CN101586918A - 工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是研究与开发一种适用回收200℃－1200℃烟气余热、同时预热燃烧介质及生产生活用蒸汽热水等介质、解决不同设备配备需不同回收装置及能源浪费的行业难题，生产成本低的工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置。换热芯体由高中温段换热芯体和低温段换热芯体两部分组成，低温段余热回收装置是吸收换热后的烟气的热量，使烟气排放温度低于200℃。
Description
(一)技术领域
本发明涉及炉窑余热回收装置，具体涉及一种工业炉窑高温烟气的余热回收装置。
(二)背景技术
工业炉是工业加热的关键设备，广泛应用于机械、冶金等许多国民经济行业，工业炉的品种多，同时又是高能耗设备，在生产实践中，合理回收利用工业炉窑的烟气余热是企业力求解决的问题。现阶段对工业炉窑的烟气的回收利用可分为以下三种方式法：
一、直接使用法，对干燥介质要求不严的制品，可直接用风机将烟气抽入到干燥制品的工作室内，对制品直接干燥；
二、间接使用法，将从烟道中抽出的烟气直接送入到地坑或金属管道中，用材料热辐射的形式干燥原料和制品，也可以用于车间的取暖；
三、采取间接回收的方法，其原理就是通过换热的形式获取烟气中的热能，从烟气中换出较清净的热空气，然后将它作为热源送至所需的工作室内直接使用。
前两种方法虽然简单易行，但是其共同的弱点就是除尘困难，热效率低，使用范围窄。第三种方法通过气流的热交换原理将烟气的热能转化给较清净的空气，减少了烟尘对环境的污染，扩大了热源使用范围。然而，工业炉的品种繁多，各种设备配备组合产生烟气余热温度差异较大，传统的余热回收装置适用范围单一，造成同一功能设备设计多元化的资源浪费。目前根据使用部位、使用方法及使用温度的不同，制作发明出的各类余热回收装置，它们在结构、形式上略有不同，其共同的缺陷是适用的温度范围单一，适用介质单一，即适用1000℃左右的装置，不适用在300℃状态下，即使使用也无法回收余热或回收效率极低。
(三)发明内容
本发明的目的是研究与开发一种适用回收200℃-1200℃烟气余热、同时预热燃烧介质及生产生活用蒸汽热水等介质、解决不同设备配备需不同回收装置及能源浪费的行业难题，生产成本低的下业炉窑高温烟气的多级余热回收装置。
本发明的目的是这样实现的：工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置，它是由壳体、保温材料和换热芯体三大部分组成，壳体为由型钢及钢板焊接制作而成的矩形钢结构，对称的两端分别设置有烟气进口和烟气出口，上表面设置有换热介质进口和换热介质出口，壳体内衬保温材料，换热芯体设置其内，换热芯体由高中温段换热芯体和低温段换热芯体两部分组成，高中温段换热芯体设置在烟气进口端，低温段换热芯体设置在烟气出口端，并列排布，换热芯体近烟气进口端连接一换热介质出口，热芯体近烟气出口端连接一换热介质进口。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的高中温段换热芯体由A、B两组喷流管、预热集气箱、半热集气箱和已热集气箱组成，喷流管由预热气管和热交换管组成，预热气管一端开口，另一端封闭，管壁上密集排布有喷射孔，热交换管套在预热气管外，热交换管的一端与预热气管开口端密闭连接，热交换管另一端开口，A组喷流管预热气管开口端与预热集气箱相连接，B组喷流管热交换管开口端与已热集气箱相连接，A组喷流管热交换管开口端、B组喷流管预热气管开口端与半热集气箱相连接，预热集气箱与预热介质入口相通，已热集气箱与预热介质出口相通；
2、所述的预热气管和热交换管均由金属材料制成；
3、所述的低温段换热芯体由一组热管、介质流动箱和固定板组成，热管由管壳、肋片、端盖和工作液体组成，肋片设置在管壳外壁上，工作液体部分填充在被抽成负压的管壳内以端盖密封，热管的中空部分包含在介质流动箱内，并与介质流动箱箱底密封焊固，热管的底端与固定板连接，换热介质进口及换热介质出口均与介质流动箱相通。
在工业炉行业生产中，工件加热时有效供热量是一定的，但实际供热量是不同的，是与实际生产情况有关的，包括工人操作流程、设备自身保温状况、烟气余热回收效率等，而实际供热量的消耗是生产成本的最主要部分。提高烟气余热回收效率，将烟气带出的热量最大程度的回收，并将这些热量重新利用至生产上，即将排出的热量降低到最小，使实际提供的热量降低，也即降低了生产成本。
