直流蓄换热技术在工业炉节能领域的应用

1.引言

随着社会的发展，人类对能源的利用逐步增加，加重了空气污染，其中工业污染占比较大，污染物种类多，对人类、动植物的生存产生了严重影响。其中CO2的大量排放，也是引起温室效应的直接原因。直流蓄热技术的应用，可以使传统换热工业炉的热利用率由50%提高至80%-85%以上，NOx排放量明显降低，而且设备维护费用低，蓄热体介质更换方便快捷，使用寿命长，使用领域可以扩展到所有燃烧式加热炉，发展前景广阔。

2.直流蓄换热装置的特点

2.1 传统蓄热烧嘴的局限性

蓄热烧嘴结构是由陶瓷烧嘴和蓄热室两部分组成，蓄热室内填充蓄热材料，分为蜂窝体和陶瓷球两种，常用的是蜂窝体。蓄热烧嘴成对安装在炉窑侧壁上，通过换向阀操作。其特点是一套系统至少有两个烧嘴，对称分布，两个蓄热器，一个热能回收系统、相应的换向控制装置。虽然蓄热式烧嘴可节省能源70%，提高燃烧效率90%，但其使用领域有很大局限：要求炉体成轴向对称分布，烧嘴对称分布，这样才能保证进气量和排气量平衡，使炉内气压波动幅度小，温度场均衡变换，有利材料加热；另外燃料必须为气体，以混燃形式燃烧，才能保证充分燃烧。

山东某厂φ100生产线环形炉在2016年进行了蓄热烧嘴改造，结果并不理想。初期改造是内侧9个烧嘴为一组，外侧15个烧嘴为一组，以进行蓄热换向燃烧，结果导致炉内气压剧烈波动，热量从炉门、烟道、观测孔不断涌出散失，使得钢坯加热时间变长，氧化皮增多。由于温度场不稳定，容易引起钢坯局部过烧，轧制开裂现象时有发生。经过一个月的测定，每吨天然气用量只比改造前节省2m³。由于烧嘴寿命只有6个月，改造及维护成本较高，因而出现了节能不节钱的现象。半年后进行了蓄热烧嘴的重新组合，取外侧的9个烧嘴与内侧配合，外侧的其余6个烧嘴，相邻组对。最后相邻组对的蓄热烧嘴只维持了3个月便被破坏。这是因为相邻的一对烧嘴在其中一个排出烟气的过程中，吸入了相邻未完全燃烧的混燃气体，使得在蓄热室中继续燃烧，产生高温。排出的烟气中含有氧化铁气氛，与蓄热体基体反应生成了低熔点化合物，破坏了蓄热基体。

2.2 直流蓄换热装置的设计

2.2.1 直流蓄换热装置结构见图1。

图1 直流蓄换热技术设计原理图

其工作原理是：在同一时间，四个三通电磁阀同时动作处于图1的A状态，电磁阀（4）关闭通往热烟气管道（2）的通道，保持和热空气管道（3）的连通，电磁阀（1）关闭通往热空气管道（3）的通道，保持和热烟气管道（2）连通，电磁阀（5）关闭通往冷空气管道（6）的通道，保持和废烟气管道（7）连通，电磁阀（8）关闭通往废烟气管道（7）的通道，保持和冷空气管道（6）连通，燃烧后的热烟气经热烟管道（2）进入蓄热体独立型腔（9）冷却放出热量后，流动到废烟气管道（7）经引风机排到大气中，冷空气经管道进入蓄热体独立型腔（10），经预热后进入热空气管道（3）；经过一定时间后，四个三通电磁阀同时换向，处于图1的B状态，电磁阀（4）关闭通往热空气管道（3）的通道，保持和热烟气管道（2）的连通，电磁阀（1）关闭通往热烟气管道（2）的通道，保持和热空气管道（3）连通，电磁阀（5）关闭通往废烟气管道（7）的通道，保持和冷空气管道（6）连通，电磁阀（8）关闭通往冷空气管道（6）的通道，保持和废烟气管道（7）连通，燃烧后的热废烟气经热烟管道（2）进入蓄热体独立型腔（10）冷却放出热量后，流动到废烟气管道（7）经引风机排到大气中，冷空气经管道进入蓄热体独立型腔（9），经预热后进入热空气管道（3）。蓄热室(9)和(10)中装有陶瓷蓄热球和蜂窝蓄热体。

2.2.2 直流蓄换热装置的应用计算

（1）环形炉参数

加热参数：进料温度20℃，出料温度1280℃。

炉膛排出烟气平均温度1200℃ ,空气预热进炉温度900℃ ,废烟排入大气时130℃。

炉膛高度：预热段1米, 加热段1.6米,均热锻1.2米。

天然气成份见表1：

（2）燃料计算

天然气低发热值：Qd=36310.4kJ/Nm3

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

（4）燃烧产物生成量及成分见表3。

2.2.3 蓄热室主要设计尺寸计算

（1）热量收入：燃料燃烧的化学热量：

（2）预热空气带入物理热量：

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 天然气的组成成份体积百分比 %

表2 湿天然气中各种成份体积百分比 %

表3 1Nm3的天然气完全燃烧产物中各种成分的体积

（3）铁氧化反应放出热量：

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

（4）炉子共获得热量：

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

（5）金属坯料带出热量：

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

（6）出炉烟气带走热量：

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

（7）炉体砌筑散热或蓄热损失热量：

炉体散热：Q6=3.29×106kJ/h（见表4、表5）。

查阅工业炉设计手册，炉体耐材导热系数，通过方程：

（8）炉门、观察孔因辐射散失热量：

（9）水封槽散热：

循环水散热：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）其他热量损失，一般取热量收入的3%-5%。取3%，即Q9=0.03入

