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利用陶瓷窑炉余热回收法将烟气和窑冷的热量用于工厂供热
作者：Ahmet Fevzi Savas, Erhan Madan
摘要：本文主要对陶瓷工业隧道窑烟气和废热空气的余热回收应用进行了研究。为了回收窑炉废热，设计了一个换热器并将其分别安装在7个隧道窑中。利用从换热器中获得的热水能给1100m3的封闭工厂区域供暖。研究结果表明，该方法能实现3509 kWh的能量回收，相当于每年可节省2513000m3的天然气。若将该应用运用在当前系统上，其投资回报周期约为8.3个月，这足以显示出该应用的实用性，尤其是在陶瓷(玻璃化)领域的热水供应方面。
关键词: 陶瓷厂、换热器、余热回收
- 引言
现今人类对能源的需求量与日俱增。目前世界上大部分的能源需求都由矿物燃料来满足的。随着化石能源的储量日益减少，由能源消耗引起的环境污染问题、经济问题愈发严重，能源需求方面的压力不断增加。为了给后代留下一个宜居的蓝色星球，我们应该控制能源大量消耗，减少能源开发成本。因此，人类在寻找替代能源的同时，要尽可能充分地利用现有的能源。能源资源的逐渐减少，使节能成为工业生产中的一个重要课题[1]。因此，能源消耗已成为每个工业产品的一个重要的成本参数。使用大量能源的行业如钢铁，水泥，玻璃，陶瓷和纸等行业的生产过程中有大量废热资源是，这能源损耗的重要代表。因此，在这些行业中余热回收备受关注[2]。美国工业生产消耗的化石燃料大约有三分之一是以温室气体的方式损耗的，而这反过来又会导致20%到50%的化石燃料作为废热流失[3]。因而余热回收法成为了减少温室气体排放和降低能源成本的一个重要方法。
余热回收系统是能再利用从工业过程排出的热能的系统，该系统主要运用在使用高热能的工业企业和各种发动机中[4,5]。能否将余热回收系统安装到经济上可行的设备上，这取决于对废热的有效利用和可回收余热总量[6]。可回收的废热量根据流量、温度、湿度和压力等设施参数的测量来计算。余热系统主要包括气-气热回收系统，气-液热回收系统和液-液热回收系统。在废热空气和燃烧气体的热回收过程中，最重要的问题是由于在换热器表面上冷凝而产生的酸引起换热器表面损坏。因而在余热回收设计时，应考虑加热流体的温度、其组成和热流体能加热的最大热量。由于换热器设计时根据冷凝的热烟气产生酸来设计的，因此以换热器出口温度不低于120°C的标准进行设计，这对于硬件的效率和寿命都十分重要。
陶瓷行业是一个以岩石和土壤为基础的矿物加工行业，在其生产过程中能源消耗很大。陶瓷是一种无机非金属材料，其能在烧结过程中获得指定的、工艺所需的材料性能。由于干燥和烧结过程，陶瓷行业成为了一个能耗严重的行业[7]。在陶瓷生产过程中，高温烟气和窑炉冷却空气(废热空气)是余热回收利用的重要目标。通过余热回收方法获得的热能可以运用在各个方面，特别是用于加热水、直接或间接冷却、预热待放入窑炉的材料和加热窑炉上燃烧器的燃烧空气。
由于世界能源危机，近年来余热回收利用技术备受关注。在“热风炉换热器结构设计优化”研究中，李爱琴通过对数平均温差法计算，降低了高温热风窑用喷淋换热器和辐射换热器投资成本，他研究了0℃、100℃和200℃等不同温度点的温差与平均换热面积之间的关系，发现了在相同条件下喷淋式换热器的换热面积低于换热器换热面积[8]。在气体技术分析方法中，徐刚等人利用锅炉废气对余热回收系统进行了优化设计。在这项分析中，他们确定了在90℃排气温度下中国现有的1000兆瓦典型发电机组的年煤炭数量为13000吨煤，煤炭收入节约数据约为1.56亿美元[9]。王超琼等人曾在发电厂内完成了一种用于废气余热回收利用的低压换热器的应用。在这个应用中，每千瓦小时能够节约2-4克煤和25-35吨水[10]。在“固定床蓄热式换热器模拟烟气余热回收”的研究中，M. T. Zarrinefkahsf和S.M.Sadrameli开发出了固定床蓄热式换热器性能研究模型。他们指出随着流量的增加，效率会下降，当流量变化不是很高时，效率的变化不会很明显，并且通过小型发电机可以提高效率[11]。郝芳娜等人利用水泥和铜设备进行了关于工业废热低温利用的研究。他们在中国北部开展了一个加热定居点的项目，该项目的余热储量约为122兆瓦，通过这个项目能将水泥厂的热效率从72.9 %提高到74.3 %，将铜厂的热效率从30.1 %提高到74.7 %。此外，该项目年均减少二氧化碳排放量168644吨，二氧化硫547吨，氮氧化物476吨，节水640634吨[12]。李志伟等人通过以天然气和石油焦炭为燃料，利用平板玻璃窑产生的废热，对电能生产进行了研究。通过研究确定，对于天然气和石油焦炭燃料而言，23吨/小时的蒸汽产生量和大约52兆瓦的废热产生量获得的电量是相同的。他们表示这相当于每年可以节能3100万千瓦小时，相当于12400吨煤产生的能量，每生产一公斤玻璃可以节省0.84兆焦耳能量[13]。
