1 工業(yè)爐煙氣余熱回收技術(shù)綜述
在工業(yè)生產(chǎn)中，各種型式的爐窯設(shè)備廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，除少部分用電加熱爐窯外，大部分工業(yè)爐窯均采用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量對工件或物料進(jìn)行加熱，這些工業(yè)爐窯在燃料燃燒的同時也會排放大量的高溫?zé)煔?，?jù)統(tǒng)計，由爐內(nèi)排出的煙氣所帶出的熱量約占總供給熱量的30%～60%，如何有效回收煙氣中的熱量是工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)的主要研究方向。
傳統(tǒng)的方法是采用各種型式的余熱換熱器來回收煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣的方法實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，但余熱回收效果并不理想。
自上世紀(jì)九十年代以來，蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)開始在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，是目前各行業(yè)爐窯設(shè)備最常用的節(jié)能手段，但在可靠性、爐壓控制、火焰控制等儲多方面也存在一定的不足，應(yīng)用上也有很大的限制。
1.1 常見余熱回收換熱器技術(shù)
換熱器是一種常用的有效回收煙氣余熱設(shè)備，其型式多種多樣，如下圖所示。
常見有的管式對流換熱器、片狀對流換熱器、筒狀輻射換熱器等等，這種傳統(tǒng)換熱器通常安裝在煙道中，爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^排煙口排出進(jìn)入煙道，流經(jīng)換熱器時，通過換熱器管壁對另一通道中的助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的空氣返回爐內(nèi)參與燃燒。因此，這些換熱器均是通過間壁式傳熱方式實現(xiàn)的，最高可將空氣預(yù)熱到近500度的溫度，因此，這種傳統(tǒng)的的換熱器也有一定的節(jié)能效果。
傳統(tǒng)余熱回收換熱器技術(shù)有如下優(yōu)點：
1）燃燒器安裝數(shù)量、安裝位置不受限制。
2）可通過選擇不同的燃燒器實現(xiàn)不同火焰形狀及空燃比配置，滿足工藝需要。
3）燃燒產(chǎn)物從專設(shè)的排煙孔洞排出，爐壓易于控制。
4）燃燒系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)根據(jù)裝機水平設(shè)置，即可做最簡單的全手動控制方案，也可以做很復(fù)雜的系統(tǒng)方案實現(xiàn)高水平全自動控制。
5）閥門動作不頻繁，維護(hù)簡單。
雖然有上述種種優(yōu)點，但傳統(tǒng)換熱器技術(shù)仍存在投入成本高、體積龐大、換熱效率低、易漏風(fēng)等種種不足，最主要的問題是換熱器預(yù)熱空氣溫度并不高，而且在使用過程中易受粉塵的影響，其換熱效率逐步下降，難以實現(xiàn)理想的節(jié)能效果，特別在中低溫工業(yè)爐上基本無應(yīng)用價值。
因此，近年來，在可行的情況下，傳統(tǒng)的換熱器逐漸為換向蓄熱式技術(shù)所取代。
1.2 換向蓄熱式余熱回收技術(shù)
蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)是在傳統(tǒng)換向式蓄熱室技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的節(jié)能技術(shù)，與傳統(tǒng)換熱器相比，其換熱效率提高50%以上，因此，近十年來快速在各行業(yè)工業(yè)爐窯上推廣應(yīng)用，是目前各種工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)的主要方法，其技術(shù)原理如右圖所示。
這種蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)最典型的特征是蓄熱體及燒嘴必須成對出現(xiàn)、交替燃燒，也即換向式燃燒。實際運行時，每一次換向，燃燒過程就必須進(jìn)行一次停頓，伴隨著換向燃燒過程的進(jìn)行，相應(yīng)必須進(jìn)行反復(fù)的點火、閥門切換動作，隨之帶來的是系統(tǒng)管線復(fù)雜、多個閥門頻繁動作，爐壓波動等一系列問題。
在周期式工作的室式爐型上，這一問題更為明顯。
