CN102645116B - 一种连续蓄热式热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续蓄热式热交换器,托板(8)上开有槽(28)和气孔(27),环形中空(22)设置有多个通道,多个通道中填满有蓄热体,筒体(17)上部设有带孔的陶瓷盖板(16),筒体(17)安装在动力传动装置(19)上;高温气帽(1)与带孔的陶瓷盖板(16)对接且二者之间设有密封装置,低温气帽(18)与托板(8)对接且二者之间设有密封结构;烟气流动是从入口(10)进入流经蓄热体后从出口(12)排出,空气的流动是从入口(13)进入流经蓄热体后从出后(11)排出;高温气帽(1)和低温气帽(18)静止不动,电动机及传动装置带动筒体(17)匀速转动,这三部分内外均设有隔热保温层(20)。本发明是一种炉温、炉压波动小,预热气体温度波动小的连续蓄热式热交换器。

Description

一种连续蓄热式热交换器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种热交换器,特别是涉及一种蓄热式热交换器,利用各种工业炉窑烟道内的高温烟气的热量来预热助燃空气。
背景技术
[0002] 能源是制约我国国民经济发展的重要因素,国家“十一五”规划明确提出了节能减排的口号,能耗和减排指标成为了具有法律效力的约束性指标。“十二五”规划又加强了对节能减排的要求力度,加快建设资源节约型、环境友好型社会。工业炉能耗占工业总能耗的60%,且我国的工业炉与发达国家相比,炉窑平均热效率要低20%左右,排烟温度高是能源利用率低的主要原因。
[0003] 围绕加热炉的进一步节能降耗问题,“余热全自回收”(胡彦帮,燃高炉煤气的高效加热炉.冶金能源,1988,7 (6):9-16.)和“三高一低”(张先跃等,关于工业加热炉发展方向的探讨.工业炉,1990,2,3)的观点曾引起热工界的普遍关注。“余热全自回收”是指:使用高效换热器把废气温度降到200°C以下,同时强化炉窑绝热,以减少炉子其它各项热损失;“三高一低”是指:对炉子实施“高炉温”、“高烟温”操作,同时对烟气实行“高效余热回收”和在炉子上使用“低惰性”材料。这两种设想一定程度地反映了单体热工设备节能研究的发展方向。其得以实现的前提条件,是必须具备有可靠的高效余热回收装置。但苦于没有完全满足要求的热交换装置,均未能得以很好地实现。
[0004] 蓄热式换热技术是一种高效的烟气余热回收技术。由于工艺操作的特点有些炉窑出炉废气温度高于1000°c 般高温火焰炉排出的烟气带走的热量高达炉子总供热的50%以上,造成燃料的极大浪费。在我国钢铁企业中,热工设备上普遍采用的普通金属换热器,长期使用温度在700〜800°C,空气预热温度为400〜500°C,换热器效率在50%〜60%左右(张法波.填充球蓄热室热过程仿真及优化设计[D].北京:北京科技大学,2007.)。大量的烟气余热得不到充分利用,热工设备的燃耗水平普遍高于国外同等设备。每提高预热空气100°C,可节约燃料5%,因此最大限度地回收废气余热是工业炉窑节能发展的主要方向,所以蓄热式换热技术的攻关势在必行。与此相应的高温燃烧技术,不仅提高了燃料的燃烧效率,更有效地开辟了低热值燃料的合理利用途径(李朝祥.蓄热式热交换技术的应用与展望[J].冶金能源,2004, 23 (2): 45〜49.)。蓄热式热交换技术的应用,其意义为:不仅在最大程度上节省了燃料,而且降低了污染物排放量,满足我国工业可持续发展的战略要求。陶瓷质换热器以蓄热形式问世,随后换热形式很快地发展。原因是陶质换热器耐高温,空气预热温度高,应用后节能效果显著,在烟气温度为1000〜1250°C时,可把空气预热到900〜1000°C。采用蓄热式热交换器,炉膛的排烟温度不再受热交换器的材质限制(李爱菊.王毅.蓄热室新型蓄热体的研究进展[J].冶金能源,2007,26(3),43-48.),可以实现高温排烟,相应地助燃空气的高温预热成为可能。
