TWI431236B - 高溫廢氣之熱回收系統 - Google Patents

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Description

高溫廢氣之熱回收系統
本發明係關於一種高溫廢氣之熱回收系統，特別指爐體所排放之高溫廢氣，經蓄熱裝置回收熱能、排放較低溫度廢氣之後，待蓄熱裝置吸熱飽和導入助燃空氣，經熱回收系統將常溫的空氣升溫後再行導入爐體之燃燒空間使用。
節約能源(簡稱節能)是指藉以減少能源消耗的方式保護資源、減少對環境的污染。節能可以透過提高能源使用效率、減少能源消耗或降低有限能源的消耗量。
當國家倡導節能，可以帶來更多的金融資本、提昇環境質量及增進國家安全、人身安全和人體舒適度；當個人和組織倡導節能，可降低能源成本、促進經濟安全；當工業和商業用戶倡導節能，可以藉由提高能源使用效率，使其商業利潤得以最大化。
節能可減少溫室氣體排放到大氣層，俾以減少碳足跡，當大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，可避免劇烈的氣候改變，俾以減少惡劣氣候令人類造成傷害的機會。
在減少能源消耗、減少碳足跡之節能概念，尚未落實人類生活的年代，各式工業燃燒系統所排放的大量廢氣係直接進入大氣層的 ，該廢氣讓大氣中的溫室氣體含量極度不穩定，其劇烈的氣候改變、惡劣的氣候令人類造成無法彌補的傷害。
為此，參予燃燒系統生產製造之相關業者，乃利用燃燒後排放具有熱能的廢氣，研發一可回收廢氣熱能之燃燒系統〔請參閱第一圖〕，其包含一爐體(A)、一組燃燒單元(B)及一組蓄熱單元(C)。
該爐體(A)具有一作為熱交換面積之燃燒空間(A1)。
燃燒單元(B)係由至少一對的第一燃燒機(B1)及第二燃燒機(B2)組成，二燃燒機(B1)(B2)相對應組設於爐體(A)二側，其以頻繁的一開、一關交互輪替方式，為爐體(A)之燃燒空間(A1)提供燃燒燃料(LPG或LNG)；上述二燃燒機(B1)(B2)的功率是指充分燃燒時，其每小時能燃燒多少質量(公斤)或體積(m3/h，標準狀態下)的燃料，同時也供給相應的熱能輸出(kw/h或kcal/h)。
該蓄熱單元(C)組設於爐體(A)二側，係由第一蓄熱筒(C1)、第一鼓風機(C2)及第二蓄熱筒(C3)、第二鼓風機(C4)組成，其中，第一蓄熱筒(C1)與第一燃燒機(B1)之間設一第一開關閥(C5)，且第一蓄熱筒(C1)並與第一進氣逆止閥(C11)連結，另第二蓄熱筒(C3)與第二燃燒機(B2)之間設一第二開關閥(C6)，且第二蓄熱筒(C3)並與第二進氣逆止閥(C31)連結。
當燃燒單元(B)之第一燃燒機(B1)啟動，為爐體(A)之燃燒空間(A1)提供燃料，該第二燃燒機(B2)因應關閉並且停止供 應燃料，在第一燃燒機(B1)作動之時，蓄熱單元(C)之第二鼓風機(C4)因應啟動，俾將第二蓄熱筒(C3)先前儲存之熱能，經第二燃燒機(B2)提供給爐體(A)參與第一燃燒機(B1)之燃料燃燒，同一時間，蓄熱單元(C)之第一開關閥(C5)啟動，俾使爐體(A)燃燒後所排出之熱能導出並儲存於第一蓄熱筒(C1)內部。
反之，當燃燒單元(B)之第二燃燒機(B2)啟動，為爐體(A)之燃燒空間(A1)提供燃料，該第一燃燒機(B1)因應關閉並且停止供應燃料，在第二燃燒機(B2)作動之時，蓄熱單元(C)之第一鼓風機(C2)因應啟動，俾將第一蓄熱筒(C1)先前儲存之熱能，提供給爐體(A)參與第二燃燒機(B2)之燃料燃燒，同一時間，蓄熱單元(C)之第二開關閥(C6)啟動，俾使爐體(A)燃燒後所排出之熱能導出並儲存於第二蓄熱筒(C3)內部。
