CN102042758B - 马蹄焰炉窑换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型工业炉窑及其换热系统。本发明的马蹄焰炉窑换热系统，包括相互连通的炉窑、蓄热室，炉窑、蓄热室至少设置一个，系统还包括燃烧剂换热器、空气换热器，燃烧剂换热器的燃烧剂入口连接燃烧剂输入管道，燃烧剂出口通过燃烧剂切换器与炉窑连通，燃烧剂换热器的烟气入口I通过空气/烟气切换器与蓄热室连通，燃烧剂换热器的烟气出口I与空气换热器的烟气入口II连通；空气换热器的空气入口连接空气输入管道，空气换热器的空气出口通过空气/烟气切换器与蓄热室连通，空气换热器的烟气出口II通过烟气排出管道将烟气排出。本发明为本行业的技术进步做出了贡献。而且与解决换向问题的现有技术相比，更安全，能耗更低。

Description

马蹄焰炉窑换热系统

技术领域

本发明涉及一种新型工业炉窑及其换热系统，尤其涉及一种能够减少换向时排放到大气中的燃烧剂且降低能耗的马蹄焰炉窑及其换热系统。

背景技术

目前，泡花碱生产厂和中小型玻璃生产厂大多采用双碹纵火焰炉窑或马蹄焰炉窑来生产泡花碱或玻璃，这两种形式的炉窑各有利弊：双碹纵火焰炉窑占地面积小、结构简单、造价低，不存在燃烧剂（如煤气）和空气的换向，但其炉温低、产能低、能耗高、内部结构易烧坏。而马蹄焰炉窑产能大、能耗低，但根据其蓄热室格子砖的特性和炉窑温度，通常每半小时需要换向一次，而在间歇定时换向过程中，一侧蓄热室中已存有的燃烧剂会随另一侧反向而来的烟气一同排放到大气中，不仅污染环境，而且伴有很大的能源浪费。因此比较先进的大型泡花碱炉窑均采用马蹄焰炉窑，但换向时的煤气排放问题一直是困扰本行业的技术难题。粗略估算一台55m²马蹄焰炉窑每次换向要浪费掉煤气80m³；二是该部分煤气成分排空，会给大气环境带来污染。

另一方面，本行业中不论是蓄热式马蹄焰炉窑，还是换热式纵焰炉，都是通过烟气加（换）热燃烧剂和/或助燃空气，在这样的（蓄）换热系统中，通常是采用六角形格子砖、圆形筒子砖、薄壁盒子砖砌成的蓄热室、风火道、换热室等耐火材料和结构。从换热效率来讲，这些耐火材料的热交换效率不如金属，但在一定的性价比下，金属的耐高温性能达不到炉窑的温度要求，因此本行业除了在炉窑的低温段，有的厂家采用废热锅炉回收烟气余热以外，（蓄）换热系统通常没有采用金属材质的，这也是造成泡花碱生产的热利用率低、能耗高的关键因素之一。虽然也有部分采用金属材质的（蓄）换热系统，但其设备本身往往造价较高、结构较复杂，实用性不好。

对于采用元明粉为原料生产泡花碱的工艺，不论采用蓄热式马蹄焰炉窑，还是采用换热式纵焰炉，都会有含硫氧化物随着烟气排放到大气中，因此本申请人申报了申请号为200810138398的发明专利，即通过后续的非稳态制酸装置将烟气中的二氧化硫进行回收利用，形成循环经济。如果前端炉窑采用换热式纵焰炉，虽然没有换向问题的干扰，但与蓄热式马蹄焰炉窑相比，产能提不上去，能耗也降不下来，产品质量也由于炉温低而得不到保证。但如果采用蓄热式马蹄焰炉窑，就存在换向问题，在换向时夹带到烟气中的煤气中所含有的一氧化碳会将烟气中的二氧化硫/三氧化硫还原为低价态的硫，造成烟气中的二氧化硫含量瞬时降低和不稳定，对后续制酸的连续、稳定操作造成不利影响。

国内曾有人为了将蓄热式马蹄焰炉窑与换热式纵焰窑的优点结合起来，而建造了换热式双马蹄焰窑，这虽然能解决换向问题，但与蓄热式马蹄焰炉窑相比仍然产能低、能耗高、窑龄短（见杨福盛，“不同马蹄焰窑型在硅酸钠生产的应用与探讨”2001年，第十届全国无机硅化合物技术与信息交流大会论文集，p1-3）。