此装置是安装工业炉窑的排烟管道上，分多级对烟气余热进行回收，可以预热助燃空气和燃料(直接将回收热量用于该炉窑的燃烧，以达到节约燃料的作用)，可以产生热水或水蒸汽，以供生产或生活用(可以用于工矿企业的冬季车间供暖，生产用蒸汽，车间浴室等)。
本专利适用于单体设备的余热回收装置和适用于炉群的余热回收装置。高中温段余热回收装置是从烟气中吸收余热，加热助燃空气，以降低燃料消耗，改善燃烧工况，从而达到节能的目的，其原理为烟气由热交换管外侧流过，需预热的气体由预热气管开口端进入，通过预热气管管壁上的喷射孔喷至热交换管内壁，气体喷出速度较大且垂直喷至热交换管内壁，破坏热交换管管壁上的气流敷面层，加强对流换热，提高换热系数，同时降低热交换管管壁温度，提高喷流管的使用寿命。所以高中温段余热回收装置具有以下优点：a.高温烟气与预热气体之间由热交换管隔开，相互之间不发生混合，高温烟气通过辐射传热及对流传热将热量传递给热交换管，经过热交换管的传导后热量在经过辐射及对流传热传递给预热气体，该过程属稳定态传热工况，获得的预热气体温度较稳定。b.在高中温段余热回收装置内冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热，获得较大的对数温差，可以获得更大的换热系数，并且两侧受热面均可获得充分的扩展，这样高中温段余热回收装置可以做的非常紧凑。
高中温段余热回收后，其排烟温度还维持在500℃左右，仍具有回收价值，因此设置低温段余热回收装置也是非常必要的。低温段余热回收装置是吸收换热后的烟气的热量，使烟气排放温度低于200℃。当热管的蒸发段受热时热管内的工质蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，在重力的作用下流回蒸发段。如此循环不已，热量就由一端传到了另一端。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻小，因此具有很高的导热能力，而且热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段所产生的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。所以低温段余热回收装置具有以下优点：a.换热芯体部分的中隔板可使冷热流体完全分开，在运行过程中即使单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生泄露，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的混杂。b.在低温段余热回收装置内冷、热流体完全分开流动，可以比较容易的实现冷、热流体的完全逆流换热，获得较大的对数温差，可以获得更大的换热系数，并且两侧受热面均可获得充分的扩展，这样本装置可以做的非常紧凑。c.对于含尘量较高的流体，可以在设计时对热管的排布尺寸较容易的进行调整，解决换热器的磨损问题，延长换热器使用寿命。
新型工业炉窑高温烟气多级余热回收装置为国内首创，填补了国内热处理领域的空白，提高了国内冶金、机械等行业热处理设备的装备水平。对于没有采用余热回收装置的工业炉窑来说，其能量利用率约20％，安装普通余热回收装置，工业炉窑的热效率可提高到30％～40％，安装本余热回收装置，可使能量利用率达到70％，燃料节约率较常规设备达到30％～40％。
从节能减排的角度来看，以北方重工热处理车间工业炉群生产为例，设备排烟温度为950℃，高温烟气经本装置加热助燃空气和热水，烟气排放温度在200℃以下，常规余热回收后的排放烟气温度为500℃左右。助燃空气用于自热设备，降低生产成本；热水为职工洗澡提供生活热水以及保障厂区其余部分的冬季供暖。
从生产节能的角度来看，使用本装置可以使吨钢消耗折合标煤由150公斤降低为100公斤标煤，年产量按2000吨钢计算，每年节省燃料折合标煤10万吨。
从生活热水节能的角度来看，使用本装置可以使吨钢消耗产生60℃的热水约1吨，每年产生热水量约为2000吨热水，若由10℃的水升温到60℃生活热水，经计算共需热量1000吉焦。折合标煤1.8万吨。
从年减排碳量来看，年节省燃料折合11.8万吨，年减排碳折合8.36万吨。新型工业炉窑高温烟气多级余热回收装置不仅降低能耗，还可以减少烟气的排放量，降低排烟温度，降低了烟气对大气环境的直接热污染，保护自然环境。同时，为彻底解决工业炉窑高温烟气余热回收问题开拓了一条新路。
