梭式窑烟气废热利用系统的设计

曾令可，刘艳春，朱文成，刘平安，程小苏，龚　辉

（华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640）

梭式窑烟气废热利用系统的设计

曾令可，刘艳春，朱文成，刘平安，程小苏，龚辉

（华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640）

高温空气燃烧技术是近10多年来高速发展的一种新型燃烧技术，具有高效、节能和低污染等特性，目前正得到越来越广泛的应用。本文在分析高温空气燃烧技术的基本原理基础上结合陶瓷梭式窑的特点，设计了梭式窑高温空气燃烧（HTAC）系统，构建实体模型进行实验，研究余热回收系统的温度效率及烟气在蜂窝陶瓷内压力损失。研究结果表明，加热期与冷却期的温度效率分别为：92.0%，93.2%，测量热烟气和预热空气的压力损失分别为126.3Pa，107.8Pa，节能率可达26%以上。

余热回收；高温空气燃烧技术；蜂窝陶瓷蓄热体；梭式窑；节能环保

0　引　言

梭式窑是一种以窑车做窑底的倒焰（或半倒焰）间歇式生产的热工设备。除具有一般倒焰窑操作灵活性大，能满足多品种生产等优点外，其装窑、出窑和制品的部分冷却可以在窑外进行。既改善了劳动条件，又可以缩短窑的周转时间，灵活性强。但由于间歇烧成，窑的蓄热损失和散热损失大，受热延程短，热交换不充分，故烟气温度高，热耗量较高，烟气余热的利用问题尚没有引起足够的重视［1］。

高温空气燃烧技术（HTAC）又称无焰燃烧技术，是二十世纪90年代初在日本国际贸易和工业厅的资助下，由日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）及日本一些企业和研究院共同开发的一项新的燃烧技术。它的特征是烟气热量被最大限度地回收，助燃空气被预热可高达1000 ℃以上，经过充分的热交换，促使排烟温度降低，接近300 ℃或更低，热回收率最高可达70%。大大地提高燃料的利用率，炉膛平均温度高，温度均匀性好，NOX、CO等污染物排放量少，可燃烧低热值燃料及设备投资费用低等等众多优点。该项技术在国际上引起了广泛的关注，流行于美、日、欧等各国。一些工业发达国家已在钢铁、冶金［2］、机械和建材等部门的各种工业炉窑中采用了高温空气燃烧技术。我国在工业上应用高温空气燃烧技术方面的工作也已开始，并取得了良好的效果。但其在陶瓷行业的应用一直鲜有报道［4］，陶瓷行业是高耗能行业，能耗占总成本的25%-40%，窑炉的余热利用只有30%-50%［5］。如果能将此种技术应用到所有的梭式窑上其意义无疑是巨大的。随着高温空气燃烧技术的不断完善，该项技术将会有更加广阔的发展前景。

1　高温空气燃烧技术的原理及特点

高温空气燃烧技术的关键是采用高效蓄热式燃烧系统，该燃烧系统主要由燃烧室、成对布置的燃烧器和蓄热器、换向阀等主要部件组成，其系统示意图如图1所示。高温空气燃烧技术主要利用燃料燃烧后产生烟气的显热来加热燃烧所需的空气，使预热空气温度高达800 ℃以上。

图1　高温空气燃烧系统示意图Fig.1 Schematic diagram of HTAC system

当烧嘴A工作时，A侧燃料阀打开，B侧关闭。经蓄热器A预热后的空气连同燃料由烧嘴A喷入燃烧室，加热后的高温烟气经烧嘴B进入蓄热器B，将其显热传递给蓄热体后，经换向阀排出。经过一定时间（20 s-200 s）后，换向阀动作，此时B侧燃料阀打开，A侧关闭。空气经换向阀进入蓄热器B吸收蓄热体的热量，然后连同燃料通过烧嘴B进入燃烧室燃烧，产生的高温烟气经由烧嘴A进入蓄热器A，在那里释放热量后经换向阀排出，完成一个换向周期。这样蓄热体周期性地储存烟气放出的热量，并用储存的热量加热助燃用空气，实现了“极限余热回收”。

用高温空气燃烧技术来代替传统换热器热回收系统，主要优点：

⑴ 降低生产成本

采用蓄热式燃烧技术，扩展了火焰的燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，炉膛温度均匀，延长炉衬寿命。而且由于炉内气流来回切换，加强了炉内传热，炉膛平均温度提高，加热速度快。另外由于加热炉几乎没有预热段，炉子造价减少，炉子长度缩短，运行成本降低。