王振国曾发表文章（见“窑炉换向时黄色煤气的回收利用”，2008年，第十七届全国无机硅化合物技术与信息交流大会论文集，p153），试图通过不改变马蹄焰炉窑的基本结构，只是通过在一侧的烟道上开孔，用引风机将蓄热室中的煤气引到另一侧的蓄热室燃烧，加以回收利用；或将煤气回收到气柜中，逐步加到煤气管道中回收利用。但这样做的能耗水平高，操作难度大，而且经济性和安全性不能同时得到保证。总之，现有技术都不能从根本上解决马蹄焰炉窑经济运行和环保问题的矛盾。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种马蹄焰炉窑换热系统，其从根本上解决影响炉窑经济运行与环保问题之间的矛盾，进而提供一种能够大大减少换向时排放到大气中的燃烧剂。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括相互连通的炉窑、蓄热室，炉窑、蓄热室皆至少设置一个，系统还包括燃烧剂换热器、空气换热器，燃烧剂换热器的燃烧剂入口连接燃烧剂输入管道，燃烧剂出口通过燃烧剂切换器与炉窑连通，燃烧剂换热器的烟气入口Ⅰ通过空气/烟气切换器与蓄热室连通，燃烧剂换热器的烟气出口Ⅰ与空气换热器的烟气入口Ⅱ连通；空气换热器的空气入口连接空气输入管道，空气换热器的空气出口通过空气/烟气切换器与蓄热室连通，空气换热器的烟气出口Ⅱ通过烟气排出管道将烟气排出。

燃烧剂换热器采用金属材质，本发明用耐高温金属换热器替换掉了现有技术马蹄焰炉窑中庞大的燃烧剂蓄热室，并且利用安装在通向炉窑的燃烧剂支管道上的燃烧剂切换器的切换作用，使换向时随烟气排放掉的燃烧剂近乎为零。

烟气出口Ⅱ与烟气排出管道之间连接废热锅炉。烟气出口Ⅱ与废热锅炉的烟气入口Ⅲ连通，废热锅炉的烟气出口Ⅲ与烟气排出管道连接。废热锅炉还设有软化水入口和热水出口，热水出口通过热水输出管道与炉窑连通。本发明增加废热锅炉，以提高整个系统的热利用率，降低能耗。

燃烧剂输入管道中的燃烧剂采用煤气或者焦化炉气或者天然气，本发明中的燃烧剂与现有技术一样，而炉窑助燃空气也是由烟囱抽力产生负压自吸室内空气或鼓风机鼓入常温空气。本发明的烟气系统，是采用烟气对空气和燃烧剂进行分段加（换）热。

炉窑包括小炉、配料入口、熔池、终料出口，小炉与燃烧剂切换器连通，熔池的两侧分别设置配料入口和终料出口。

空气/烟气切换器采用自动化控制的三通阀、四通阀、蝶阀、闸板阀、或快速切断阀，其功能只要能保证当一侧蓄热室处于空气进入状态时，另一侧蓄热室处于烟气排放状态；反之当一侧蓄热室处于烟气排放状态时，另一侧蓄热室处于空气进入状态。

燃烧剂切换器采用球阀、蝶阀、或三通阀，当一侧支管道上的阀门处于打开状态时，另一侧支管道上的阀门处于关闭状态；反之当一侧支管道上的阀门处于关闭状态时，另一侧支管道上的阀门处于打开状态。

本发明的马蹄焰炉窑系统去掉了庞大的煤气蓄热室，而在换热系统中改用耐高温金属换热器代替现有技术马蹄焰炉窑系统中的格子体砖煤气蓄热室，这样一方面能够减小占地面积、提高热交换效率，另一方面从耐高温金属燃烧剂换热器出来的煤气采用公用管道输送至炉窑的小炉下，再用两条支管道连接到小炉，每条支管道安装一个燃烧剂切换器，换向时保持处于燃烧侧小炉的燃烧剂切换器开启、处于回烟气侧小炉的燃烧剂切换器关闭。这样，换向瞬间被烟气带走的燃烧剂几乎为零，节约了燃烧剂、减少了污染，兼顾了炉窑生产的经济性和环保问题。

