直流蓄換熱技術(shù)在工業(yè)爐節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

1.引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)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(duì)人類、動(dòng)植物的生存產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。其中CO2的大量排放，也是引起溫室效應(yīng)的直接原因。直流蓄熱技術(shù)的應(yīng)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(shè)備維護(hù)費(fèi)用低，蓄熱體介質(zhì)更換方便快捷，使用壽命長(zhǎng)，使用領(lǐng)域可以擴(kuò)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(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)蓄熱燒嘴的局限性

蓄熱燒嘴結(jié)構(gòu)是由陶瓷燒嘴和蓄熱室兩部分組成，蓄熱室內(nèi)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(duì)安裝在爐窯側(cè)壁上，通過(guò)換向閥操作。其特點(diǎn)是一套系統(tǒng)至少有兩個(gè)燒嘴，對(duì)稱分布，兩個(gè)蓄熱器，一個(gè)熱能回收系統(tǒng)、相應(yīng)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(lǐng)域有很大局限：要求爐體成軸向?qū)ΨQ分布，燒嘴對(duì)稱分布，這樣才能保證進(jìn)氣量和排氣量平衡，使?fàn)t內(nèi)氣壓波動(dòng)幅度小，溫度場(chǎng)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(chǎn)線環(huán)形爐在2016年進(jìn)行了蓄熱燒嘴改造，結(jié)果并不理想。初期改造是內(nèi)側(cè)9個(gè)燒嘴為一組，外側(cè)15個(gè)燒嘴為一組，以進(jìn)行蓄熱換向燃燒，結(jié)果導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氣壓劇烈波動(dòng)，熱量從爐門(mén)、煙道、觀測(cè)孔不斷涌出散失，使得鋼坯加熱時(shí)間變長(zhǎng)，氧化皮增多。由于溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，容易引起鋼坯局部過(guò)燒，軋制開(kāi)裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的測(cè)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(gè)月，改造及維護(hù)成本較高，因而出現(xiàn)了節(jié)能不節(jié)錢(qián)的現(xiàn)象。半年后進(jìn)行了蓄熱燒嘴的重新組合，取外側(cè)的9個(gè)燒嘴與內(nèi)側(cè)配合，外側(cè)的其余6個(gè)燒嘴，相鄰組對(duì)。最后相鄰組對(duì)的蓄熱燒嘴只維持了3個(gè)月便被破壞。這是因?yàn)橄噜彽囊粚?duì)燒嘴在其中一個(gè)排出煙氣的過(guò)程中，吸入了相鄰未完全燃燒的混燃?xì)怏w，使得在蓄熱室中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生高溫。排出的煙氣中含有氧化鐵氣氛，與蓄熱體基體反應(yīng)生成了低熔點(diǎn)化合物，破壞了蓄熱基體。

2.2 直流蓄換熱裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 直流蓄換熱裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 直流蓄換熱技術(shù)設(shè)計(jì)原理圖

其工作原理是：在同一時(shí)間，四個(gè)三通電磁閥同時(shí)動(dòng)作處于圖1的A狀態(tài)，電磁閥（4）關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(jīng)熱煙管道（2）進(jìn)入蓄熱體獨(dú)立型腔（9）冷卻放出熱量后，流動(dòng)到廢煙氣管道（7）經(jīng)引風(fēng)機(jī)排到大氣中，冷空氣經(jīng)管道進(jìn)入蓄熱體獨(dú)立型腔（10），經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入熱空氣管道（3）；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，四個(gè)三通電磁閥同時(shí)換向，處于圖1的B狀態(tài)，電磁閥（4）關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(jīng)熱煙管道（2）進(jìn)入蓄熱體獨(dú)立型腔（10）冷卻放出熱量后，流動(dòng)到廢煙氣管道（7）經(jīng)引風(fēng)機(jī)排到大氣中，冷空氣經(jīng)管道進(jìn)入蓄熱體獨(dú)立型腔（9），經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)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(yīng)用計(jì)算

（1）環(huán)形爐參數(shù)

加熱參數(shù)：進(jìn)料溫度20℃，出料溫度1280℃。

爐膛排出煙氣平均溫度1200℃ ,空氣預(yù)熱進(jìn)爐溫度900℃ ,廢煙排入大氣時(shí)130℃。

爐膛高度：預(yù)熱段1米, 加熱段1.6米,均熱鍛1.2米。

天然氣成份見(jiàn)表1：

（2）燃料計(jì)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(chǎn)物生成量及成分見(jiàn)表3。