[0005]目前蓄热式燃烧技术已在世界上许多国家工业炉窑上应用,由于常规蓄热式燃烧需要频繁的换向。频繁的换向造成炉温、炉压的波动,换向瞬间燃烧的不连续,加热质量的降低,导致其优势很小(张建军,冯自平,宋文吉,等.连续式蓄热燃烧技术的研究[J].四川冶金,2010,32 (6 ),19-24.)。只有实现连续、稳定的高温空气燃烧,才能真正体现出高温空气燃烧的优势。国外采用蜂窝体蓄热材料已经实现了连续提供高温预热空气,但是针对国内排烟条件恶劣的因素,相应的连续式蓄热换热器亟待开发。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种炉温、炉压波动小,预热气体温度波动小的连续蓄热式热交换器。
[0007] 为了解决上述技术问题,本发明提供的连续蓄热式热交换器,整体为立式布置,筒体的横截面是环形中空,托板固定安装在所述的筒体的下端,所述的托板上开有槽,且与所述的筒体的中间空心对应的部分上开有气孔,所述的环形中空中沿轴向设置有多个将所述的环形中空分成均匀的多个通道的插板,多个所述的通道中填满有蓄热体,所述的筒体上部在所述的插板顶端到所述的筒体顶部之间设有带孔的陶瓷盖板,所述的筒体及所述的托板安装在动力传动装置的驱动轴上;高温气帽与所述的筒体的上端的所述的盖板对接且二者之间设有密封装置,低温气帽与所述的筒体的下端的所述的托板对接且二者之间设有密封结构;所述的高温气帽上设有烟气进口和空气出口,低温气帽上设有烟气出口和空气进口,所述的烟气进口和所述的烟气出口处于所述的环形中空的同一轴线上,所述的空气进口和所述的空气出口处于所述的环形中空的同一轴线上,所述的高温气帽、低温气帽和所述的筒体的内外均设有隔热保温层。
[0008] 所述的环形中空中沿轴向设置有多个将所述的环形中空分成均匀的十三个通道的插板,所述的十三个通道中烟气通道占4个,空气通道占3个,过渡区占6个且成对称布置。
[0009] 所述的插板分为上下不同材料的两部分,上部分是耐高温、耐腐蚀的材料板,下部是常规金属板,所述的插板的插槽开在所述的筒体的内、外的保温层上。
[0010] 所述的高温气帽与所述的筒体的上端的所述的带孔的陶瓷盖板之间设有的密封装置是指:外周向密封是第一密封环迷宫密封、第二密封环迷宫密封和第一环绕冷却管道分布的密封空气出口形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;内周向密封是第三密封环迷宫密封、第四密封环迷宫密封和第二环绕冷却管道分布的密封空气出口形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;所述的高温气帽与所述的带孔的陶瓷盖板之间采用环形迷宫密封和动静面之间的摩擦密封。
[0011] 所述的低温气帽与所述的托板之间设有的密封结构,其内、外周向密封在所述的托板下部设有凸起与所述的低温气帽上部设有凹槽配合形成的迷宫密封。
[0012] 所述的蓄热体根据不同的烟气品质分为:陶瓷球和陶瓷蜂窝体。
[0013] 所述的高温气帽由第一支架支撑,所述的低温气帽由第二支架支撑,所述的动力传动装置由由第三支架支撑。
[0014] 所述的第一支架支撑、所述的第二支架和所述的第三支架为高度可调节支架。
[0015] 采用上述技术方案的连续蓄热式热交换器,采用电动机带动填满蓄热体的筒体匀速旋转,实现冷热流体交替流经蓄热体,预热空气并排出低温烟气;实现了烧嘴连续供热风,在烟气温度为1000〜1100°C时可将空气预热到800〜900°C,并且预热空气温度波动在30°C以内,回收烟气预热75〜90% ;降低排烟温度至200〜300°C,提高系统能源利用率,节能降耗,同时也改善环境;该方法利用高温烟气预热助燃空气,极限回收烟气的余热,可提高系统的能源利用率和热效率。
[0016] 发明的优点和积极效果:
[0017] 1、本发明适合于排烟温度高的工业炉窑,对烟气品质适应能力强,经预热后的空气可直接经喷嘴进入炉膛助燃;
[0018] 2、本发明蓄热式换热器节能效果显著,采取匀速旋转的方式,解决预热气体温度波动大的问题,实现连续、稳定火焰的蓄热式高温空气燃烧;解决了蓄热式高温空气燃烧技术中的烧嘴堵塞、结焦、断火、爆鸣、爆燃等问题;
[0019] 3、能在保持炉型不变的基础上,保持原有烧嘴和原有的燃烧方式,将传统工业炉窑改成蓄热式炉窑,经济简便,有利于蓄热换热器的推广;
[0020] 4、提供一种连续的蓄热式换热设器,在烟气温度为1000〜1100°C可将空气预热到800〜900°C,回收烟气余热达到75〜90%,连续提供助燃空气温度波动在30°C以内,排烟温度降至200〜300°C,提高能源利用效率,节能降耗,同时也能改善环境;