在鋁熔煉爐行業(yè)，相比較傳統(tǒng)換熱器技術(shù)，換向蓄熱式燃燒技術(shù)較好實現(xiàn)了高換熱效率這一要求，同時還較好解決了煙氣粉塵量大、有一定腐蝕氣氛的技術(shù)難題，因此，近十年來，國內(nèi)絕大多數(shù)的鋁熔煉爐均采用了這種換向蓄熱式技術(shù)，爐子熱效率也從傳統(tǒng)的25%～30%提高到50%以上，其節(jié)能效果是十分顯著的。但切實存在的問題是，目前基本所有的這種蓄熱式熔鋁爐均存在爐壓高、爐門不同程度冒火現(xiàn)象，相應(yīng)帶來的爐門及爐門框損壞、爐門溢熱、車間環(huán)境差等系列問題。
對眾多的熱處理爐而言，由于這種換向式的蓄熱式燃燒存在火焰反復(fù)切換不易控制、極易造成工件的局部過熱現(xiàn)象，同時空燃比也難以控制，難以實現(xiàn)工藝要求。因此，在熱處理爐行業(yè)，換向蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用也有很大的局限性。
2 蓄熱式中央換熱器技術(shù)
蓄熱式中央換熱器是一種全新的節(jié)能技術(shù)裝備，如下圖所示，應(yīng)用上同傳統(tǒng)換熱器一樣，安裝在煙道中，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈴臓t子排煙孔洞排出，流經(jīng)該換熱器時象傳統(tǒng)換熱器一樣對助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，不同的是，這種換熱器內(nèi)部的熱交換過程是通過專用的換熱介質(zhì)反復(fù)蓄熱、放熱實現(xiàn)的，因此，這種換熱器換熱過程實質(zhì)也是一種蓄熱式熱交換過程，只不過實現(xiàn)的方式不同而已。
這種蓄熱式中央換熱器技術(shù)可以象換向蓄熱式燃燒系統(tǒng)一樣將助燃空氣預(yù)熱到極高的空氣溫度，另一方向，這種熱交換過程又象傳統(tǒng)換熱器一樣是持續(xù)進(jìn)行的，具有傳統(tǒng)換熱器的所有技術(shù)特征，因此，可以說，這種換熱器綜合了傳統(tǒng)換熱器技術(shù)及蓄熱式技術(shù)的共同優(yōu)點，是一種全新的換熱器技術(shù)。
下圖是該蓄熱式中央換熱器裝置在某鋁廠的現(xiàn)場實物照片。
蓄熱式中央換熱器本體結(jié)構(gòu)由支架、上蓋、下蓋、旋轉(zhuǎn)筒體、驅(qū)動裝置等部件構(gòu)成，上蓋、下蓋固定在支架上。旋轉(zhuǎn)筒體座由下蓋上的托輪托起，內(nèi)部填充有蜂窩體狀的蓄熱介質(zhì)，各部件間通過特殊的密封措施相互隔離。
工作時，旋轉(zhuǎn)筒體在驅(qū)動裝置的作用下圍繞軸心持續(xù)轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部的蜂窩體在冷、熱兩個通道中連續(xù)切換，當(dāng)蜂窩體旋轉(zhuǎn)至煙氣通道時被加熱，而當(dāng)其旋轉(zhuǎn)至空氣通道中時則將儲存的熱量釋放，使助燃空氣得到加熱。
該換熱器裝置的底部設(shè)有底座、軌道及升降裝置，在升降裝置的作用下，下蓋及旋轉(zhuǎn)桶體整體可升降，正常生產(chǎn)時，升降裝置將下蓋及中間旋轉(zhuǎn)桶頂起，需要檢修時則落下，整體沿軌道拖出進(jìn)行維護(hù)，因此，其維護(hù)過程本身并不困難，也正是由于這種易維護(hù)特性，保證了長久的高效換熱特性。
實際運行中，熱交換效果可通過控制旋轉(zhuǎn)筒體的轉(zhuǎn)速快慢進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，理論上可將助燃空氣預(yù)熱到出爐煙氣溫度相接近的溫度，因此，有極高的換熱效率。
蓄熱式中央換熱器具有傳統(tǒng)換熱器所有的技術(shù)優(yōu)點，與換向蓄熱式燃燒技術(shù)相比，具有如下的技術(shù)優(yōu)勢：
1）燃燒器的安裝位置及數(shù)量可根據(jù)工藝需要設(shè)置，無需考慮換向蓄熱式燒嘴成對設(shè)置的要求。
2）燃燒器持續(xù)穩(wěn)定燃燒，無需頻繁點火，也無需閥門頻繁切換，因此，系統(tǒng)可靠性顯著提高。
3）燃燒過程持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，爐溫穩(wěn)定。
4）沒有爐壓波動，爐壓易于控制，因此，可以徹底杜絕爐門冒火現(xiàn)象。
5）燃燒產(chǎn)物是從專設(shè)的排煙孔排出，因此，燃燒器本體不再承擔(dān)排煙功能，因此，燃燒器維護(hù)工作量顯著減少。
6） 無需象換向蓄熱式一樣設(shè)置輔助排煙管路，而換向蓄熱式燒嘴約15-20%氣體需要從輔助排煙管路高溫排出，排煙管路構(gòu)造復(fù)雜，也增加了熱量損失。
7）所有的燃燒煙氣均通過換熱器，煙氣很快被冷卻，最低可至200℃以下排放，相應(yīng)，換熱器后排煙管路也很簡單，可直接用常規(guī)鋼制管路輸送排放，排煙管線的投資成本更低。
8）燃燒過程無換向停頓、無輔助排煙管路、爐門不冒火、所有煙氣均通過換熱器，因此，爐子綜合熱效率比換向式蓄熱燃燒效率更高。