2.2.3 蓄熱室主要設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算

（1）熱量收入：燃料燃燒的化學(xué)熱量：

（2）預(yù)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(chǎn)物中各種成分的體積

（3）鐵氧化反應(yīng)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(jìn)t進(jìn))=30×1000×(892.6-2.28)=2.67×107kJ/h (1300℃、20℃時(shí)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(jiàn)表4、表5）。

查閱工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，爐體耐材導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)方程：

（8）爐門(mén)、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(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 風(fēng)管道設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）風(fēng)機(jī)需供應(yīng)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(shè)計(jì)手冊(cè)查表6-7得：冷風(fēng)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(fēng)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(nèi)表面平均溫度列表 ℃

表5 爐體內(nèi)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(jì)算

（1）氣體流經(jīng)的蓄熱球體（直徑2cm），按照密排結(jié)構(gòu)可知，孔隙率為9.35%，每個(gè)孔截面積為：3.2×10-5㎡，相當(dāng)于管直徑D蓄=3.19mm的細(xì)管道。

設(shè)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(dāng)于氣體由管道直徑3.19mm的2887根細(xì)管道匯集進(jìn)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(shí)的速度頭

考慮到阻力及流量損失可以采用風(fēng)壓800Pa，流量10000m3/h的低壓鼓風(fēng)機(jī)。

（3）同理可以得出引風(fēng)機(jī)風(fēng)壓1000Pa，流量14000m3/h的低壓引風(fēng)機(jī)為優(yōu)選。

4.三種蓄熱節(jié)能在環(huán)形轉(zhuǎn)底加熱爐中的應(yīng)用對(duì)比

4.1 不同余熱回收原理的熱量回收效果

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

4.2 三種熱量回收方式結(jié)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(duì)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(duì)稱，進(jìn)出氣體總量失衡，導(dǎo)致?tīng)t壓由50Pa到240Pa的頻繁震蕩，“高壓”狀態(tài)下，高溫?zé)煔庥沙隽峡凇⑦M(jìn)料口、觀測(cè)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?zé)煔馔ㄟ^(guò)熱交換效率較低，一般為40%。直流蓄換熱式，高溫?zé)煔庥酂峄厥章?0%，且保持爐內(nèi)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(nèi)襯及爐皮表面相對(duì)得到更多熱量的支持，溫度普遍相對(duì)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?yàn)椴糠譄煔庵苯釉凇案邏骸睍r(shí)溢出，爐襯得到熱量相對(duì)減弱，溫度梯度相對(duì)“較小”，散熱也相應(yīng)減弱，這種影響主要體現(xiàn)在一加熱段和預(yù)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(dòng)，水蒸汽分壓衰減快，不斷依靠水的蒸發(fā)補(bǔ)充。②流速快在一定程度上加速了水的表面蒸發(fā)。③預(yù)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(duì)水的提溫快。對(duì)于交流換熱式除具有換熱式的上述三個(gè)特點(diǎn)外，爐壓起伏頻繁，煙氣擾動(dòng)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(diǎn)。

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(dòng)量小，水蒸氣分壓容易飽和，減少蒸發(fā)量。③預(yù)熱段、第一加熱段，高溫?zé)煔饬髁可伲骄鶞囟认鄬?duì)“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(duì)比可知，直流蓄熱在節(jié)能領(lǐng)域，特別是在非對(duì)稱爐體余熱利用方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。

5.經(jīng)濟(jì)效益分析

以年產(chǎn)25萬(wàn)噸的φ33米環(huán)形爐為例：（1）每年節(jié)省燃?xì)猓?47-24)×250000=5.75×106m3。節(jié)省燃料費(fèi)用：3×5.75×106= 1725萬(wàn)元。（2）每年減排CO2量：1.02×5.75×106×1.977 = 11595噸。

6.結(jié)論

直流蓄換熱節(jié)能技術(shù)，煙氣余熱回收率高，應(yīng)用領(lǐng)域可擴(kuò)展到所有燃燒加熱爐領(lǐng)域。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的2018年報(bào)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(dá)到330億噸，其中約1/3來(lái)自煤炭。我國(guó)在溫室氣體減排上仍然面臨巨大壓力。

根據(jù)我國(guó)無(wú)縫管年產(chǎn)4000多萬(wàn)噸測(cè)算，直流蓄換熱技術(shù)的應(yīng)用，將節(jié)約天然氣達(dá)1億立方米，減排CO2量186萬(wàn)噸。隨著直流蓄換熱技術(shù)在燃燒式工業(yè)爐的全面推廣，將為我國(guó)的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。