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蜂窝陶瓷蓄热体的结构特性及其蓄热燃烧系统的

蜂窝陶瓷蓄热体的结构特性及其蓄热燃烧系统的

浏览: 发布日期:2018-08-24 11:42

一、前言

集燃料燃烧、空气预热、烟气排放三功能为一体的蓄热式燃烧系统,由于具有高效的热能蓄积、转换方式、节能效果显著、对炉窑的适应性强等基本特点,因而自80年代初问世以来已在各个工业领域内得以应用。同其它有生命力的节能技术一样,蓄热式燃烧系统在推广过程中,其技术内涵不断丰富,其中蓄热体结构型式的优化,进一步向人们展现了该项技术的实用价值。本文重点介绍一种蓄热元件——蜂窝陶瓷蓄热体的结构特征及其蓄热燃烧系统的应用。

蜂窝陶瓷蓄热体的结构特性及其蓄热燃烧系统的应用

二、蜂窝陶瓷蓄热体的结构和性能

1、结构特点

蜂窝陶瓷蓄热体为一体型蓄热元件。蜂窝壁厚仅为0.2-0.5mm,蜂窝单元间距为1-3mm。这一结构同以往用于蓄热燃烧系统的颗粒状蓄热体相比有着更大的比表面积。表1给出了几种规格的蜂窝陶瓷蓄热体与陶瓷球的比表面积对应关系。

表1 两种典型蓄热体比表面积

陶瓷球 蜂窝陶瓷体
直径φ,mm 10 12 15 20 25 孔数,n/m2 50 100 150 200 300
单位体积内表面积,m2/m3 378 315 252 189 151 单位体积内表面积,m2/m3 1021 1389 1646 1860 2176

由表1可知,在体积相同的情况下,100孔蜂窝陶瓷蓄热体的比面积是φ12陶瓷球的4-5倍。

2、传热性能

试验结果表明,在温度一定且气流速度为1.5m/s的条件下,陶瓷球的传热率是蜂窝陶瓷蓄热体的1.4倍。设单位体积蓄热体的传热量为Q,依传热原理知:

Q=q×s

式中,q为蓄热体单位换热表面传热量,kw/m2;s为蓄热体单位体积传热面积,m2/m3。

以100孔蜂窝陶瓷蓄热体与φ12陶瓷球比较,由上式得:

Qh/Qb=qh×sh/qb×sb=qh×sh/1.4qh×sb=1×1389/1.4×315=3

式中,Qh、Qb分别为蓄热体和陶瓷球单位体积传热量,kw/m3;

qh、qb分别为蓄热体和陶瓷球单位换热表面传热量,kw/m2;

sh、sb分别为蓄热体和陶瓷球单位体积传热面积,m2/m3。

通过上述分析可看出,在相同条件下,将同质量的气体换热到同一温度所用的球状蓄热元件的体积是蜂窝状的3倍。换句话说,欲获得同样的换热效果,后者的体积较之前者可减少2/3。这意味着构件轻便、结构紧凑的燃烧器——蓄热体的一体化设计更易于实现。尤其可以解决对已有工业炉窑进行节能技术改造时经常遇到的炉体周围空间有限, 大尺寸蓄热体排布、配置困难的问题。

3、热效率与温度效率

据定义:蓄热体的热效率

Z=Q″K-Q′K/Qy×100%

蓄热体的温度效率

Zt=t″K-t′K/t′y-t′K×100%

式中 Q″K、Q′K分别为空气出口与入口热焓,kJ/h;

Q′y为烟气入口热焓,kJ/h;

t″K、t′K分别为预热空气出口与入口平均温度,℃;

t′y为烟气入口平均温度,℃;

国内外大量实测数据表明,应用蜂窝陶瓷蓄热体时,t″K与t′y相当接近,蓄热体的温度效率高达95%,热回收率为80%左右。需重点指出的是:温度效率Zt还与换向时间f有密切关系。传热速度随换向时间f的缩短而提高。由图1可见,当f=10s时,传热速度最高,不言而喻,此时温度效率Zt亦为最高。考虑到换向装置寿命等其他因素,在采用蜂窝陶瓷蓄热体的情况下,适宜的换向时间约为20-30s。这较之陶瓷球30s-3min的换向时间大大地缩短,因而更有利于均化炉内温度场。