(四)附图说明
图1为实施方式的剖面示意图；
图2为实施例的喷流管结构示意图；
图3为实施例的热管结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明：
结合图1、图2和图3，本实施例包括壳体1、保温材料2、高中温段换热芯体3、低温段换热芯体4组成，壳体1为3820mm(L)×1650mm(W)×1500mm(H)的矩形钢结构，壳体1内衬保温材料2，壳体1的左右侧壁和分别设置有烟气进口5和烟气出口6，壳体1的上表面设置有高中温段换热介质进口7、高中温段换热介质出口8、低温段热介质进口9和低温段热介质出口10，高中温段换热芯体3设置在烟气进口5端，低温段换热芯体4设置在烟气出口6端，并列排布。高中温段换热芯体3由八十根喷流管11、预热集气箱12、半热集气箱13和已热集气箱14组成，喷流管11长1040mm，由金属材料制成的预热气管15和热交换管16组成，预热气管15一端开口，另一端封闭，管壁上密集排布有喷射孔17，热交换管16套在预热气管15外，热交换管16的一端与预热气管15开口端密闭连接，热交换管16另一端开口，八十根喷流管11按10×8矩阵排列，其中三十二根喷流管11的预热气管15开口端与预热集气箱12相连接，四十八根喷流管11的热交换管16开口端与已热集气箱14相连接，八十根喷流管11的另一端均与半热集气箱13相连接，半热集气箱13设置在壳体1底部，已热集气箱14和预热集气箱12分别设置在壳体1顶部的近烟气进口5端和远烟气进口5端，预热集气箱12与高中温段预热介质进口7相通，已热集气箱14与高中温段预热介质出口8相通。低温段换热芯体4由二百二十四根管长为1040mm的热管18、介质流动箱19和固定板20组成，热管18由管壳21、一组环形肋片22、端盖23和工作液体24组成，一组环形肋片22焊接在管壳21外壁上，工作液体24以管壳21的半容积量填充在被抽成负压的管壳21内以端盖23密封，热管18上三分之一部分包含在介质流动箱19内，并按7×32矩阵排列与介质流动箱19箱底密封焊固，热管18的底端与固定板20连接，低温段换热介质进口9及低温段换热介质出口10均与介质流动箱19相通按序设置在近烟气出口6端和远烟气出口6端。
Claims (4)
1、工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置，它是由壳体、保温材料和换热芯体三大部分组成，壳体为由型钢及钢板焊接制作而成的矩形钢结构，对称的两端分别设置有烟气进口和烟气出口，上表面设置有换热介质进口和换热介质出口，壳体内衬保温材料，换热芯体设置其内，本装置的特征在于换热芯体由高中温段换热芯体和低温段换热芯体两部分组成，高中温段换热芯体设置在烟气进口端，低温段换热芯体设置在烟气出口端，并列排布，换热芯体近烟气进口端连接一换热介质出口，热芯体近烟气出口端连接一换热介质进口。
2、根据权利要求1所述的工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置，其特征在于所述的高中温段换热芯体由A、B两组喷流管、预热集气箱、半热集气箱和已热集气箱组成，喷流管由预热气管和热交换管组成，预热气管一端开口，另一端封闭，管壁上密集排布有喷射孔，热交换管套在预热气管外，热交换管的一端与预热气管开口端密闭连接，热交换管另一端开口，A组喷流管预热气管开口端与预热集气箱相连接，B组喷流管热交换管开口端与已热集气箱相连接，A组喷流管热交换管开口端、B组喷流管预热气管开口端与半热集气箱相连接，预热集气箱与预热介质入口相通，已热集气箱与预热介质出口相通。
3、根据权利要求2所述的工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置，其特征在于所述的预热气管和热交换管均由金属材料制成。
4、根据权利要求1所述的工业炉窑高温烟气的多级余热回收装置，其特征在于所述的低温段换热芯体由一组热管、介质流动箱和固定板组成，热管由管壳、肋片、端盖和工作液体组成，肋片设置在管壳外壁上，上作液体部分填充在被抽成负压的管壳内以端盖密封，热管的中空部分包含在介质流动箱内，并与介质流动箱箱底密封焊固，热管的底端与固定板连接，换热介质进口及换热介质出口均与介质流动箱相通。
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