CN1200239C - 富氧、蓄热式空气预热与烟气再循环装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种工业炉用富氧燃烧、蓄热式空气预热与烟气再循环的组合技术，由蓄热式空气预热技术、富氧空气助燃技术和烟气再循环技术组成；其特征在于，将高温蓄热空气预热技术、富氧空气助燃技术和烟气再循环技术中的2-3者组合，在采用富氧燃烧或蓄热式空气预热燃烧技术时，同时使用烟气再循环技术。其优点在于提高旧炉改造或新建炉子的投资经济性：通过烟气再循环缓解由于采用富氧助燃或高温蓄热式空气预热后炉内燃烧段的温度升高，从而降低对炉体材料的要求；通过烟气循环缓解由于采用富氧助燃或高温蓄热式空气预热后炉内烟气充满度的降低，从而不必对炉体结构进行改造；使改造后炉内的温度分布和烟气流场分布改变最少或基本不变，从而保持炉子和后续工序的原有配合。
Description
技术领域
本发明属于热能有效利用领域，涉及工业炉的燃烧技术和烟气再循环装置。
背景技术
工业炉能源利用现状
在工业原材料的冶炼、加工或成品的制造过程中，为实现预期的物理变化或化学变化所需要的加热装置，一般称为工业炉。工业炉广泛地应用于工业内部的各行各业，因所用能源、结构、功能及需求特性的不同，不仅其种类日益增多，其功能也因使用目的不同而在增加。加热工序可以说是金属工业以及所有工业的制造，加工工艺中不可缺少的工序。在工业炉的销售总额中，约有一半用于钢铁工业。钢铁工业是利用大型、高温装置的行业，使用相当多的钢铁用炉，消耗大量能源。钢铁工业炉在工业炉中占有非常重要的地位，其它行业是不能与其相比的。
随着1973年石油危机以来，一方面资源、能源、环境保护等都已成为世界性重大问题，另一方面也进入了能源价格高涨的时代，以钢铁工业为例，为了改变以前的能源消耗状况，各国都在努力节省能源，特别关心提高能源的利用效率。降低成本增加效益的最好途径是提高资源利用率。资源利用率从以下方面体现：(1)钢铁消耗指标；(2)能耗指标；(3)固体废物利用指标。提高资源利用率可以减少排污，改善环境质量。
目前，日、美、德的能源利用率分别达59％、50％、40％，而中国为32％，吨钢能耗水平高达3.64×107KJ(1245kg标煤)，国际先进水平只有1.19×107KJ(656kg标煤)。
加热炉是钢铁企业的重要加热设备，它的能源利用率的高低，直接影响到企业的吨钢综合能耗。
1、蓄热式空气预热燃烧技术
蓄热式空气预热燃烧技术是运用蓄热室热交换原理，达到火焰炉废气热量的极限回收，把助燃空气预热到接近烟气出炉时的温度，从而大幅度降低工业炉燃料消耗，是提高工业炉热效率、节能、环保的重要技术。
蓄热式空气预热燃烧技术成功地解决了常规工业炉高产与低耗、超低热值燃料利用及环境保护等一系列难题，在各个工业部门的高温加热炉、热处理炉实现节能40％、增产30％的效果，显示出极好的推广应用前景。我国冶金、机械、建材等行业有大约1万台用于工业加热和热处理的火焰炉，每年消耗大量的矿物燃料，约占我国工业企业总能耗的8％。我国虽是能源生产大国，但同时也是能源消耗大国，能源的有效利用已成为制约我国经济发展的重要环节。其中，特别是矿物能源为不可再生能源，燃烧后所排放的大量二氧化碳及其它有害气体，严重地污染了大气，破坏了的生存环境。
20世纪80年代，对蓄热体材料、形状、尺寸和热工特性的研究取得重大突破，生产出体积紧凑的高效蓄热体，再加上关键设备(如换向阀)的开发，在系统上逐步形成了新型的蓄热式预热燃烧技术。
基于蓄热式热交换原理的高温空气燃烧技术(HTAC)，是20世纪90年代以来在发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术，它具有高效烟气余热回收和高温预热空气以及低污染排放等多重优越性。该项技术可应用于各类型燃烧工业炉(固体燃料除外)，应用前景广阔。据预测如果在全国范围推广应用，可以使加热炉的总能耗降低10％左右，可以有效缓解我国能源短缺和能源消耗高的问题，为工业企业带来可观的效益，有利于企业提高市场竞争能力。
2、富氧燃烧技术
富氧燃烧技术是通过增加助燃空气中的氧含量以减少助燃空气总量的技术。采用富氧燃烧技术，其优点在于：(1)在供热能力不变时，减少助燃空气量，降低输送能耗；(2)由于富氧率的提高，可使燃烧温度提高，有利于低热值或超低热值燃料的利用；(3)燃烧产物减少，排放量降低，降低能源消耗。
富氧燃烧的缺点是增加空气中氧的浓度需要额外的能源消耗。但对于存在氧气放散情况的企业(如冶金企业)或需要利用低热值燃料的企业，采用富氧燃烧技术还是非常有意义的。
3、采用富氧、高温蓄热燃烧所存在的技术和经济问题
