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我国蓄热式燃烧技术目前存在的几点不足(2)

发表时间:2021-06-02
蓄热式燃烧技术在中国发展了近二十年了,通过科研工作者的努力,取得了相当的技术成果和经济效益。但也反映出了一些不足。客观地讲,我国对蓄热式燃烧技术的认识还不如国外发达国家深刻,目前考虑的还仅仅是节能,并不是真正意义上的“第二代蓄热式燃烧技术”。至今我们在蓄热式焚烧炉RTO)和蓄热式催化焚烧炉(RCO)已有了自己的一些专利,并且在国内有了相对广泛的应用,取得了相当的经济效益。下面对现存几个问题做一个简单分析。

1蜂窝体的使用寿命不高
   目前国内蜂窝体的使用寿命均不是很高。加热炉上的蜂窝体使用寿命一般为3~6个月,甚至出现过使用一个星期就大量碎裂的情况。用于钢包烘烤器上的蓄热体因烟气温度低使用寿命有所增加。蓄热体在使用过程中经常出现的问题主要有熔化、软化、破裂、堵塞和腐蚀等,其中蓄热体材料的抗热震稳定性差是工程设计中最常出现的问题。造成以上问题的原因主要有以下三点:
    (1)材料问题蜂窝体长期工作在急冷急热、还可能带有腐蚀性气体的恶劣环境中,经常承受着高温作用和因内外温差变化而引起的应力作用。这种工作环境对蓄热体的材料提出了苛刻的要求。
为了增加蓄热量,减小蓄热室的体积,需要增加蓄热体的密度。但抗热震稳定性与密度在一定程度上是互相排斥的,即密度越高,抗热震稳定性一般都比较差。
在使用过程中,蓄热体与气流进行热交换,一些带有腐蚀性的气体和颗粒会对蜂窝体产生不利影响。比如氧化铁颗粒会降低铝硅材质的软熔温度,使蜂窝体熔化而堵死气孔;酸性气体会对蜂窝体产生腐蚀作用;微小颗粒会附着在蜂窝体表面而堵塞气体通道等。
(2)偏流问题蓄热室内热交换过程大致如下:在排烟阶段,烟气流经蜂窝体时将显热储存在蜂窝体中,加热蜂窝体;在燃烧阶段,空气(或煤气)流经蜂窝体时被加热,余热被重新带回炉内。在以上的任何一个阶段,如果气体在蓄热室内出现偏流,经过若干次换向后容易导致蜂窝体局部高温而产生热应力。当产生的温度应力超出其承受极限时,蜂窝体就会破裂。
   (3)“二次燃烧”问题蓄热式燃烧系统的空气喷口和煤气喷口一般都是相互独立的,这样有利于形成炉内低氧气氛,拓展火焰边界,形成均匀的温度场,提高加热质量和减少氮氧化物的排放。但是对空气和煤气两股射流的速度、交角和距离的最佳值很难把握,一旦处理不当则容易造成炉内局部煤气燃烧不充分而其它地方氧气还有剩余。这些烟气在被吸入蓄热室时,空气和煤气会重新接触产生“二次燃烧”,放出的热量可以完全被蜂窝体吸收,尽管没有造成能量损失,但局部高温很容易使蜂窝体熔化而失效。

研制出一种高品质的蓄热材料来适应蓄热体恶劣的工作环境是提高其使用寿命最有效的办法。


  2 关于副烟道的讨论
  国内对此问题存在着两种观点,一种认为没有必要加副烟道;另一种认为必须加副烟道。投入使用的蓄热式加热炉有的使用了副烟道,有的没有使用。
  (1)从能量的角度来看,只有高炉煤气双预热时水当量比略大于10,而其它如焦炉煤气、天然气单预热时水当量比均大于1 0。这就意味着通过预热煤气和空气的办法仍然无法将烟气中的显热全部吸收,一定要有少部分的烟气直接排出炉外。在不能提高蓄热室排烟温度的情况下换向阀和引风机只能够承受有限的温度),只能通过副烟道来实现这一目的。
(2)从工程实践的角度看,没有加副烟道的加热炉几乎无一例外的存在炉压大、冒火严重等缺点。这样很容易烧坏现场的工作设备,恶化车间的操作环境;如果使用高炉煤气等CO含量高的煤气,还容易因燃烧不完全而对现场操作人员的身体健康造成危害。
(3)从风机工作能力的角度看,通常使用的引风机似乎也没有这个能力将炉内的烟气全部引出。预热后的空气和煤气至少以40~50m/s的速度喷入炉内,经燃烧反应后体积膨胀,引风机是否能够以40~50m/s甚至更高的速度将烟气从炉内引出值得怀疑。况且一味加大强制排烟,是否会因引风速度过快而影响炉内的燃烧效果,还有待进一步证实。