⑵ 节约能源，降低燃耗

采用该燃烧技术可以将烟气余热利用到几乎接近极限的程度，排烟温度最低可降到150 ℃左右，余热回收率可达70%，炉子平均节能30%左右，节能降耗非常明显。

⑶ 温度均匀可加快烧成速度

由于空气预热温度很高，几乎接近烟气温度，空气与燃料在炉膛内边混合边燃烧，燃烧速度加快，燃烧完全，通过优化设计在炉膛内实现贫氧燃烧；而且炉子没有预热段，炉膛温度均匀，加热速度快，有利于快速烧成。

⑷ 减小对环境的污染

不论对何种燃料，污染物的排放量都大大减少，排烟温度都非常低，有效地抑制了温室效应。

⑸ 投资较小

与原工业炉的总体设计比，除燃烧系统外，其余系统改造量不大，投资也基本不增加。

2　蓄热室的设计

2.1结构及尺寸设计

HTAC系统的关键是蓄热室的尺寸大小，即换热器的容量，要实现极限余热回收的关键是要有足够的换热面积及充裕的换热时间，换热时间的长短又受制换热面积的大小和换热温度梯度的大小，故设计中首先要计算换热面积。下面以实验用小梭式窑计算为例。

设计采用的蜂窝陶瓷材质为堇青石材料，其规格为100 mm×100 mm×100 mm，26孔×26孔，孔尺寸为3 mm×3 mm，壁厚为0.8 mm。烟气流量最大为690 m3/h（风机的最大功率370 w），蓄热室横截面积：

式中，S为蓄热室横截面积，m2；Gf为进口烟气的流量，m3/s；Vf为进口烟气的流速，m/s。

单块蜂窝体的流通截面积为：

式中， Sh为单块蜂窝体的流通截面积，m2；n为单块蜂窝体的孔个数；d为孔的边长，m；

蓄热室横截面所用蜂窝陶瓷块数为：

则有：2.6257＜N＜3.9386

本研究设计取4块，排列成正方形截面；按优化方案蜂窝陶瓷长度为800 mm，采用8块蜂窝陶瓷堆砌；每块蜂窝陶瓷之间留30 mm距离，防止因为多块蜂窝陶瓷堆砌时孔洞偏移导致块与块之间孔通道堵塞；并在每两块蜂窝陶瓷之间插入K分度号的热电偶，用以测量通过每块蜂窝陶瓷后的烟气温度变化；蜂窝陶瓷与不锈钢蓄热室壁之间填充5 mm厚的陶瓷纤维作为不锈钢外壁的保温层，以减少外壁的散热，整个设计如图2所示。

2.2蓄热体装配结构

蜂窝陶瓷采用长、宽、高均为100 mm的立方体蜂窝陶瓷。其材质为堇青石，横截面上有26×26个、尺寸为3 mm×3 mm的方孔，孔壁厚为0.8 mm。蜂窝陶瓷及其在蓄热室中的装配方式如图3所示。

图2　蓄热室的三视图及局部剖面图Fig.2 Three-view and partial sectioned view drawing of regenerator

图3　堇青石蜂窝陶瓷及其在蓄热室中的装配方式Fig. 3 Cordierite honeycomb ceramic bricks and their flling style in regenerator

2.3四通换向阀的设计

综上所述，惠州遗存的传统道教祭祀场所选址，经宋、清两次道教的俗化演变，形成以罗浮山道教神祗信仰为基础，结合惠州民间信仰的独特地方道教风俗祭祀场所。二者基于地域文化的交融同化，及晚清罗浮山道教对民间信仰的管理兼并，导致现存的清代、民末的惠州州府级别的民间信仰祭祀场所选址受罗浮山道教潜移默化的影响。

由于蓄热室工作过程中必须在一定的时间间隔内实现常温空气与高温烟气的频繁切换，因此四通换向阀是其关键部件之一。

梭式窑产生的高温烟气在进入蓄热室之前温度较高，加之换向次数频繁，切换周期短，烟气中含有的微小粉尘会对频繁动作的部件构成磨损，对四通换向阀的材料有较高的要求，四通换向阀宜采用旋转式设计。

根据前面的设计计算，四通阀的四个进出口的圆外径为D=89 mm，两个四通阀均采用金属密封技术。烟气换热前进入的四通阀需耐高温，选用不锈钢材料为316L，18Cr-12Ni-2.5Mo。

实现四通阀的切换控制方式有几种，可以采用气动控制、电动控制、机械控制等。本项目采用电动控制。

2.4梭式窑的高温空气燃烧系统设计

本文设计的梭式窑高温空气燃烧系统如图4所示，蜂窝陶瓷与烧嘴是分离的，设计成了A，B两个蓄热室；梭式窑的两只烧嘴始终是作为燃烧器，而不是像目前大部分工业窑炉中分布在窑炉两侧交替作为燃烧器和烟道进行燃烧和排烟。