本发明的马蹄焰炉窑系统仅在给二段空气加热时采用格子砖蓄热室，而给燃烧剂加热、一段空气加热时全部改为换热器，而且是金属换热器。这样的技术方案不但能够将蓄热式马蹄焰炉窑与换热式纵焰炉的优势结合起来，减少了占地面积，而且能够合理地利用金属换热材料的性能、提高了烟气传热的温差梯度，热交换的效率大大提高，设备寿命和检修周期也大大延长，降低了维修费用和泡花碱生产成本。虽然本发明的一次性投资会增大，但泡花碱的综合生产成本会降低。

发明巧妙地解决了上述技术难题，使后续的非稳态法制硫酸收率得以提高，为本行业的技术进步做出了贡献。而且与解决换向问题的现有技术相比，更安全，能耗更低。

本发明所带来的有益效果是显而易见的，与传统的蓄热式马蹄焰炉窑比较，这种新型炉窑系统在经济性上可使设备使用寿命延长5倍，维修费用降低80％；减少了换向时燃烧剂的浪费，折合可节约能源10％以上；整个系统分段逐级进行热交换，最大限度地提高了热利用率，全系统的有效热利用率可达45-50％，燃煤消耗量平均可降至220公斤/吨以下。在环保方面由于克服了换向操作时被烟气夹带出去的煤气向大气中的排放问题，会产生积极的社会效益。特别对于后续带有制酸装置的元明粉法泡花碱工艺，能实现生产节能、连续、稳定的运行。

附图说明

图1为本发明的实施例1结构示意图；

图2为本发明的炉窑和蓄热室局部放大图示意图；

图3为本发明的实施例2结构示意图。

图中：1.炉窑；2.蓄热室；3.燃烧剂换热器；4.空气换热器；5.废热锅炉；6.烟气排出管道；7.热水输出管道；8.空气输入管道；9.燃烧剂输入管道；10.空气/烟气切换器；11.燃烧剂切换器；12.烟气入口Ⅰ；13.烟气出口Ⅰ；14.烟气入口Ⅱ；15.烟气出口Ⅱ；16.烟气入口Ⅲ；17.烟气出口Ⅲ；18.软化水入口；19.热水出口；20.空气入口；21.空气出口；22.燃烧剂入口；23.燃烧剂出口；101.终料出口；102.熔池；103.配料入口；104.小炉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述：

实施例1

本发明的系统包括相互连通的炉窑1、蓄热室2，炉窑1、蓄热室2分别设置两组，系统还包括燃烧剂换热器3、空气换热器4，燃烧剂换热器3的燃烧剂入口22连接燃烧剂输入管道9，燃烧剂出口23通过燃烧剂切换器11与炉窑1连通，燃烧剂换热器3的烟气入口Ⅰ12通过空气/烟气切换器10与蓄热室2连通，燃烧剂换热器的烟气出口Ⅰ13与空气换热器的烟气入口Ⅱ14连通；空气换热器的空气入口20连接空气输入管道8，空气换热器的空气出口21通过空气/烟气切换器10与蓄热室2连通，空气换热器的烟气出口Ⅱ15通过烟气排出管道6将烟气排出。

烟气出口Ⅱ15与烟气排出管道6之间连接废热锅炉5，烟气出口Ⅱ15与废热锅炉的烟气入口Ⅲ16连通，废热锅炉的烟气出口Ⅲ17与烟气排出管道6连接。废热锅炉还设有软化水入口18和热水出口19，热水出口19通过热水输出管道7与炉窑1连通。燃烧剂输入管道9中的燃烧剂采用煤气或者焦化炉气或者天然气。炉窑1包括小炉104、配料入口103、熔池102、终料出口101，小炉104与燃烧剂切换器11连通，熔池102的两侧分别设置配料入口103和终料出口101。燃烧剂换热器3采用金属材质。空气/烟气切换器10采用自动化控制的三通阀，燃烧剂切换器11采用三通阀。

