蓄熱式熱交換技術(shù)的理論研究與應(yīng)用

蓄熱式熱交換技術(shù)的理論研究與應(yīng)用

1蓄熱式熱交換技術(shù)蓄熱熱交換技術(shù)是上世紀(jì)80年代提出的一種新節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是節(jié)能高效，平均節(jié)能率可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高30%。此外，相應(yīng)的高溫燃燒技術(shù)不僅提高了燃料的燃燒效率，還有效地為低熱值燃料打開了合理的使用方法。蓄熱式熱交換技術(shù)的應(yīng)用,其意義為:不僅在最大程度上節(jié)省了燃料,而且降低了污染物排放量,尤其是NOx的排放量,滿足我國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。采用蓄熱式熱交換技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)加熱,其優(yōu)點(diǎn)為:(1)高效回收廢氣余熱,熱回收率達(dá)85%以上;(2)高溫預(yù)熱助燃空氣(800～1000℃),提高理論燃燒溫度,改善燃燒條件,擴(kuò)大低熱值燃料的應(yīng)用范圍;(3)節(jié)約燃料,此熱交換方法較常規(guī)熱交換方法可再提高節(jié)能率30%,降低燃料消耗;(4)直接降低CO2的排放量和污染物排放量,尤其是NOx的排放量,改善大氣環(huán)境。2增加了反加熱爐余熱回收的投資作為空氣(煤氣)預(yù)熱裝置,金屬換熱器的一個(gè)致命弱點(diǎn),就是不能在高溫條件下工作,為滿足換熱器的應(yīng)用溫度要求,往往在熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)上加以考慮。以連續(xù)加熱爐為例:從原理上講,金屬加熱過(guò)程只有在實(shí)施高溫加熱時(shí)才具有最快的加熱速度,因而才有最高的產(chǎn)量和最低的燃料消耗。但因換熱器不能滿足高出爐廢氣溫度下的余熱回收要求,因而不得不在熱工設(shè)備上想辦法進(jìn)行彌補(bǔ)。例如,延長(zhǎng)預(yù)熱段,以進(jìn)一步降低出爐廢氣溫度,來(lái)提高設(shè)備的燃料利用率。這樣,往往使有些加熱爐預(yù)熱段的長(zhǎng)度達(dá)到均熱段和加熱段兩者長(zhǎng)度的總和。因此,連續(xù)式加熱爐的投資造價(jià),不得不因?yàn)榻档蜖t膛廢氣溫度的需要而增加近一倍,這又無(wú)形中增加了熱工設(shè)備的資金投入。此外還有一些鍛造加熱爐,由于工藝操作的特點(diǎn),大部分鍛造用加熱爐的出爐廢氣溫度均高于1000℃,因沒(méi)有適合長(zhǎng)期使用的高效余熱回收裝置,廢氣熱損失很大,以至爐子的熱效率僅為5%～10%,從而造成燃料的極大浪費(fèi)。在我國(guó)鋼鐵企業(yè)中,熱工設(shè)備上普遍采用的空氣預(yù)熱裝置多數(shù)是普通金屬換熱器,長(zhǎng)期使用溫度在700～800℃,空氣預(yù)熱溫度為400～500℃。換熱器效率在50%～60%左右。大量的煙氣余熱得不到充分利用,熱工設(shè)備的燃耗水平普遍高于國(guó)外同等設(shè)備。據(jù)1985年3月到9月和1986年6月到12月,對(duì)冶金部19個(gè)重點(diǎn)企業(yè)和地方骨干企業(yè)共301座軋鋼加熱爐煙氣余熱回收狀況的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明:在202座爐子的統(tǒng)計(jì)數(shù)字中,有104座(占51%)爐子的排煙溫度在700～900℃之間,有8%的爐子排煙溫度超過(guò)900～1000℃,有41%的爐子排煙溫度在400～700℃之間,總平均排煙溫度為720℃,相應(yīng)的平均排煙熱損失為32%。