图4　梭式窑的高温空气燃烧系统原理图Fig.4 Schematic diagram of shuttle kiln HTAC system

系统工作时，由鼓风机9送入的助燃空气经四通换向阀进入蓄热室A，蓄热室A内蜂窝陶瓷把所蓄的热量传递给助燃空气，其自身温度降低，助燃空气被加热升温，然后由热风管道11进入梭式窑内与燃料混合燃烧。此时高温烟气由烟道经四通阀4流入蓄热室B将其热量传递给蓄热室B内的蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷获得热量温度升高，而热烟气把热量传递给蜂窝陶瓷后温度逐渐降低，达到动态热平衡后经排烟机8排入大气；经过一个换向时间后，四通阀换向使助燃空气由原来流经蓄热室A变为流经蓄热室B，被加热后由热风管道11进入梭式窑内与燃料混合燃烧，产生的高温烟气进入蓄热室A，蓄热室A内的蜂窝陶瓷获得热量温度升高，烟气温度经换热降低后经排烟机8排入大气。经过相同的换向时间后四通阀换向，助燃空气再次流向蓄热室A，回到开始描述的状态，完成一个换热周期。

按照设计构建的实验用梭式窑高温空气燃烧系统如图5（a）所示。

⑴ 温度记录系统、烟气成分分析系统及压力损失测试

图5　梭式窑高温空气燃烧系统实物图Fig.5 Practicality of shuttle kiln HTAC system

各热电偶的排布与编号见图5（a）所示，0号测温点的热电偶是分度号为S的铂铑-铂热电偶，插入窑内用于测量梭式窑内温度；1，2号测温点的热电偶是分度号为K的镍铬-镍硅热电偶，用于测量蜂窝陶瓷热端与冷端的气体温度；采用ADAM-4520、ADAM-4018A/D温度采集模块，由组态王软件测温程序采集、记录各热电偶测温点温度。使用德国产Testo300M-1烟气成分分析仪对烟气进行成分分析。压力损失用U型管测量。

⑵ 鼓风与排烟系统

鼓风机为佛山市南海九州风机厂生产的CER-370离心式中压风机，其参数为：功率370 w，风量690 m3/h，风压1800 Pa；排烟机是上海金锣电器有限公司生产的CER76-370低噪声强力中压风机。其参数为：功率370 w，风量780 m3/h，风压1500 Pa。风量由风阀控制，实验鼓风量为517.6 m3/h，排烟量略微大于鼓风量使窑内略微呈负压。

3　系统性能评定指标

系统的性能指标，一般包括加热期温度效率、冷却期温度效率和压力损失。

加热期温度效率：

4　实验和效果

4.1数值模拟

启动过程中，蜂窝陶瓷冷端与热端气体的瞬时温度如图6所示。蜂窝陶瓷烟气入口端为热端，助燃空气入口端为冷端。在图6中冷端出口气体为烟气，其温度在开始的几次切换过程中接近于303 K，随后急剧上升，然后增幅逐渐放缓，最后趋于水平。而热端出口气体为热空气，其出口温度也是随切换次数的增加逐渐升高，然后增幅趋于平缓直至稳定。这是因为在启动过程中，每个加热期蜂窝体吸收的热量大于冷却期被空气带走的热量，使得每个换向周期完成后，都有剩余的热量积累在蜂窝陶瓷内，导致蜂窝陶瓷的温度不断升高。使得它与烟气的温差逐渐减小，换热能力不断减弱，在加热期所能吸收的热量也就越来越少。因此，烟气出口温度逐渐上升。而蜂窝陶瓷的温度不断升高，使其与空气的温差变大，换热能力增强，在冷却期所能释放的热量也就越来越多，故预热后的空气出口温度不断升高。

进入稳定工作期后，加热期温度效率为：94.6%，冷却期温度效率为：93.7%，压力损失为：457.7 Pa。

4.2小型梭式窑实验

实验时环境空气温度为10 ℃左右，启动鼓风机与排烟机，烟气经过左侧的蓄热室排出，空气经过右侧的蓄热室进入梭式窑内。点火开机，通过调节燃气量将窑内温度控制在800 ℃-900 ℃之间。当左侧蓄热室内的蜂窝陶瓷蓄热能力达到饱和后，开始以30s为一个周期进行换向操作，从启动到蓄热室稳定工作各测温点的温度曲线如图7所示。