上述第一燃燒機(B1)之關閉作動，係由第一蓄熱筒(C1)之熱能儲存量所控制，當第一蓄熱筒(C1)熱能儲存滿載，第一燃燒機(B1)對爐體(A)之燃料提供隨即關閉，反之，第一燃燒機(B1)之關閉作動，係由第二蓄熱筒(C3)之熱能儲存量所控制，當第二蓄熱筒(C3)熱能儲存滿載，第二燃燒機(B2)對爐體(A)之燃料提供隨即關閉。
上述習用燃燒系統仍具有下列缺點亟待改善：
1.上述燃燒系統之爐體(A)所需熱能若為N萬仟卡，一燃燒機所提供的熱能輸出需為2N萬仟卡方可進行燃燒系統之運作，該燃燒 單元(B)至少由一對(成雙的)第一燃燒機(B1)及第二燃燒機(B2)交互的一開、一關組成，有鑑於一燃燒機的購置成本極為昂貴，具有不符合產業利用性之缺點。
2.上述燃燒系統交互燃燒、交互蓄熱之運作模式，使第一燃燒機(B1)及第二燃燒機(B2)頻繁的一開、一關提供燃料(大約2至3分鐘即開、關一次)，其短時間交互輪替及交互瞬間啟動的燃燒機，使燃燒系統之運作具有燃料浪費甚鉅之缺點，尤其是燃燒機開始運作時，火焰溫度由低溫昇至高溫需要一些時間(至少需要5秒鐘)，此段溫昇時間燃燒機所提供的燃料大部份都是浪費的，假設燃燒機每一個啟動循環(3分鐘)都浪費5秒鐘的燃料，其燃燒系統所浪費的成本確實不容小覷。
3.上述燃燒系統頻繁的開、關輪替啟動燃燒機，該劇烈的冷、熱溫度改變，使機器設備承受極度的熱沖擊，此為機器設備容易損壞、使用壽命短暫的主因。
4.上述燃燒系統因為燃燒機頻繁的開、關，使機器設備承受劇烈的冷、熱溫度改變，所以蓄熱單元(C)的第一蓄熱筒(C1)及第二蓄熱筒(C3)，必需設置於較接近爐體(A)的位置，否則二蓄熱筒之蓄熱效果將受到限制，當第一、二蓄熱筒(C1)(C3)太接近爐體(A)，亦將受限於空間與環境無法做到適合蓄熱的體積，當蓄熱筒之蓄熱體積不足，就燃燒效益而言其仍有進步空間。
5.上述燃燒系統導出燃燒廢氣及注入儲存熱能之管路係為同一，其使熱能保溫之困難度增加，當儲存於蓄熱筒之熱能無法保持溫 度，其熱能虛耗之問題即成為燃燒系統必需克服之問題。
6.上述燃燒系統頻繁開、關及交互輪替作動之燃燒機，其提供燃料(LPG或LNG)點燃的相關構件，在頻繁開、關使用後，容易有損壞及延誤作用之問題，其將造成燃料燃燒不完全的安全問題。
爰此，本發明係供以解決上述已知習用技術實際使用所面臨之問題。
本發明提供一種高溫廢氣之熱回收系統，其包含一具有一燃燒空間之爐體、至少一個組設於爐體旁側之燃燒裝置及一組蓄熱裝置；該爐體之燃燒空間連結一排氣管；該燃燒裝置連結一回收熱能鼓風機及一回收熱能控制閥；該蓄熱裝置組設於爐體之排氣管末端，係由一控制閥、一第一蓄熱槽及一第二蓄熱槽組成；該控制閥組設於排氣管末端，其出端分別連結一第一導出管及第二導出管；該第一蓄熱槽與第一導出管連結，且第一蓄熱槽另與第一進氣逆止閥及第一排氣逆止閥連結，並第一排氣逆止閥再與第一排氣鼓風機連結，另外，第一蓄熱槽與上述回收熱能控制閥之間連結一第一回收熱能導管；該第二蓄熱槽與第二導出管連結，且第二蓄熱槽另與第二進氣逆止閥及第二排氣逆止閥連結，並第二排氣逆止閥再與第二排氣鼓風機連結，另外，第二蓄熱槽與上述回收熱能控制閥之間連結一第二回收熱能導管。
上述第一、二進氣逆止閥係供助燃空氣導入第一、二蓄熱槽內部。
上述第一、二排氣逆止閥係供第一、二蓄熱槽較低溫度之廢氣排放。