[0021] 5、该换热器的使用可以节约燃料,降低二氧化碳的总的排放量,使炉膛内加热温度更加均匀,降低氮氧化物的排放浓度等。不仅有着巨大的经济效益,而且为我国的节能减排做出巨大的贡献。
附图说明
[0022] 图1是蓄热式换热器结构示意图。
[0023] 图2是蓄热式换热器俯视图。
[0024] 图3是沿图1中C-C线剖面图。
[0025] 图4是高温气帽仰视图。
[0026] 图5是沿图4中M-M剖面图。
[0027] 图5是沿图4中D-D剖面图。
[0028] 图1是是托板俯视图。
[0029] 图8是托板纵剖面图。
[0030] 图9是低温气帽半剖剖面图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0032] 参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9,整体为立式布置,筒体17的横截面是环形中空22,托板8采用螺栓固定安装在筒体17的下端,托板8上开有槽28,且与筒体17的中间空心31对应的部分上开有气孔27,工作状态时中间空出腔体由下向上的对流空气能对下部的平衡及传动装置自然冷却;环形中空22中沿轴向设置有多个将环形中空22分成均匀的十三个通道的插板21,十三个通道中烟气通道占4个,空气通道占3个,过渡区占6个且成对称布置,十三个通道中填满有蓄热体,蓄热体根据不同的烟气品质采用陶瓷球或陶瓷蜂窝体,插板21分为上下不同材料的两部分,上部分是耐高温、耐腐蚀的材料板,下部是常规金属板,插板21的插槽开在筒体17的内、外的保温层上,考虑受热膨胀因素,插板21的组装留有膨胀裕量;筒体17上部在插板21顶端到筒体17顶部之间设有带孔的陶瓷盖板16,筒体17及托板8安装在动力传动装置19的驱动轴上;高温气帽I与筒体17的上端的带孔的陶瓷盖板16对接,高温气帽I与筒体17的上端的带孔的陶瓷盖板16之间设有密封装置:外周向密封是第一密封环迷宫密封2、第二密封环迷宫密封5和第一环绕冷却管道9分布的密封空气出口 23形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;内周向密封是第三密封环迷宫密封3、第四密封环迷宫密封4和第二环绕冷却管道20分布的密封空气出口 24形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;高温气帽I与带孔的陶瓷盖板16之间采用环形迷宫密封26和动静面之间的摩擦密封25 ;低温气帽18与筒体17的下端的托板8对接,低温气帽18与托板8之间的内、外周向密封是在托板8的下部设有凸起29与低温气帽18的上部设有的凹槽30配合形成的迷宫密封;高温气帽I上设有烟气进口 10和空气出口 11,低温气帽18上设有烟气出口 12和空气进口 13,烟气进口 10和烟气出口 12处于环形中空22的同一轴线上,空气进口 13和空气出口 11处于环形中空22的同一轴线上,高温气帽1、低温气帽18和筒体17的内外均设有隔热保温层20。高温气帽I由第一支架14和第一横梁6、第二横梁7支撑,调节第一支架14可以调节第一横梁6、第二横梁7高度来调节高温气帽I的高度,低温气帽18由第二支架32支撑,低温气帽18是由第二支架32调节高度;动力传动装置19由第三支架15支撑,第三支架15为高度可调节支架。冷、热流体采取逆流布置即烟气进口 10和空气出口 11在同一端,上部为热端,下部为冷端。动力传动装置19的电动机带动筒体17匀速转动,烟气从烟气进口 10进入换热器流经蓄热体放热后由烟气出口 12排出,空气从空气进口 13进入换热器流经蓄热体吸收热量后由空气出口11排出烟气与空气的进出口固定布置,整个过程中实现连续供热风并排出冷却后的烟气。
[0033] 热端的密封分为过渡区密封与内外周向密封,过渡区的密封是高温气帽下表面与旋转通体上表面之间的密封,采取在过渡区的高温气帽上开槽及填充软性耐热、耐磨材料的组合(25、26)与带孔的陶瓷盖板的面密封,防止空气向烟气侧泄露;内外周向密封采取迷宫密封一气封一迷宫密封(2、5、9、23) (3、4、14、24)的多级组合密封,防止换热器内部气体向环境中泄露。冷端的内外密封米取托板与低温气帽之间的迷宫密封(29、30)。
[0034] 装置的平衡:热帽、筒体、冷帽及驱动装置分别由不同的支架支撑,每个支架能调节高度,可根据工作工况的不同调节各部件之间的间隙来满足运行的需要。