被調(diào)查的216座爐子煙氣排放的余熱,經(jīng)折算約為68萬(wàn)tce/a,由此可推算出全國(guó)約480座爐子的總排放余熱為125萬(wàn)tce/a。采用蓄熱式熱交換器,爐膛的排煙溫度不再受熱交換器的材質(zhì)限制,可以實(shí)現(xiàn)高溫排煙,相應(yīng)地助燃空氣的高溫預(yù)熱成為可能。3收、三擄低、余熱回收技術(shù)圍繞加熱爐的進(jìn)一步節(jié)能降耗問(wèn)題,國(guó)內(nèi)熱工界曾進(jìn)行了大量的研究和探索工作。其中,“余熱全自回收”和“三高一低”的觀點(diǎn)曾引起熱工界的普遍關(guān)注。“余熱全自回收”是指:使用高效換熱器把廢氣溫度降到200℃以下,同時(shí)強(qiáng)化爐子絕熱,以減少爐子其它各項(xiàng)熱損失。“三高一低”是指:對(duì)爐子實(shí)施“高爐溫”、“高煙溫”操作,同時(shí)對(duì)煙氣實(shí)行“高效余熱回收”和在爐子上使用“低惰性”材料。這兩種設(shè)想在一定程度上反映了單體熱工設(shè)備節(jié)能研究的發(fā)展方向。其實(shí)現(xiàn)的前提條件,是必須具備有可靠的高效余熱回收裝置。但苦于沒(méi)有完全滿足要求的熱交換裝置,均未能很好地實(shí)現(xiàn)。如今,蓄熱式熱交換器在加熱爐的應(yīng)用,使得老一輩能源工作者的夙愿得以實(shí)現(xiàn)。4高爐煤氣余熱利用的必要性有些情況下,因換熱器滿足不了某些熱工設(shè)備高風(fēng)溫的預(yù)熱要求,不得不花高價(jià)外購(gòu)高熱值燃料,而來(lái)源豐富、價(jià)格低廉的熱值較低的燃料往往得不到充分利用,甚至被放散。充分利用低熱值燃料,實(shí)現(xiàn)燃料的合理配置,是節(jié)約燃料的一個(gè)有效途徑。目前,在我國(guó)的鋼鐵企業(yè),高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步和高爐裝備水平的提高,使高爐燃料比進(jìn)一步降低。高爐煤氣的熱值因此一降再降。據(jù)文獻(xiàn)介紹,我國(guó)的許多大型高爐的高爐煤氣熱值已降到3140kJ/m3,中、小高爐的煤氣熱值分別降至3350～3510kJ/m3和3700～3980kJ/m3。其在不被預(yù)熱時(shí)的理論燃燒溫度分別為1236、1290和1420℃,很難滿足工業(yè)加熱的需要。因而,大量的高爐煤氣因無(wú)用戶需要而被迫放散。據(jù)53個(gè)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)統(tǒng)計(jì)表明,高爐煤氣放散率為6%以下的有14家企業(yè),放散率為6%～10%的有18家企業(yè),10%～48%的有21家企業(yè),有些企業(yè)的放散率高達(dá)20%～48%。近年來(lái)全國(guó)鋼鐵企業(yè)每年高爐煤氣的放散量高達(dá)80億m3,折合標(biāo)準(zhǔn)煤90萬(wàn)t。這些源于高熱值能源——焦碳的二次能源,如不加以充分地合理利用,不僅浪費(fèi)了大量的能源,而且嚴(yán)重地污染了大氣環(huán)境。應(yīng)用蓄熱式熱交換技術(shù),空氣、煤氣可以實(shí)現(xiàn)高溫預(yù)熱,其理論燃燒溫度可達(dá)1900℃以上,完全滿足工業(yè)加熱的要求。在熱工設(shè)備上大量使用低熱值煤氣,可以擺脫熱工設(shè)備對(duì)高熱值燃料的依賴,從根本上解決低熱值煤氣的充分合理利用問(wèn)題。應(yīng)用高效蓄熱式熱交換技術(shù),既可以幫助熱工設(shè)備節(jié)能降耗、調(diào)濟(jì)工業(yè)燃料的合理配置,又可以降低對(duì)大氣中有害氣體的排放量,減少對(duì)大氣環(huán)境的污染。5蓄熱式熱交換如前所述,蓄熱式熱交換器不僅可以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔獾挠酂峄厥?而且熱回收效率高,可將排煙溫度降低到200℃甚至更低。