9）可以通過選用不同的燃燒器實現(xiàn)不同的火焰型狀，也可以通過空燃比調(diào)節(jié)實現(xiàn)精確的爐內(nèi)氣氛控制。
10）可根據(jù)工藝需要或裝機水平需要設(shè)置燃燒系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)，即可做最簡單的全手動控制方案，也可以做很復(fù)雜的系統(tǒng)方案實現(xiàn)高水平全自動控制。
3 蓄熱式中央換熱器技術(shù)應(yīng)用前景
綜上所述，與傳統(tǒng)換熱器相比，這種蓄熱式中央換熱器只是內(nèi)部換熱原理不同，本質(zhì)上就是一種新型的換熱器，因此，所有適用傳統(tǒng)換熱器的工業(yè)爐均可采用這種蓄熱式中央換熱器，其應(yīng)用范圍可涉及鋼鐵、有色、機械、陶瓷、石化、電子等各行業(yè)工業(yè)爐窯設(shè)備，有廣泛的應(yīng)用前景。
特別在中低溫工業(yè)爐方面，由于回收效率的問題，目前還沒有好的手段來解決余熱利用問題，新型的蓄熱式換熱器具有優(yōu)異的余熱回收效果，其結(jié)構(gòu)還可以小型化，因此，正好解決了這個問題。
以常用的火焰加熱的鋁材均質(zhì)爐或加熱爐為例，爐溫約550～650度之間，采用最好的傳統(tǒng)余熱回收器也只能將助燃空氣預(yù)熱到250度左右，換熱器投入產(chǎn)出比很不理想。采用新型蓄熱式換熱器，可將助燃空氣預(yù)熱到450度左右，其經(jīng)濟效益就十分明顯了。
4 蓄熱式中央換熱器技術(shù)應(yīng)用實例
首臺套蓄熱式中央換熱器在2011年3月在25噸矩形鋁熔煉爐上投入了生產(chǎn)運行，第2臺也于2011年7月投入了生產(chǎn)，燃料為自制低熱值煤氣，該項目實物圖片如下圖所示：
該爐主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)如下：
1）爐子容量：25T+10%
2）原料：70%鋁錠+30%工序返回廢料
3）燃料：自制煤氣
4）燃料熱值：4.18×1250 KJ/NM3
5）最大燃?xì)庥昧浚?000 NM3/H
6）燃燒器數(shù)量：2套
7）熔化率：6T/H
該項目運行半年以來，匯總統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明，該爐熔化率與其相鄰的25噸的重油爐（該爐采用的是換向蓄熱式燒嘴）完全相同，約3.5小時可完成滿爐熔化任務(wù)，兼顧鑄造，可實現(xiàn)日產(chǎn)能3爐次生產(chǎn)能力。
在測試當(dāng)中，當(dāng)爐溫設(shè)定溫度在1000度時，實測的預(yù)熱空氣溫度達(dá)到900度，單究該數(shù)據(jù)而言，與換向蓄熱式燃燒系統(tǒng)相比，空氣預(yù)熱溫度要高出很多。
在燒損方面，與重油爐相比，在同等的情況下，降低了約0.05%，分析原因是由于兩個燒嘴同時燃燒，單支燒嘴火焰強度減小所致。
比較遺憾的是，由于該項目沒有選用到合適的煤氣流量計，最終的噸鋁煤氣消耗無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但分析各項數(shù)據(jù)及實際運行情況，其節(jié)能效果是不容置疑的。
5 下一步要解決的問題
作為一種全新的產(chǎn)品技術(shù)，蓄熱式中央換熱器還有很多的工作要做，主要體現(xiàn)以下幾個方面：
1）目前對蓄熱式中央換熱的運行機理，換熱特性還有待進(jìn)一步的探討，應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，在此基礎(chǔ)才能確定最合理的技術(shù)方案。
2）需要盡快完成產(chǎn)品系列化的研究工作，以適應(yīng)不同的工業(yè)爐余熱回收要求。
3）配套開發(fā)各種高溫燃燒器、高溫調(diào)節(jié)閥、高溫控制閥技術(shù)，以便于構(gòu)建完整的燃燒系統(tǒng)管線。
6 結(jié)束語
蓄熱式中央換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、回收效率高等儲多優(yōu)點，是一種全新的高效余熱回收換熱器技術(shù)，在各種工業(yè)爐窯上均有良好的適用性，隨著研究的不斷深入，產(chǎn)品系列化的不斷完善，其技術(shù)優(yōu)勢必然為廣大用戶所接受。
采用該技術(shù)，可顯著減少工業(yè)爐燃料消耗，降低生產(chǎn)成本，為用戶直接創(chuàng)造良好經(jīng)濟效益，因此，該產(chǎn)品技術(shù)具有廣泛的市場應(yīng)用價值。
在當(dāng)今全社會高度注重節(jié)能減排的大背景下，該產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，可顯著減少燃料消耗，降低燃燒產(chǎn)物的排放，其社會意義同樣十分顯著。
