換向后它變為煙氣通道開始蓄熱。測溫點1測量蜂窩陶瓷熱端氣體溫度，測溫點2測量蜂窩陶瓷冷端氣體溫度，換向的瞬間測溫點1與點2測量的均為空氣溫度，分別為16.8 ℃和18.0 ℃。其后煙氣進入測溫點1所測溫度開始急劇上升，而測溫點2所測為煙氣出口溫度，由于煙氣熱量被蜂窩陶瓷所吸收，煙氣出口溫度幾乎接近室溫；30s后換向，空氣由冷端進入，被蜂窩陶瓷預熱經熱端排出通入窯內，由于蜂窩陶瓷所儲存熱量較少，空氣被預熱后溫度不高，而且溫差較大。如此循環換向，蓄熱室工作逐漸進入穩定狀態。整個啟動過程與模擬結果十分的相近（見圖5）。待到蓄熱室穩定工作后，按照式1、2所計算得，加熱期與冷卻期的溫度效率分別為：92.0%，93.2%，測量壓力損失分別為126.3Pa，107.8Pa。

圖6　啟動過程冷端和熱端氣體瞬時溫度Fig.6 Instant temperatures of gas at cool end and hot end in start-up process

圖7　測溫點0、1、2所測的溫度曲線Fig.7 Temperature curves obtained at testing points 0， 1 and 2

對比最優方案模擬結果（入口煙氣溫度1000 ℃），加熱期溫度效率為94.6%，冷卻期溫度效率為93.7%，壓力損失為457.7Pa，是比較相近的。同時也驗證了用數值模擬正交實驗中煙氣入口溫度對加熱期溫度效率較為顯著，對冷卻期溫度效率不十分顯著的分析。對于壓力損失的差距是由蜂窩陶瓷填裝時每100 mm留開了30 mm的距離、實驗煙氣溫度比模擬煙氣溫度低以及測量儀器的精度等原因造成的。

表1　排煙機出口煙氣成分測試結果Tab.1 Composition of fue gas at outlet of induced draft fan

采用Testo300M-1煙氣成分分析儀對排煙機出口煙氣進行成分分析，結果見于表1。其中，NOX含量為0。因為NOX的生成與溫度有關，在1300 ℃以下很難生成NOX。

5　結　論

⑴本設計中使用的蜂窩陶瓷孔邊長為3 mm，蜂窩陶瓷高度為800 mm，入口煙氣流速為8 m/s，入口煙氣溫度為1273 K，換向時間為30 s，蜂窩陶瓷孔壁厚為0.8 mm。對其進行數值模擬，進入穩定工作期后，加熱期溫度效率為：94.6%；冷卻期溫度效率為：93.7%；壓力損失為：457.7 Pa。

⑵構建小型梭式窯高溫空氣燃燒系統進行實驗，加熱期與冷卻期的溫度效率分別為：92.0%，93.2%；測量壓力損失分別為126.3 Pa，107.8 Pa。和計算機模擬結果的誤差分別為：2.7%，0.5%，72.4%。

⑶通過多次實驗證明，該換熱器系統可節能達26%以上。

［1］ 趙越清.陶瓷燃氣梭式窯的余熱分析與利用［J］， 陶瓷， 2000（6）：33-34.

［2］ 歐儉平. 高溫空氣燃燒技術在冶金熱工設備上的應用及數值仿真和優化研究［博士論文］［R］. 長沙： 中南大學，2004.

［3］ 張繼光， 武立云. 高溫空氣燃燒技術應用于陶瓷窖爐的實驗研究［D］.第七屆全國工業爐學術年會論文集， 2006（8）： 308-314.

［4］ 尾花英郎. 徐中權譯.熱交換器設計手冊［上冊］［M］. 北京： 烴加工出版社， 1987.

［5］ 朱聘冠， 換熱器原理及計算［M］. 北京：清華大學出版社， 1987.

Design of Exhaust Heat Utilization System for Shuttle Kiln

ZENG Lingke，LIU Yanchun， ZHU Wencheng， LIU Pingan， CHENG Xiaosu， GONG Hui
（Department of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， Guangdong， China）

As a new combustion technique with rapid development in last decade， high temperature air combustion has been widely applied because of its high energy effciency and low pollution. Based on the analysis of the basic principles of high temperature air combustion technology and the characteristics of the ceramic shuttle kiln， high temperature air combustion （HTAC） system is designed and its real model is constructed for studying the effciency of temperature in waste-heat recovery systems as well as the pressure loss of fue gas within the ceramic honeycomb. The study indicates that the temperature effciencies of the heating period and cooling period are： 92.0% and 93.2%. The pressure losses of hot fue gas and preheated air are 126.3Pa and 107.8Pa. The energy-effciency can rate up to 26%.

waste heat recovery； high temperature air combustion technique； honeycomb ceramic regenerator； shuttle kiln； energy saving and environmental protecting

date：2016-06-15.Revised date： 2016-06-18.

TQ174.6+5

A

1006-2874（2016）04-0033-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.007

2016-06-15。

2016-06-18。

廣東省教育部產學研項目（2012B091100379）。

通信聯系人：曾令可，男，教授。

Correspondent author：ZENG Lingke，male， Professor.

E-mail：lingke@scut.edu.cn