最好的办法就是在蓄热式加热装置上安装可调烟道闸板和金属换热器(加热炉可以适当增设预热段)。当然采取这种措施的利弊还要视具体情形来定。


3 节能效果的分析
查阅许多文献资料,经常能看到这样一句话:“蓄热式燃烧技术可实现烟气的极限回收。”根据目前蓄热式燃烧的应用效果来看,空气和煤气的预热温度似乎与理论计算还有差距。要想实现所谓的“极限回收”,以下三个条件必须认真考虑:
(1)确保烟气最大程度地通过蜂窝体排出
蓄热式燃烧要想最大程度的回收烟气中的显热,就必须最大程度的使烟气流经蓄热室。蓄热式烧嘴在燃烧状态时,为了合理组织炉内气体流动,必须使煤气和空气高速喷入炉内,这就需要适当的缩小喷口面积;而下个状态——蓄热状态时,本来烟气排出的速度就小于空气和煤气的流入速度,加上烟气的流动阻力加大和流通面积变小,相比之下,排烟量在一定程度上远小于煤气或空气的流入量,从而影响节能效果。所以笔者认为,蓄热式燃烧技术需要认真研究的课题之一就是:如何在不影响燃烧效果的前提下,增加流经蓄热室的烟气量。如果这个问题没有得到很好的解决,很可能会成为制约蓄热式燃烧技术节能效果的瓶颈。
 (2)蜂窝体的体积必须合理
   蓄热室中蜂窝体的体积大小必须合适,蜂窝体的多少与排烟量、蜂窝体的比表面积、烟气温度、蜂窝体的传热系数、比热、煤气种类和烧嘴能力等诸多因素有关。如果蜂窝体放少了,在一个换向周期内,蜂窝体没有能力将烟气当中的显热全部回收,节能效果将下降。但也并非多多益善,如果蜂窝体放得太多,会使排烟温度过低,腐蚀性气体如硫化物以及水蒸汽在其内大量凝结(因为很多煤气的燃烧产物中都含有SOx和H2O),硫化物容易腐蚀蜂窝体,水的出现无疑将加剧蜂窝体的损坏,两者都将降低蜂窝体的工作性能和使用寿命,影响节能效果。
在设计蓄热室时,不能单纯为了减小其体积而一味地提高蜂窝体的比表面积,要考虑蜂窝体的堵塞问题;同时还应考虑蜂窝体的质量是否能将一个换向周期内的烟气显热全部吸收。
(3)提高蓄热室内气流的均匀度
蓄热室气流分布状况将影响蓄热室的热交换能力、空气煤气的预热温度、蜂窝体的使用寿命等,所以提高蓄热室内烟气、空气和煤气分布的均匀性是一个迫切需要解决的问题。因为气流在蓄热室中均匀流动时,会提高蜂窝体的利用率,从而提高蓄热室的温度效率和热效率,同时还可以减小蜂窝体因各处温度不均产生危险的温度应力。为了提高蓄热室内气流的均匀度,一般采取的措施有增加烧嘴内扩散段的长度、安装导流板、防止蜂窝体之间互相遮蔽、尽量避免气体流道出现剧烈的转弯等。
其它诸如引风机的工作能力、切换阀的密封性能等也是保证节能效果的关键因素。
 蓄热式燃烧系统是一个有机的结合体,作为该系统关键设备的蜂窝体、换向阀和烧嘴,必须有着很高的工作性能和使用寿命。在我国的能源严重紧缺,环境污染日益严重的情况下,迫切需要新型、高效、环保的燃烧技术,蓄热式燃烧技术顺应了当前的形势,具有广阔的发展前景。但目前我国对蓄热式燃烧技术的研究还存在一些不足,在推广和应用的同时,应加大研究力度,掌握此项技术的精髓。



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