[0035] 针对国内大部分炉窑烟气条件恶劣的状况,本发明采用直径为20〜35mm的陶瓷球作为蓄热体,冷热空气逆流布置。有效的避免了陶瓷蜂窝体应用时所难解决的积灰、堵死的问题。对于烟气品质高的烟气可采用陶瓷蜂窝体作为蓄热体。

Claims (8)

1.一种连续蓄热式热交换器,其特征是:整体为立式布置,筒体(17)的横截面是环形中空(22),托板(8)固定安装在所述的筒体(17)的下端,所述的托板(8)上开有槽(28),且与所述的筒体(17)的中间空心(31)对应的部分上开有气孔(27),所述的环形中空(22)中沿轴向设置有多个将所述的环形中空(22)分成均匀的多个通道的插板(21),多个所述的通道中填满有蓄热体,所述的筒体(17)上部在所述的插板(21)顶端到所述的筒体(17)顶部之间设有带孔的陶瓷盖板(16),所述的筒体(17)及所述的托板(8)安装在动力传动装置(19)的驱动轴上;高温气帽(I)与所述的筒体(17)的上端的所述的带孔的陶瓷盖板(16)对接且二者之间设有密封装置,低温气帽(18)与所述的筒体(17)的下端的所述的托板(8)对接且二者之间设有密封结构;所述的高温气帽(I)上设有烟气进口(10)和空气出口(11),低温气帽(18)上设有烟气出口(12)和空气进口(13),所述的烟气进口(10)和所述的烟气出口(12)处于同一轴线上,所述的空气进口(13)和所述的空气出口(11)处于同一轴线上,所述的高温气帽(I)、低温气帽(18)和所述的筒体(17)的内外均设有隔热保温层(20)。
2.根据权利要求1所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的环形中空(22)中沿轴向设置有多个将所述的环形中空(22)分成均匀的十三个通道的插板(21),所述的十三个通道中烟气通道占4个,空气通道占3个,过渡区占6个且成对称布置。
3.根据权利要求1或2所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的插板(21)分为上下不同材料的两部分,上部分是耐高温、耐腐蚀的材料板,下部是常规金属板,所述的插板(21)的插槽开在所述的筒体(17)的内、外的隔热保温层上。
4.根据权利要求1或2所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的高温气帽(I)与所述的筒体(17)的上端的所述的带孔的陶瓷盖板(16)之间设有的密封装置是指:外周向密封是第一密封环迷宫密封(2)、第二密封环迷宫密封(5)和第一环绕冷却管道(9)分布的密封空气出口(23)形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;内周向密封是第三密封环迷宫密封(3)、第四密封环迷宫密封(4)和第二环绕冷却管道(20)分布的密封空气出口(24)形成一个空气帘环绕的热密封的组合密封;所述的高温气帽(I)与所述的带孔的陶瓷盖板(16)之间采用环形迷宫密封(26)和动静面之间的摩擦密封(25)。
5.根据权利要求1或2所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的低温气帽(18)与所述的托板(8)之间设有的密封结构,其内、外周向密封是在所述的托板(8)下部设有的凸起(29)与所述的低温气帽(18)上部设有的凹槽(30)配合形成的迷宫密封。
6.根据权利要求1或2所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的蓄热体根据不同的烟气品质分为:陶瓷球和陶瓷蜂窝体。
7.根据权利要求1或2所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的高温气帽(I)由第一支架(14)支撑,所述的低温气帽(18)由第二支架(32)支撑,所述的动力传动装置(19)由第三支架(15)支撑。
8.根据权利要求7所述的连续蓄热式热交换器,其特征是:所述的第一支架(14)、所述的第二支架(32)和所述的第三支架(15)为高度可调节支架。
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