本發明高溫廢氣之熱回收系統具有下列優點：
1.本發明熱回收系統，其爐體排放高溫的廢氣，經蓄熱裝置回收熱能之後、排放較低溫度廢氣，待蓄熱裝置吸熱飽和之後導入助燃空氣，經熱回收系統將常溫的空氣升溫後再行導入爐體之燃燒空間使用。
2.本發明熱回收系統，其燃燒裝置只需設置至少一個即可(習用燃燒至少需要2個)，藉由燃燒裝置不斷地提供燃料及蓄熱裝置不斷的提供由廢氣回收之熱能，使爐體內部燃燒空間之火燄溫度恆保持高溫以利燃燒，俾以改善機器設備承受極度熱沖擊所產生的問題。
3.本發明熱回收系統之爐體所需熱能若為N萬仟卡，使用可不斷提供熱能輸出2N萬仟卡之單一個燃燒裝置，足可進行燃燒系統之運作，該燃燒裝置使燃燒系統之購置成本降低，充份符合產業利用性。
4.本發明熱回收系統之燃燒裝置，不斷提供爐體之燃燒空間燃料的運作模式，可改善習用燃燒系統之燃燒機頻繁的一開、一關提供燃料，致使燃料浪費甚鉅之缺點，本發明不斷地提供燃料之燃燒裝置，可使燃燒空間內部的火焰溫度保持在高溫，當火焰溫度沒有由低溫昇至高溫之問題，可節省燃料成本之浪費。
5.本發明熱回收系統之燃燒裝置，無頻繁開、關輪替啟動及劇烈的冷、熱溫度改變之問題，該機器設備不需承受極度的熱沖擊，當機器設備不容易損壞，使用壽命必然增長。
6.本發明熱回收系統之燃燒裝置，無頻繁的開、關，使機器設備承受劇烈冷、熱溫度改變的問題，所以蓄熱裝置的第一蓄熱槽及第二蓄熱筒槽，無需設置於較接近爐體的位置，二蓄熱槽可因應實際需求設為較大蓄熱體積，其使燃燒系統之蓄熱功效及燃燒效益增進者。
7.本發明熱回收系統導出燃燒廢氣及注入儲存熱能之管路不同，其使熱能保溫之困難度降低，當儲存於蓄熱筒之熱能可以保持溫度，其熱能虛耗之問題得以克服。
8.本發明熱回收系統改善習用燃燒機頻繁開、關及交互輪替作動之問題，其不斷地提供燃料(LPG或LNG)使點燃燃料之相關構件不需頻繁開、關作動，其無容易損壞及延誤作用之問題，則燃料燃燒不完全的安全問題可獲得改進。
〔習用〕
A‧‧‧爐體
A1‧‧‧燃燒空間
B‧‧‧燃燒單元
B1‧‧‧第一燃燒機
B2‧‧‧第二燃燒機
C‧‧‧蓄熱單元
C1‧‧‧第一蓄熱筒
C11‧‧‧第一進氣逆止閥
C2‧‧‧第一鼓風機
C3‧‧‧第二蓄熱筒
C31‧‧‧第二進氣逆止閥
C4‧‧‧第二鼓風機
C5‧‧‧第一開關閥
C6‧‧‧第二開關閥
〔本發明〕
1‧‧‧爐體
11‧‧‧燃燒空間
111‧‧‧排氣管
2‧‧‧燃燒裝置
21‧‧‧回收熱能鼓風機
22‧‧‧回收熱能控制閥
3‧‧‧蓄熱裝置
31‧‧‧控制閥
311‧‧‧第一導管
312‧‧‧第二導管
32‧‧‧第一蓄熱槽
321‧‧‧第一進氣逆止閥
322‧‧‧第一排氣逆止閥
323‧‧‧第一排氣鼓風機
33‧‧‧第二蓄熱槽
331‧‧‧第二進氣逆止閥
332‧‧‧第二排氣逆止閥
333‧‧‧第二排氣鼓風機
34‧‧‧第一回收熱能導管
35‧‧‧第二回收熱能導管
第一圖係習用燃燒系統之方塊圖。
第二圖係本發明高溫廢氣之熱回收系統方塊圖。
請參閱第二圖，本發明高溫廢氣之熱回收系統，其包含一具有燃燒空間(11)之爐體(1)、至少一個之燃燒裝置(2)及一組蓄熱裝置(3)。
該爐體(1)具有一燃燒空間(11)，其燃燒空間(11)連結一 排氣管(111)。
