蓄热式低温余热回收及其在工业窑炉上的应用

摘要

目前我国能源消费以煤为主,效率低且污染严重。提高天然气等清洁燃料的消费比例有利于优化我国的能源结构。与煤炭相比,天然气等价格相对较高,需要进一步提高其利用效率,最有效的方法是回收燃烧后烟气的低温余热。
　　国外已经普遍使用冷凝式锅炉及热水器回收烟气中水蒸汽的冷凝潜热,有效地提高了燃气炉的热效率。但冷凝式锅炉和热水器用低温给水作为介质回收冷凝潜热,难以推广到其他类型加热炉上。
　　本文提出利用助燃空气回收烟气的低温余热,该技术路线有更广的应用范围。通过热平衡计算,发现烟气温度低于一个临界值时,可以用助燃空气回收烟气中水蒸汽冷凝潜热,而高于该值时只能回收烟气的显热。过剩空气系数1.1时,天然气烟气的临界值在270℃左右,焦炉煤气烟气的临界值在260℃左右,过剩空气系数增大临界值升高。
　　回收烟气低温余热需要解决的一个关键问题是空气预热器的低温腐蚀,传统管式、板式、热管式换热器多采用金属材料,易发生低温腐蚀。传统空气预热器内部气-气换热系数低,低温烟气与空气的传热温差小,因此需要很大的传热面积,造价高昂。本文提出采用阀门切换型蓄热式换热器作为低温余热回收换热器,该换热器结构紧凑、效率高、耐腐蚀、布置灵活。
　　建立了一台蓄热式低温余热回收实验炉,在水蒸汽冷凝余热得以回收的情况下,整个实验炉热效率按高位发热量计算可达96.1％。如果按目前常用的低位发热量为基准计算,其热效率更可达106.7%。
　　与传统蓄热式燃烧技术相比,蓄热式低温余热回收系统预热空气温度低,因此其燃烧器需要进行针对性改进。本文采用空气分级燃烧方式降低NOx,一次风旋流作为稳燃措施,且安装长明火点火枪保证换向时刻点火可靠性。燃烧器阻力降低后,蓄热式加热炉普遍存在的炉压偏高问题也得到了解决。
　　以一台管式加热炉为例,将蓄热式低温余热回收与传统烟气余热回收技术进行了经济性对比。结果显示蓄热式换热器可使管式炉热效率提高3%,成本降低13.6%。将蓄热式燃烧技术用于陶瓷梭式窑,可实现26.8%的节能量,且产品质量得以提升。

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1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 烟气中可回收的冷凝潜热计算

1.3 烟气冷凝余热回收研究现状

1.4 烟气水蒸汽冷凝潜热回收技术

1.5 用助燃空气回收烟气冷凝潜热的可行性

1.6 论文研究内容

2 蓄热式烟气低温余热回收技术

2.1 蓄热式燃烧技术简介及发展概况

2.2 蓄热式燃烧技术研究现状

2.3 蓄热式燃烧在烟气低温余热回收方面的应用现状

2.4 本文采用的技术路线

3 蓄热式低温余热回收实验炉

3.1 实验装置整体设计

3.2 控制与数据采集系统

3.3 蓄热式换热器

4 实验装置燃烧器设计

4.1 燃烧器技术要求

4.2 空气分级燃烧特性实验研究

4.3 长明火点火枪设计

4.4 低阻力、低NOx实验炉燃烧器

5 实验结果与讨论

5.1 炉膛压力波动

5.2 炉膛温度分布

5.3 蓄热室内温度分布

5.4 综合热效率

5.5 NOx排放特性

5.6 本章小结

6 传统管式空预器与蓄热式空预器的经济性对比

6.1前言

6.2改造前的管式加热炉

6.3管式炉烟气余热回收节能改造

6.4管式炉蓄热式节能改造方案设计

6.5经济性对比

7 蓄热式低温余热回收在梭式窑上的工业应用

7.1 前言

7.2 传统梭式窑能耗现状

7.3 蓄热式燃烧技术在梭式窑上应用现状

7.4 蓄热式梭式窑原理

7.5 蓄热式梭式窑工业实验装置

7.6 实验结果与讨论

7.7 本章小结

8 总结和展望

8.1 全文总结

8.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间撰写及发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 攻读博士学位期间承担和参与的项目

附录4 攻读博士学位期间所获主要奖励