將排煙廢氣中的熱量幾乎全部重新返回爐膛,如此高的熱回收效率是以往任何一種換熱器都難以實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f(shuō),蓄熱式熱交換器的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了加熱爐最大程度的節(jié)能。80年代起,在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、加拿大和日本[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]已先后開始推廣和應(yīng)用高溫預(yù)熱和高效余熱回收的蓄熱式熱交換技術(shù)。這種蓄熱式熱交換器具有較高的溫度效率和熱效率,空氣預(yù)熱溫度可接近廢氣的入口溫度,而廢氣的出口溫度可降至200℃以下,甚至更低。這種熱交換器不僅適用于高溫?zé)峁ぴO(shè)備,而且適用于各種中、低溫?zé)峁ぴO(shè)備[12,13,14,15,16,17]。根據(jù)日本工業(yè)爐協(xié)會(huì)高性能工業(yè)爐開發(fā)組的一項(xiàng)關(guān)于現(xiàn)行工業(yè)爐的調(diào)查結(jié)果表明,如果將現(xiàn)有的工業(yè)爐用“高效工業(yè)爐”(蓄熱式燃燒爐)取代,其每年的能源節(jié)約量可達(dá)1800萬(wàn)kL原油,加上民用爐的能源節(jié)約量400萬(wàn)kL原油,占日本全民能源總消耗的5%。近年來(lái),我國(guó)在短短的幾年時(shí)間內(nèi),大量的運(yùn)用蓄熱式熱交換技術(shù)的加熱爐不斷投入運(yùn)行,其運(yùn)行效果仍在不斷提高,所帶來(lái)的節(jié)能效果也是十分顯著的。也可以這樣說(shuō),蓄熱式熱交換技術(shù)的應(yīng)用,給當(dāng)代的加熱爐技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)新的革命,其意義不僅在余熱利用方式上發(fā)生了根本性的變化,而且也帶來(lái)了燃燒技術(shù)、加熱爐構(gòu)造的變革和供熱、排煙方式的變更。6蓄熱式熱交換技術(shù)蓄熱式熱交換技術(shù)的應(yīng)用,極大地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)節(jié)能工作的開展和加熱爐節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步。盡管蓄熱式熱交換技術(shù)成功地應(yīng)用于加熱爐,但這種應(yīng)用到目前為止,仍然是十分粗糙的。在蓄熱式熱交換技術(shù)乃至高溫燃燒技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究方面,還有許多方面需要進(jìn)一步的研究和探索。首先,對(duì)于相關(guān)的概念談一談看法。就目前國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)資料中,大量出現(xiàn)所謂的“蓄熱式燃燒技術(shù)”的字樣,筆者認(rèn)為這樣的字眼會(huì)給人一種十分模糊不清的感覺(jué)。稍有熱工基礎(chǔ)知識(shí)的人都知道,“蓄熱式”是與“換熱式”相區(qū)別的一種熱交換技術(shù),因工作原理不同的兩種熱交換器分別被稱作為:“蓄熱器”和“換熱器”,而其共同的本質(zhì)是用來(lái)作為熱量交換的設(shè)備,其共同的原理為熱交換理論。而燃燒技術(shù)則是依據(jù)不同的設(shè)備(燃燒器),將可燃質(zhì)與助燃空氣(氧氣)以不同的方式、在不同條件下進(jìn)行混合燃燒的技術(shù),其主要是研究如何組織不同的燃燒過(guò)程,其依據(jù)的是燃燒學(xué)原理。顯然,兩者研究的領(lǐng)域不同、對(duì)象不同、所依據(jù)的理論不同,所以兩者不可能是一種技術(shù),而是兩種技術(shù)。