該燃燒裝置(2)組設於爐體(1)旁側，其以持續不斷之方式，為爐體(1)之燃燒空間(11)提供燃燒燃料(LPG或LNG)，且燃燒裝置(2)連結一回收熱能鼓風機(21)，並回收熱能鼓風機(21)連結一回收熱能控制閥(22)；上述燃燒裝置(2)的功率是指充分燃燒時，其每小時能燃燒多少質量(公斤)或體積(m3/h，標準狀態下)的燃料，同時也供給相應的熱能輸出(kw/h或kcal/h)。
該蓄熱裝置(3)組設於爐體(1)之排氣管(111)末端，係由控制閥(31)、第一蓄熱槽(32)及第二蓄熱槽(33)組成；該控制閥(31)組設於排氣管(111)末端，其具有二出端分別與一第一導出管(311)及第二導出管(312)連結；該第一蓄熱槽(32)與第一導出管(311)之出端連結，且第一蓄熱槽(32)另與第一進氣逆止閥(321)及第一排氣逆止閥(322)連結，並第一排氣逆止閥(322)之出端再與第一排氣鼓風機(323)連結，另外，第一蓄熱槽(32)與上述回收熱能控制閥(22)之間連結一第一回收熱能導管(34)；該第二蓄熱槽(33)與第二導出管(312)連結，且第二蓄熱槽(33)另與第二進氣逆止閥(331)及第二排氣逆止閥(332)連結，並第二排氣逆止閥(332)之出端再與第二排氣鼓風機(333)連結，另外，第二蓄熱槽(33)與上述回收熱能控制閥(22)之間連結一第二回收熱能導管(35)。
本發明高溫廢氣之熱回收系統，其爐體(1)排放之高溫廢氣，經回收熱能鼓風機(21)將高溫廢氣之熱能回收，並排放較低溫 度廢氣；當蓄熱裝置(3)之第一、二蓄熱槽(32)(33)吸熱飽和之後，經由第一、二進氣逆止閥(321)(331)導入一般正常使用的助燃空氣，則蓄熱裝置(3)之第一蓄熱槽(32)及第二蓄熱槽(33)，可將常溫的空氣升溫後再行導入爐體(1)的燃燒空間(11)使用。
使用實施本發明高溫廢氣之熱回收系統，當燃燒裝置(2)啟動，為爐體(1)之燃燒空間(11)不斷地提供燃燒燃料(LPG或LNG)，其燃燒後之廢氣自燃燒空間(11)的排氣管(111)排出，該具有高溫之廢氣經控制閥(31)進入第一蓄熱槽(32)回收熱能，此時，第一蓄熱槽(32)經由第一排氣逆止閥(322)及第一排氣鼓風機(323)將較低溫度的廢氣向外排放。當第一蓄熱槽(32)排放較低溫度的廢氣及所儲存之熱能滿載，第一蓄熱槽(32)可藉由第一進氣逆止閥(321)導入一般正常使用的助燃空氣，並經由第一回收熱能導管(34)將已回收之熱能，經由回收熱能控制閥(22)及回收熱能鼓風機(21)進入燃燒裝置(2)內部，俾以提供燃燒空間(11)之助燃空氣。
反之，當具有高溫之廢氣經控制閥(31)進入第二蓄熱槽(33)回收熱能，此時，第二蓄熱槽(33)經由第二排氣逆止閥(332)及第二排氣鼓風機(333)將較低溫度的廢氣向外排放。當第二蓄熱槽(33)排放較低溫度廢氣及所儲存之熱能滿載，第二蓄熱槽(33)可藉由第二進氣逆止閥(331)導入一般正常使用的助燃空氣，並經由第二回收熱能導管(35)將已回收之熱能，經由回收熱能控制閥(22)及回收熱能鼓風機(21)進入燃燒裝置(2)內部，俾以提供燃燒空間(11)之助燃空氣。
當本發明高溫廢氣之熱回收系統實際使用於鋁合金熔解爐：該熔解爐之正常工作溫度(火焰溫度)為1250℃，其廢氣排放溫度為900℃，該排放溫度為900℃經第一、二蓄熱槽(32)(33)熱回收後，第一、二排氣鼓風機(323)(333)的廢氣排放溫度為250℃，該第一、二蓄熱槽(32)(33)回收溫度則為900℃-250℃=650℃。