目前工业生产中所使用的工业炉窑，绝大多数还没有采用富氧或高温蓄热燃烧技术，在此意义上，这两项技术应用于现有工业炉窑的技术改造上具有更大的意义。在现有工业炉窑上采用富氧或高温蓄热燃烧技术，会产生两个技术问题：燃烧温度的升高和燃烧产物的减少。燃烧温度的升高，对炉体材料的要求提高，需要更换更高耐火度的耐火材料。燃烧产物的减少使炉气在炉膛内的充满度减少，不利于燃烧产物和被加热物料之间的传热，需要对炉体结构进行改造。不论是更换炉体材料还是对炉体进行结构改造，都使富氧燃烧或高温蓄热燃烧改造的投资经济性下降。
发明内容
本发明的目的在于提出一种工艺路线，使工业炉在进行高温蓄热空气预热或富氧燃烧改造时，或同时采用高温蓄热空气预热和富氧燃烧技术改造时，不必由于燃烧温度的提高而更换炉体材料，或由于炉气不能充满炉膛而进行炉体结构的改造，以提高改造投资的经济性。对于新建炉窑，采用该种工艺路线，亦可降低对炉体材料的要求，从而减低投资。
本发明的构成为：将烟气再循环系统与蓄热式空气预热系统和富氧空气助燃系统中的1-2者组合。即：富氧燃烧系统和烟气再循环系统的组合工艺；蓄热式空气预热燃烧系统和烟气再循环系统的组合工艺以及富氧燃烧、蓄热式空气预热和烟气再循环系统三者的组合工艺。具体内容为：
1、富氧空气经富氧空气入口管在富氧空气预热器内与从炉膛到空气预热器之间的烟道排出的烟气在富氧空气预热器内进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，富氧空气预热器出口烟气被降温；燃气经燃气入口管在燃气预热器内与来自富氧空气预热器出口的烟气在燃气预热器内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后进入烟气排出管道；富氧空气预热器出口的富氧空气与燃气预热器出口的燃气分别经空气或富氧空气预热器到燃烧器之间的管道和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道进入燃烧器点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口的烟气一部分通过烟气排出管道被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机经再循环烟气管道抽回到炉膛入口参加再循环。
2、空气经空气入口管在蓄热式空气预热器内与从炉膛到空气预热器之间的烟道5排出的烟气进行热交换，其中空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器出口烟气降温后排入烟气排出管道；燃气经燃气入口管在燃气预热器内被加热；蓄热式空气预热器出口的空气与燃气预热器出口的燃气分别经蓄热式空气预热器到燃烧器之间的空气管道和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道进入燃烧器点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；烟气排出管道的烟气一部分通过烟气排出管道被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机经再循环烟气管道抽回到炉膛入口参加再循环。
3、富氧空气经富氧空气入口管在蓄热式空气预热器内与从炉膛到空气预热器之间的烟道排出的烟气进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器出口烟气被降温；燃气经燃气入口管在燃气预热器内与蓄热式空气预热器出口的烟气在燃气预热器内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后排入烟气排出管道；预热后的富氧空气与燃气分别经蓄热式空气预热器到燃烧器之间的管道和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道进入燃烧器点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口烟气一部分通过烟气排出管道被排出，一部分烟气被烟气再循环风机经再循环烟气管道抽回到炉膛入口参加再循环。
在采用富氧和蓄热式空气预热燃烧技术时，同时使用烟气再循环技术，这样既能缓解由于燃烧温度的升高而形成的炉膛温度升高，又有助于保持烟气在炉膛中的充满度，使工业炉窑在进行富氧和蓄热式空气预热燃烧技术改造后，炉子的温度分布和烟气流场分布改变最少或基本不变，从而不必更换炉体材料或改变炉体结构，并保持炉子和后续工序的原有配合，以增加改造投资效益。