筆者認(rèn)為“蓄熱式”是指“蓄熱式熱交換技術(shù)”,“燃燒”是因?yàn)樾顭崾綗峤粨Q所形成的高溫助燃空氣相對(duì)應(yīng)的“高溫燃燒技術(shù)”。在實(shí)際應(yīng)用中,主要是由于蓄熱式熱交換器的特殊構(gòu)造以及與之相關(guān)的高溫氣流輸送,與燃燒器的不同布置方式(包括采用的燃燒方式)進(jìn)行不同的組合而已。所以嚴(yán)格地講應(yīng)該是“蓄熱式熱交換技術(shù)”和“高溫助燃空氣燃燒技術(shù)”,是兩種技術(shù)的應(yīng)用,而決不是所謂的“蓄熱式燃燒技術(shù)”。其次是這兩項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題:其一是關(guān)于蓄熱式熱交換技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。由于理論及實(shí)驗(yàn)研究的不充分或不夠深入,給蓄熱式熱交換技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)很大的局限性。首先是蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。蓄熱式熱交換器的結(jié)構(gòu)尺寸是最基本的結(jié)構(gòu)尺寸,在一定的應(yīng)用場(chǎng)合,什么樣大小的蓄熱式熱交換器可以滿足使用?雖然看起來(lái)是個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題,實(shí)際上包含著很深很麻煩的傳熱學(xué)問(wèn)題和數(shù)學(xué)問(wèn)題。因?yàn)椴捎貌煌愋偷男顭狍w結(jié)構(gòu),在相同的應(yīng)用場(chǎng)合,會(huì)有不同的結(jié)果。而從目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的情況看,蓄熱體的形式用得最多的有兩種,球形和蜂窩體結(jié)構(gòu)。由于缺乏必要的理論和實(shí)驗(yàn)研究,蓄熱器的結(jié)構(gòu)十分的龐大,最大的每座爐子用量達(dá)幾十噸。由于用量的巨大,龐大的體積給加熱爐的設(shè)計(jì)、燃燒器的布置和操作維修帶來(lái)極大麻煩。是否蓄熱式熱交換器就必須有這樣大的體積呢?這樣的體積是否最優(yōu)?可否縮小?如果能夠縮小到一定的程度,加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃燒器的布置安裝以及檢修維護(hù)會(huì)方便得多。所以,對(duì)研究者來(lái)說(shuō),在蓄熱器的結(jié)構(gòu)上仍然有大量的研究工作要做。而對(duì)使用者來(lái)說(shuō),大量地使用和頻繁地更換蓄熱材料,一年近百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)消耗可不算是一個(gè)小數(shù)目。其二是蓄熱體的材質(zhì)和爐墻材質(zhì)問(wèn)題。如果說(shuō)關(guān)于蓄熱式熱交換技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究缺乏,相比之下,蓄熱體的材質(zhì)研究則更少。我們追求的目標(biāo)是最大限度的節(jié)能,用材不節(jié)約也算不上節(jié)能。經(jīng)初步了解,目前國(guó)內(nèi)加熱爐上所用蓄熱體材料的使用壽命最好的是5個(gè)月(爐溫較低的爐子像線材爐),最差的2個(gè)月左右。蓄熱材料的使用壽命短,不僅給使用廠家?guī)?lái)額外的經(jīng)濟(jì)消耗,而且因檢修維護(hù),給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更大。陶瓷球壽命短,蜂窩陶瓷壽命更短。