本炉窑工作时，通入金属材质的空气换热器4管程的常温空气，与从耐高温金属材质的燃烧剂换热器3来的烟气间接换热，空气由20℃换热至300℃左右，经过空气/烟气切换器10去二段蓄热室2。而从一段空气换热器4出来的经过降温的中、低温烟气去废热锅炉5，用于加热软化水，为固体泡花碱化料、液体水玻璃提供所需热水；在二段蓄热室2中的耐火材料--耐高温格子体（砖）经过换向前的1380-1100℃高温烟气蓄热，在换向后会将由一段空气换热器4来的空气由300℃继续加热至750℃左右，然后去泡花碱的炉窑1的小炉104助燃，而换向后形成的烟气经空气/烟气切换器10去耐高温金属的燃烧剂换热器3；在燃烧剂换热器3中，通入管程中的煤气与从二段蓄热室2来的约1100℃左右烟气间接换热，将由煤气发生炉来的混合煤气由350℃换热至700℃左右，然后通过燃烧剂切换器11去泡花碱炉窑A的小炉，在高温空气助燃剂下燃烧形成马蹄焰，释放热量给泡花碱的炉窑1的熔池102中的配料，通过连续加、出料来实现泡花碱的连续生产，同时所产生的1380-1100℃高温烟气连续去二段蓄热室2加热耐高温格子体（砖），换向后耐高温格子体（砖）再放热来加热二段空气。

在炉窑1内，经配比自配料入口103连续加入的原料（元明粉+石英砂+还原煤粉）借助燃烧剂（煤气、焦化炉气或天然气）和助燃空气的燃烧，形成高温马蹄焰，使熔池102温度达到1350-1450℃，原料在熔池102中被加热熔融和沉匀后从出料口连续排出炉外，经冷却成型后获得固体泡花碱产品；自熔池102出来的高温烟气（1380-1100℃）自小炉104的炉口被引出，在蓄热室2首先传热给耐高温材料型砖并进入烟气及加热系统。

本发明的烟气流程为：自熔池102出来的高温烟气（1380-1100℃）传热给蓄热室2的耐高温材料型砖，定时换向后耐高温型砖再加热二段空气用于助燃；从蓄热室2出来的中、高温烟气（1000-850℃）在耐高温燃烧剂换热器3中间接加热煤气（或焦化炉气、天然气）；从燃烧剂换热器3出来的中温烟气（700-650℃）在空气换热器4中再间接加热一段空气；从空气换热器4出来的低温烟气（300℃左右）通过废热锅炉5继续回收余热，并产出热水（用于将固体泡花碱化料成液体水玻璃），最终低温烟气经粉尘净化等处理步骤以后，用于非稳态法制硫酸。

实施例2

炉窑1、蓄热室2分别设置一组。其它同实施例1。

Claims (9)

1.一种马蹄焰炉窑换热系统，包括相互连通的炉窑（1）、蓄热室（2），其特征在于，炉窑（1）、蓄热室（2）皆至少设置一个，系统还包括燃烧剂换热器（3）、空气换热器（4），燃烧剂换热器（3）的燃烧剂入口（22）连接燃烧剂输入管道（9），燃烧剂出口（23）通过燃烧剂切换器（11）与炉窑（1）连通，燃烧剂换热器（3）的烟气入口Ⅰ（12）通过空气/烟气切换器（10）与蓄热室（2）连通，燃烧剂换热器的烟气出口Ⅰ（13）与空气换热器的烟气入口Ⅱ（14）连通；空气换热器的空气入口（20）连接空气输入管道（8），空气换热器的空气出口（21）通过空气/烟气切换器（10）与蓄热室（2）连通，空气换热器的烟气出口Ⅱ（15）通过烟气排出管道（6）将烟气排出。

2.根据权利要求1所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，烟气出口Ⅱ（15）与烟气排出管道（6）之间连接废热锅炉（5）。

3.根据权利要求2所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，烟气出口Ⅱ（15）与废热锅炉的烟气入口Ⅲ（16）连通，废热锅炉的烟气出口Ⅲ（17）与烟气排出管道（6）连接。

4.根据权利要求3所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，废热锅炉（5）还设有软化水入口（18）和热水出口（19），热水出口（19）通过热水输出管道（7）与炉窑（1）连通。

5.根据权利要求2所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，燃烧剂输入管道（9）中的燃烧剂采用煤气或者焦化炉气或者天然气。

6.根据权利要求2所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，炉窑（1）包括小炉（104）、配料入口（103）、熔池（102）、终料出口（101），小炉（104）与燃烧剂切换器（11）连通，熔池（102）的两侧分别设置配料入口（103）和终料出口（101）。

7.根据权利要求5或6所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，燃烧剂换热器（3）采用金属材质。

8.根据权利要求7所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，空气/烟气切换器（10）采用自动化控制的三通阀、四通阀、蝶阀、闸板阀、或快速切断阀。

9.根据权利要求7所述的马蹄焰炉窑换热系统，其特征在于，燃烧剂切换器（11）采用球阀、蝶阀、或三通阀。

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