（11）根据热平衡Q入=Q放得：B燃=719Nm3

（12）炉子热量利用率：ξ=62.52%

3.直流蓄换热换向装置的设计参数

3.1 风管道设计参数

（1）风机需供应冷空气量：719×10.57=7600 Nm3/h

（2）初选空气流速：冷空气V冷空9m/s。

钢铁设计手册查表6-7得：冷风管道直径D冷空=560mm

（3）由伯努利方程P=ρv2/2+P0（P总压 ρ空气密度 v风速 P0静压）

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

表4 各段炉壁内表面平均温度列表 ℃

表5 炉体内衬耐材及厚度 mm

表6 各加热段不同部位热流 kJ/m2.h

3.2 蓄热室断面积计算

（1）气体流经的蓄热球体（直径2cm），按照密排结构可知，孔隙率为9.35%，每个孔截面积为：3.2×10-5㎡，相当于管直径D蓄=3.19mm的细管道。

设定有效流量面积相等（取热烟管道直径），蓄热室截面为：

D蓄=S热烟÷9.35%=3.14×0.42÷9.35%=5.38m2。

相当于气体由管道直径3.19mm的2887根细管道汇集进入直径800mm的总管道（热烟管道）。

（2）热空气在蓄热室被加热到900℃时的速度头

考虑到阻力及流量损失可以采用风压800Pa，流量10000m³/h的低压鼓风机。

（3）同理可以得出引风机风压1000Pa，流量14000m3/h的低压引风机为优选。

4.三种蓄热节能在环形转底加热炉中的应用对比

4.1 不同余热回收原理的热量回收效果

以山东某无缝管厂为例，2016年底对采用换热方式的φ33米环形炉进行了蓄热烧嘴改造，与采用直流蓄换热装置的效果对比数据。每吨钢坯加热到1280℃出炉，各项指标对比见表7。

4.2 三种热量回收方式结果分析

4.2.1 烟气的散热量

换热式：交流蓄热式：直流蓄换热式= 7.19：6.73：1。

交流蓄热相对换热方式热的回收效率高，烟气带走的热量反而接近于换热方式，原因是烧嘴分布不对称，进出气体总量失衡，导致炉压由50Pa到240Pa的频繁震荡，“高压”状态下，高温烟气由出料口、进料口、观测孔等处大量外溢，带走热量，所以交流蓄热，烟气损失热量也比较多。换热式炉压能够保持微正压，并一直平稳，高温烟气通过热交换效率较低，一般为40%。直流蓄换热式，高温烟气余热回收率90%，且保持炉内恒压，在微正压状态，烟气直接散失的热量很少，故直流蓄热式烟气余热回收率最高，烟气热量散失最低。

4.2.2 炉体散热量

换热式：交流蓄热式：直流蓄热式=1.14：1.03：1。

出现这种情况的原因：热交换式消耗燃料最多，生成的烟气最多，炉体内衬及炉皮表面相对得到更多热量的支持，温度普遍相对其它两种方式较高，散热也较多。交流蓄热式炉体散热更接近直流蓄热式，是因为部分烟气直接在“高压”时溢出，炉衬得到热量相对减弱，温度梯度相对“较小”，散热也相应减弱，这种影响主要体现在一加热段和预热段。

4.2.3 水吸热损失

换热式：交流蓄热式：直流蓄热式= 2.91：2.99：1。

换热式出现这种情况的原因：①热交换式烟气流量最大，随着烟气流动，水蒸汽分压衰减快，不断依靠水的蒸发补充。②流速快在一定程度上加速了水的表面蒸发。③预热段、第一加热段烟气平均温度稍高于直流蓄热，水表面得到的热量充足，对水的提温快。对于交流换热式除具有换热式的上述三个特点外，炉压起伏频繁，烟气扰动更剧烈，更利于水的蒸发和热传递，所以热损失比换热式还高一点。

直流蓄换热出现这种情况的原因：①炉压微正压，保持恒定。②生成烟气少，流动量小，水蒸气分压容易饱和，减少蒸发量。③预热段、第一加热段，高温烟气流量少，平均温度相对“较低”，水的蒸发热传递速度减小。

表7 三种热量回收方式炉子不同部位热量散失数量表

由三种余热回收方式的总散热量对比可知，直流蓄热在节能领域，特别是在非对称炉体余热利用方面有着独特的优越性。

5.经济效益分析

以年产25万吨的φ33米环形炉为例：（1）每年节省燃气：(47-24)×250000=5.75×106m³。节省燃料费用：3×5.75×106= 1725万元。（2）每年减排CO2量：1.02×5.75×106×1.977 = 11595吨。

6.结论

直流蓄换热节能技术，烟气余热回收率高，应用领域可扩展到所有燃烧加热炉领域。据国际能源署（IEA）发布的2018年报告，受能源激增和天气因素影响，全球二氧化碳排放量创历史新高，达到330亿吨，其中约1/3来自煤炭。我国在温室气体减排上仍然面临巨大压力。

根据我国无缝管年产4000多万吨测算，直流蓄换热技术的应用，将节约天然气达1亿立方米，减排CO2量186万吨。随着直流蓄换热技术在燃烧式工业炉的全面推广，将为我国的节能减排和环境保护做出巨大贡献。