右侧蓄热室作为空气通道，空气从其中通过进入梭式窑内，换向后它变为烟气通道开始蓄热。测温点1测量蜂窝陶瓷热端气体温度，测温点2测量蜂窝陶瓷冷端气体温度，换向的瞬间测温点1与点2测量的均为空气温度，分别为16.8 ℃和18.0 ℃。其后烟气进入测温点1所测温度开始急剧上升，而测温点2所测为烟气出口温度，由于烟气热量被蜂窝陶瓷所吸收，烟气出口温度几乎接近室温；30s后换向，空气由冷端进入，被蜂窝陶瓷预热经热端排出通入窑内，由于蜂窝陶瓷所储存热量较少，空气被预热后温度不高，而且温差较大。如此循环换向，蓄热室工作逐渐进入稳定状态。整个启动过程与模拟结果十分的相近（见图5）。待到蓄热室稳定工作后，按照式1、2所计算得，加热期与冷却期的温度效率分别为：92.0%，93.2%，测量压力损失分别为126.3Pa，107.8Pa。

图6　启动过程冷端和热端气体瞬时温度Fig.6 Instant temperatures of gas at cool end and hot end in start-up process

图7　测温点0、1、2所测的温度曲线Fig.7 Temperature curves obtained at testing points 0， 1 and 2

对比最优方案模拟结果（入口烟气温度1000 ℃），加热期温度效率为94.6%，冷却期温度效率为93.7%，压力损失为457.7Pa，是比较相近的。同时也验证了用数值模拟正交实验中烟气入口温度对加热期温度效率较为显著，对冷却期温度效率不十分显著的分析。对于压力损失的差距是由蜂窝陶瓷填装时每100 mm留开了30 mm的距离、实验烟气温度比模拟烟气温度低以及测量仪器的精度等原因造成的。

表1　排烟机出口烟气成分测试结果Tab.1 Composition of fue gas at outlet of induced draft fan

采用Testo300M-1烟气成分分析仪对排烟机出口烟气进行成分分析，结果见于表1。其中，NOX含量为0。因为NOX的生成与温度有关，在1300 ℃以下很难生成NOX。

5　结　论

⑴本设计中使用的蜂窝陶瓷孔边长为3 mm，蜂窝陶瓷高度为800 mm，入口烟气流速为8 m/s，入口烟气温度为1273 K，换向时间为30 s，蜂窝陶瓷孔壁厚为0.8 mm。对其进行数值模拟，进入稳定工作期后，加热期温度效率为：94.6%；冷却期温度效率为：93.7%；压力损失为：457.7 Pa。

⑵构建小型梭式窑高温空气燃烧系统进行实验，加热期与冷却期的温度效率分别为：92.0%，93.2%；测量压力损失分别为126.3 Pa，107.8 Pa。和计算机模拟结果的误差分别为：2.7%，0.5%，72.4%。

⑶通过多次实验证明，该换热器系统可节能达26%以上。

［1］ 赵越清.陶瓷燃气梭式窑的余热分析与利用［J］， 陶瓷， 2000（6）：33-34.

［2］ 欧俭平. 高温空气燃烧技术在冶金热工设备上的应用及数值仿真和优化研究［博士论文］［R］. 长沙： 中南大学，2004.

［3］ 张继光， 武立云. 高温空气燃烧技术应用于陶瓷窖炉的实验研究［D］.第七届全国工业炉学术年会论文集， 2006（8）： 308-314.

［4］ 尾花英郎. 徐中权译.热交换器设计手册［上册］［M］. 北京： 烃加工出版社， 1987.

［5］ 朱聘冠， 换热器原理及计算［M］. 北京：清华大学出版社， 1987.

Design of Exhaust Heat Utilization System for Shuttle Kiln

ZENG Lingke，LIU Yanchun， ZHU Wencheng， LIU Pingan， CHENG Xiaosu， GONG Hui
（Department of Materials Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， Guangdong， China）

As a new combustion technique with rapid development in last decade， high temperature air combustion has been widely applied because of its high energy effciency and low pollution. Based on the analysis of the basic principles of high temperature air combustion technology and the characteristics of the ceramic shuttle kiln， high temperature air combustion （HTAC） system is designed and its real model is constructed for studying the effciency of temperature in waste-heat recovery systems as well as the pressure loss of fue gas within the ceramic honeycomb. The study indicates that the temperature effciencies of the heating period and cooling period are： 92.0% and 93.2%. The pressure losses of hot fue gas and preheated air are 126.3Pa and 107.8Pa. The energy-effciency can rate up to 26%.

waste heat recovery； high temperature air combustion technique； honeycomb ceramic regenerator； shuttle kiln； energy saving and environmental protecting

date：2016-06-15.Revised date： 2016-06-18.

TQ174.6+5

A

1006-2874（2016）04-0033-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.007

2016-06-15。

2016-06-18。

广东省教育部产学研项目（2012B091100379）。

通信联系人：曾令可，男，教授。

Correspondent author：ZENG Lingke，male， Professor.

E-mail：lingke@scut.edu.cn