在采用富氧燃烧和高温蓄热空气预热技术时，同时使用烟气再循环技术；其中；高温蓄热空气预热系统主要由空气入口管，蓄热式空气预热器组成。蓄热式空气预热燃烧的作用在于：运用蓄热式热交换技术，将空气预热到接近烟气进预热器的温度，以回收高温烟气的余热，以减少燃气用量和助燃空气量，降低排烟量和排烟温度，达到节能降耗的目的。但这会使炉内燃烧温度升高，由于烟气量减少使炉内的烟气充满度降低。
富氧空气助燃系统由富氧空气入口管，富氧空气预热器组成。富氧燃烧的作用在于：将一定纯度的氧气与空气混合形成的富氧空气作为助燃空气，或直接生产富氧空气作为助燃空气，以减少助燃空气量，降低排烟量，达到节能降耗的目的。但这会使炉内燃烧温度升高，由于烟气量减少使炉内的烟气充满度降低。
烟气再循环系统由烟气再循环风机，再循环烟气管道组成。烟气再循环的作用在于：使部分排出的低温烟气重新参与炉内循环，以降低由于采用富氧助燃或蓄热式空气预热(或同时采用富氧助燃和蓄热式空气预热)后炉内燃烧段的温度升高，并平衡由于采用富氧助燃或蓄热式空气预热(或同时采用富氧助燃和蓄热式空气预热)后炉内流场分布的改变。这样不仅能改善炉内的温度场和烟气流场的分布，使工业炉内的温度分布和流场分布比改造前变化很小或基本不变，从而不用更换工业炉炉体的耐火材料和对炉体结构进行改造，以提高改造投资或新建投资的经济性。
本发明的优点在于：
将烟气再循环与富氧燃烧和蓄热式空气预热技术结合起来，提高旧炉改造或新建炉子的投资经济性：(1)通过烟气循环缓解由于采用富氧燃烧或蓄热式空气预热(或同时采用富氧燃烧和蓄热式空气预热)后炉内燃烧段的温度升高，从而降低对炉体材料的要求；(2)通过烟气循环提高由于采用富氧燃烧或蓄热式空气预热(或同时采用富氧燃烧和蓄热式空气预热)后炉内烟气充满度的降低，从而不必对炉体结构进行改造；(3)使改造后炉子内的温度分布和烟气流场分布改变最少或基本不变，从而保持炉子和后续工序的原有配合。
附图说明
图1为富氧燃烧技术和烟气再循环技术的组合工艺示意图。燃气入口管1，燃气预热器2，富氧空气入口管3，富氧空气预热器4，炉膛到空气预热器之间的烟道5，炉膛6，燃烧器7，燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道8，空气(或富氧空气)预热器到燃烧器之间的管道9，烟气再循环风机10，再循环烟气管道11，烟气排出管道12。
图2为蓄热式空气预热燃烧技术和烟气再循环技术的组合使用示意图。其中空气入口管13，蓄热式空气预热器14。
图3为富氧燃烧、蓄热式空气预热和烟气再循环技术三者组合使用示意图。
具体实施方式
根据图1所示的富氧燃烧系统和烟气再循环系统的组合工艺示意图表明二者组合工艺是富氧空气经富氧空气入口管3在富氧空气预热器内与从炉膛到空气预热器之间的烟道5排出的烟气在富氧空气预热器4内进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，富氧空气预热器出口烟气被降温；燃气经燃气入口管1在燃气预热器内与来自富氧空气预热器出口的烟气在燃气预热器2内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后进入烟气排出管道12；富氧空气预热器出口的富氧空气与燃气预热器出口的燃气分别经空气或富氧空气预热器到燃烧器之间的管道9和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道8进入燃烧器7点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口的烟气一部分通过烟气排出管道12被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机10经再循环烟气管道11抽回到炉膛入口参加再循环。
根据图2所示的蓄热式空气预热燃烧系统和烟气再循环系统的组合使用示意图表明二者组合工艺是空气经空气入口管13在蓄热式空气预热器14内与从炉膛到空气预热器之间的烟道5排出的烟气进行热交换，其中空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器14出口烟气降温后排入烟气排出管道12；燃气经燃气入口管1在燃气预热器内被加热；蓄热式空气预热器14出口的空气与燃气预热器出口的燃气分别经蓄热式空气预热器14到燃烧器之间的空气管道9和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道8进入燃烧器7点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；烟气排出管道的烟气一部分通过烟气排出管道12被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机10经再循环烟气管道11抽回到炉膛入口参加再循环。