其中，室溫空氣經由第一、二進氣逆止閥(321)(331)及第一、二蓄熱槽(32)(33)依續進入燃燒裝置(2)及爐體(1)之燃燒空間(11)，其蓄熱裝置(3)所吸收的熱量係為(900℃+250℃)/2=575℃，該575℃即為第一、二蓄熱槽(32)(33)所供應的溫度。其中，30℃(室溫)+575℃=605℃，該605℃即為實際進入爐體(1)燃燒空間(11)助燃的空氣溫度。
當習用熔解爐未安裝本發明高溫廢氣之熱回收系統，其所需升溫度數1250℃(工作溫度)-30℃(進氣溫度/室溫)=1220℃。
當熔解爐已安裝本發明高溫廢氣之熱回收系統，其所需升溫度數1250℃(工作溫度)-605℃(進氣溫度/經熱回收)=645℃。
則使用本發明高溫廢氣之熱回收系統之熱回收實際效應係為：645℃ x(100%-35%)=419.25℃(預估熱回收損耗為35%)，100%-〔(1220℃-419.25℃)/1220℃〕=34.36%。
唯，以上所述者，僅為本發明高溫廢氣之熱回收系統較佳實施例而已，並非用以侷限本發明之特徵，舉凡利用本發明相關之技術手段、創設原理之再創作，仍屬本發明的創作範疇。因此，本發明之圖式及說明書所作陳述並非用以限定本發明實施之範圍；任 何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內，方為合理。
綜上所述，本發明「高溫廢氣之熱回收系統」，具有新穎性、進步性及產業利用性等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向 鈞局提起專利之申請。
<AlEx><AlEx>
1‧‧‧爐體
11‧‧‧燃燒空間
111‧‧‧排氣管
2‧‧‧燃燒裝置
21‧‧‧回收熱能鼓風機
22‧‧‧回收熱能控制閥
3‧‧‧蓄熱裝置
31‧‧‧控制閥
311‧‧‧第一導出管
312‧‧‧第二導出管
32‧‧‧第一蓄熱槽
321‧‧‧第一進氣逆止閥
322‧‧‧第一排氣逆止閥
323‧‧‧第一排氣鼓風機
33‧‧‧第二蓄熱槽
331‧‧‧第二進氣逆止閥
332‧‧‧第二排氣逆止閥
333‧‧‧第二排氣鼓風機
34‧‧‧第一回收熱能導管
35‧‧‧第二回收熱能導管

Claims (3)

  1. 一種高溫廢氣之熱回收系統，其包含一具有一燃燒空間之爐體、至少一個組設於爐體旁側之燃燒裝置及一組蓄熱裝置；其特徵在於：該爐體之燃燒空間連結一排氣管；該燃燒裝置連結一回收熱能鼓風機及一回收熱能控制閥；該蓄熱裝置組設於爐體之排氣管末端，係由一控制閥、一第一蓄熱槽及一第二蓄熱槽組成；該控制閥組設於排氣管末端，其出端分別連結一第一導出管及第二導出管；該第一蓄熱槽與第一導出管連結，且第一蓄熱槽另與第一進氣逆止閥及第一排氣逆止閥連結，並第一排氣逆止閥再與第一排氣鼓風機連結，另外，第一蓄熱槽與上述回收熱能控制閥之間連結一第一回收熱能導管；該第二蓄熱槽與第二導出管連結，且第二蓄熱槽另與第二進氣逆止閥及第二排氣逆止閥連結，並第二排氣逆止閥再與第二排氣鼓風機連結，另外，第二蓄熱槽與上述回收熱能控制閥之間連結一第二回收熱能導管。
  2. 如申請專利範圍第1項所述高溫廢氣之熱回收系統，其中，該第一、二進氣逆止閥係供助燃空氣導入第一、二蓄熱槽內部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述高溫廢氣之熱回收系統，其中，該第一、二排氣逆止閥係供第一、二蓄熱槽較低溫度之廢氣排放。
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