图1 蜂窝陶瓷蓄热体换向时间与传热速度的关系

4、压力损失

蜂窝陶瓷蓄热体的压力损失较小(通常在1000Pa 以下)。在气流速度及流通截面积相同的条件下,蓄热体的压力损失一般只有陶瓷球的1/3。例如,气流速度为1-2.5m/s时,180孔/in2、高150mm的蜂窝陶瓷蓄热体压力损失为107-343Pa,而高200mm的φ12球床压力损失为200-2500Pa。由此可见,采用陶瓷蜂窝体的蓄热燃烧系统不仅可节约燃料,而且较之陶瓷球蓄热体降低了风机的动力消耗。

5、安装情况

采用陶瓷球蓄热体时,球床必须由一网状或格状附件支撑。如果受到结构、空间等条件的限制,需要把蓄热体放到燃烧器的上部时,热烟气首先接触支撑件,这就对其材质提出了更高的要求(采用普通材料则要大大缩短支撑件的寿命)。而采用蜂窝陶瓷蓄热体时,则不需要这种网状或格状支撑件,可方便地安装在燃烧器的任意位置,避免了上述不足。更合理的位置是将蓄热体装到燃烧器的筒内(图2)以进一步减少整个燃烧系统的体积。而且蜂窝陶瓷蓄热体还可方便地安装在辐射管内,制成蓄热式辐射管燃烧系统。由于其构件轻,结构紧凑,更适于安装在钢包盖上,用于钢包烘烤。

图2 蜂窝陶瓷蓄热体装在燃烧器筒内的蓄热式燃烧器

三、蓄热燃烧系统的应用

由蜂窝陶瓷蓄热体和燃烧器及四通换向阀组成的燃烧装置(图3),国外一般称之为高频蓄热燃烧系统(High-Cycle Regenera tiv e Combustion Sy stem) ,简称HRS。HRS自1992年在日本实现商品化以来,安装数量已达1200台,约占蓄热燃烧装置总数的2/3。具代表性的应用实例介绍如下。

图3 蜂窝陶瓷蓄热体蓄热燃烧系统(HRS)

1、梁式步进炉

在加热能力为100t/h的梁式步进炉上安装16对燃烧能力为0.93-3.0MW的HRS。当炉温为1250℃,钢坯出炉温度1100℃时,可节约燃料20%。炉内纵向上加热段与均热段温差均在20℃以内。使用2年,蜂窝陶瓷蓄热体一直保持良好的工作状态。

2、钢包烘烤炉

在60t钢包盖上安装1对0.7MW HRS燃烧器,排烟温度由原来的1000℃下降到170℃,空气预热温度达900℃,节约燃料56%。另外由于蓄热式烧嘴交替燃烧的搅拌作用使钢包内圆周上温差由20-50℃减小到10-15℃,垂直方向温差由60℃减小到30℃,钢包内温度场的均化,降低了钢包内衬耐火材料的损耗(图4)。

图4 改造前后钢包烘烤炉燃烧系统简图

3、熔铝炉

在20t熔铝炉上应用1对HRS,燃料量由原来的3.6GJ/t下降到1.9GJ/t,节约率达47%。

4、辐射管式煤气渗碳炉

在尺寸为1230mm×660mm×600mm的辐射管式煤气渗碳炉上使用HRS,可节约燃料23%。与电气渗碳炉比较,降低成本61%。而且辐射管长度上表面温度分布非常均匀,最大温差仅30℃。

四、结束语

蜂窝陶瓷蓄热体及其蓄热燃烧系统,能最大限度地回收炉窑烟气中的显热降低能耗,使工业炉节能技术发展到一个新的阶段。鉴于它的技术、经济优势, 在冶金、机械、建材等行业的工业炉窑上应用有相当广阔的前景。早在“六五”期间,河南金牟山研究院就开始了蜂窝陶瓷蓄热体换热器的研究,先后完成了“蓄热体热工特性的实验研究”,“陶瓷蓄热式热交换器的研究”,“换向式燃烧技术的开发”等国家重点课题。现在正致力于蓄热燃烧系统的现场应用推广。目前该项目已列为“国家技术创新项目”。可以预期,随着该项目的实施,蜂窝陶瓷蓄热体蓄热式燃烧系统将为企业节能降耗、提高效益水平发挥大的作用。

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