根据图3所示的富氧燃烧、蓄热式空气预热和烟气再循环系统三者组合使用示意图表明三者的组合的工艺是富氧空气经富氧空气入口管3在蓄热式空气预热器14内与从炉膛到空气预热器之间的烟道5排出的烟气进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器14出口烟气被降温；燃气经燃气入口管1在燃气预热器内与蓄热式空气预热器14出口的烟气在燃气预热器2内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后排入烟气排出管道12；预热后的富氧空气与燃气分别经蓄热式空气预热器14到燃烧器之间的管道9和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道8进入燃烧器7点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口烟气一部分通过烟气排出管道12被排出，一部分烟气被烟气再循环风机10经再循环烟气管道11抽回到炉膛入口参加再循环。
Claims (3)
1、一种烟气再循环装置，其特征在于：富氧空气经富氧空气入口管(3)在富氧空气预热器内与从炉膛到空气预热器之间的烟道(5)排出的烟气在富氧空气预热器(4)内进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，富氧空气预热器出口烟气被降温；燃气经燃气入口管(1)在燃气预热器内与来自富氧空气预热器出口的烟气在燃气预热器(2)内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后进入烟气排出管道(12)；富氧空气预热器出口的富氧空气与燃气预热器出口的燃气分别经空气或富氧空气预热器到燃烧器之间的管道(9)和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道(8)进入燃烧器(7)点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口的烟气一部分通过烟气排出管道(12)被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机(10)经再循环烟气管道(11)抽回到炉膛入口参加再循环。
2、一种烟气再循环装置，其特征在于：空气经空气入口管(13)在蓄热式空气预热器(14)内与从炉膛到空气预热器之间的烟道(5)排出的烟气进行热交换，其中空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器(14)出口烟气降温后排入烟气排出管道(12)；燃气经燃气入口管(1)在燃气预热器内被加热；蓄热式空气预热器(14)出口的空气与燃气预热器出口的燃气分别经蓄热式空气预热器(14)到燃烧器之间的空气管道(9)和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道(8)进入燃烧器(7)点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；烟气排出管道的烟气一部分通过烟气排出管道(12)被排出，另一部分烟气被烟气再循环风机(10)经再循环烟气管道(11)抽回到炉膛入口参加再循环。
3、一种烟气再循环装置，其特征在于：富氧空气经富氧空气入口管(3)在蓄热式空气预热器(14)内与从炉膛到空气预热器之间的烟道(5)排出的烟气进行热交换，其中富氧空气吸收烟气热量被加热，蓄热式空气预热器(14)出口烟气被降温；燃气经燃气入口管(1)在燃气预热器内与蓄热式空气预热器(14)出口的烟气在燃气预热器(2)内进行热交换，其中燃气吸收烟气热量被加热，燃气预热器出口烟气降温后排入烟气排出管道(12)；预热后的富氧空气与燃气分别经蓄热式空气预热器(14)到燃烧器之间的管道(9)和燃气预热器到燃烧器之间的燃气管道(8)进入燃烧器(7)点火燃烧，燃烧产物为高温烟气；燃气预热器出口烟气一部分通过烟气排出管道(12)被排出，一部分烟气被烟气再循环风机(10)经再循环烟气管道(11)抽回到炉膛入口参加再循环。
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