所以,對(duì)蓄熱體材料的研究工作太少,簡(jiǎn)單地選擇一般的蓄熱材料作為替代產(chǎn)品,很難使熱交換器的使用壽命提高,也就不能充分發(fā)揮蓄熱式熱交換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然,蓄熱體材料必須首先是蓄熱材料,但它不同于一般的蓄熱材料,它必須滿足蓄熱式熱交換器的應(yīng)用要求。要滿足蓄熱式熱交換器的應(yīng)用要求,必須具備以下幾點(diǎn):(1)較大的密度和比熱容;(2)較好的導(dǎo)熱系數(shù);(3)較好的抗熱震穩(wěn)定性;(4)較好的抗渣性。這方面的問(wèn)題筆者已經(jīng)在“陶瓷蓄熱材料的損壞機(jī)理分析”中述及。這里僅僅就抗渣性進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的論述:所謂蓄熱材料的抗渣性是指蓄熱體材料在使用時(shí),在高溫條件下能夠抵抗?fàn)t塵等雜質(zhì)材料而不發(fā)生軟熔的特性。單純的耐火材料在加熱爐的溫度條件下一般是不會(huì)發(fā)生軟熔現(xiàn)象的,但在加熱爐中作為蓄熱體材料時(shí),就避免不了要與爐氣、爐塵等非耐火性材料接觸。盡管這些雜質(zhì)性材料在加熱爐溫度條件下也不會(huì)發(fā)生軟熔現(xiàn)象,但雜質(zhì)性材料對(duì)耐火材料性能有極大的破壞性,這是人所共知的。正是這些雜質(zhì)性材料的存在,在加熱爐的溫度條件下,雜質(zhì)材料與蓄熱體材料發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng),形成熔點(diǎn)更低的新的物質(zhì),在較低的溫度下就會(huì)發(fā)生軟熔現(xiàn)象,從而造成蓄熱體材料的粘結(jié),引起蓄熱體材料的堵塞。引起蓄熱體材料低溫軟熔的主要雜質(zhì)是氧化鐵和氧化亞鐵,其中以氧化亞鐵的影響最大。這一現(xiàn)象可以從蓄熱體材料的損害特征上得到證實(shí)。在加熱爐檢修時(shí),人們可清楚地發(fā)現(xiàn),空氣側(cè)的蓄熱器堵塞現(xiàn)象較煤氣側(cè)要輕微些,煤氣側(cè)的板結(jié)和粘結(jié)現(xiàn)象最為嚴(yán)重。這是由于大量沉積在蓄熱器內(nèi)的氧化鐵粉塵被預(yù)熱成高溫的高爐煤氣還原成氧化亞鐵,從而導(dǎo)致蓄熱體的嚴(yán)重粘結(jié)。所以說(shuō),因抗熱震穩(wěn)定性不好,容易造成蓄熱體破碎而堵塞,抗渣性不好更容易造成堵塞。還有一種造成蓄熱器堵塞的原因,這種原因與蓄熱體的材料本身毫無(wú)關(guān)系,而是與蓄熱器周圍的耐火材料有關(guān)系,特別是蓄熱器布置在爐墻內(nèi)部時(shí)更應(yīng)引起注意。由于蓄熱器在爐墻內(nèi)部占據(jù)較大的空間,如果這一空間的上部和四周的耐火材料坍塌,會(huì)使蓄熱器堵塞的更快、更實(shí)。造成這一現(xiàn)象的原因在于,構(gòu)筑爐墻的耐火材料的抗熱震穩(wěn)定性差,承受不了蓄熱器內(nèi)部溫度的急劇變化而破碎坍塌。由于在停爐檢修時(shí),因拆爐的廢舊爐料坍塌后會(huì)覆蓋在蓄熱體的上層,這一現(xiàn)象往往不容易被覺(jué)察,也極不容易被引起重視。所以對(duì)于蓄熱器設(shè)置在爐墻內(nèi)部的加熱爐,對(duì)爐墻構(gòu)筑材料的要求比一般加熱爐的抗熱震穩(wěn)定性要更高。另外,就是與蓄熱器熱工特性研究相關(guān),因?yàn)槔碚撗芯康牟怀浞?甚至連蓄熱體材料的一般熱物性(比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等)都沒(méi)有的條件下設(shè)計(jì)出的蓄熱器,誰(shuí)能夠保證廢氣的出口溫度就一定在某范圍。因廢氣出口溫度設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確,往往廢氣出口溫度過(guò)低,造成煙管內(nèi)凝結(jié)水嚴(yán)重,腐蝕管道,堵塞管路,排煙能力下降,嚴(yán)重時(shí)影響加熱爐的正