M. Hatami等人为了提高排气能量回收率，在汽油发动机排气过程中针对不同翅片尺寸的翅片式换热器进行了数值模拟研究[14]。
M. Hatami等人在研究中将涡流发生器换热器用于柴油发动机的排气过程，以回收能量。他们针对上述研究进行了实验研究，并通过热力学分析得到了优化和最佳的操作条件[15]。
M. Hatami等人在研究中，对不同换热器的设计进行了综述，提出了提高柴油机排气余热回收率的方案[16]。
M. Hatami等人先前对用于内燃机排气(ICEs)的两种热交换器(HEXs)的工况进行了数值模拟。而本文采用有限元数值模拟的方法，通过翅片式换热器对发动机排气余热进行回收利用，成功地模拟了墙体和翅片的传热过程，并且将传递的热量转换成冷流体作为回收的热量进行计算。实验结果表明，SST k-omega;和RNG k-ε是合适的粘性模型，但与实验结果相比，RSM的结果并不理想。此外，曲线图和轮廓显示增加散热片的数量和长度，可以在高发动机负荷和速度下获得最大回收热量，从而提高热量的回收[14]。Mohsen Ghazikhani等人以能量回收为目的对DI柴油发动机排气冷却进行了试验研究。研究结果表明，从排气中回收能量的多少受发动机负荷和转速的影响，因此在较宽的负荷和发动机转速范围内，冷却系统具有第二定律效率，从换热器冷却回收的能量可以适当地假定为发动机功率的一部分。在这种情况下，BSFC (制动比燃油消耗)降低约5-15 %[5]。
M. Hatami等人采用基于中央复合设计(CCD)应用的响应面法(RSM)，对柴油机排气余热回收的翅片式换热器( HEX )进行优化设计。针对这一目标，对15个具有不同翅片尺寸和6个中心点的六边形进行了数值设计，结果表明，翅片高度对压降的影响大于翅片数量和翅片厚度，翅片数量对热回收的影响最大。根据CCD优化技术，他提出了一种翅片式换热器的特殊设计方案，填补了该领域的空白[17]。
本研究主要目的是利用余热满足陶瓷工厂加热空调的热水需求。利用横流换热器从以天然气为燃料的隧道窑中排出的高温烟气和冷空气（废热空气）中获得温度为95℃的热水，所获得的热水用于空调设备的蛇形线圈的加热。
- 换热器设计
根据热交换类型、流体数量、传热表面与传热体积的比例（结构）、结构特性、流动类型和传热机制等对不同领域的不同用途的热交换器进行分类[18]。
设计换热器时通常有两种方法，第一种是对数平均温差( LMTD )，第二种是传输单元数( NTU )。例如，在横流翅片管换热器和逆流式换热器的应用中，对数平均温差和效率高于所有其它流量调节，如图1所示。由于这个优点，这种类型的换热器在实践中通常是优选的[19,20,21]。本文采用了LMTD方法进行了研究，后面使用的公式将在本章中呈现。
图1 横流翅片管换热器
恒流换热器的一般热平衡式可以写成：Qh = Qc (1)
其中 Qh 表示下面的热流体所散发出的热量，Qc表示冷流体接收到的热量；这仅仅是没有热量损失时的流体间热交换的热平衡式。
热流体质量流量m1(kg/s)及其比热恒压Cp,1(J / kg∙K)，换热器输入温度T1,in(K)，输出温度T1,out(K)，忽略恒定流动动能和势能的变化重写能量方程，其中冷流体质量流量为m2(kg/s)，比热恒压Cp,2(J / kg∙K)，换热器输入温度T1,in(K)，输出温度T1,out(K)。
通过图1和方程式(2)得到横流式翅片管换热器的对数平均温差为:
采用相同的方法，实际的传热速率用平均温度差可以表示为：
其中U为总传热系数(W/ m2/K)， A为传热面积(m2)。
- 换热器的应用
本节主要介绍热交换器的应用。陶瓷产品的烧制过程在这个工厂的7个隧道窑中进行，这些窑中使用的燃料能量约有30％作为烟道气体排放到大气中，其中有37％作为冷却烟道气体（废热空气热量）排放。在这项研究中，研究了四个窑炉的烟气温度回收和其他三个窑炉的废热风回收。在根据烟道气体热量制成的换热器设计中，换热器热气体的出口温度被确定为120℃，选择该温度的原因是烟囱气体和陶瓷材料产生的硫化物和类似物质会在120℃下冷凝，并对钢表面造成酸性损害。在根据冷却烟道气体热量制造的换热器设计中，换热器热气体的出口温度确定为100℃，选择该温度是因为它不包含燃烧气体，并且不会在120℃以下形成损坏热交换器的酸和类似物质。为了实现能量回收，设计了具有双流，单流和逆流的换热器，其中流体之间不存在直接接触并且具有翅片管。换热器回收的能量输送到工厂供热的空调系统中，工厂的空调系统为热水加压至70 -90℃。
在换热器插入隧道窑之前，使用了3台热水锅炉为工厂总共110000m2的室内区域供暖。这些锅炉的总产能为1750万千卡/小时，每年消耗285万m3天然气。该设备环境加热(空调)所消耗的能源约占该设施天然气总消耗量的12%。在本研究中，运用隧道窑的烟道气流量和温度以及加热装置操作温度数据，利用方程式(2)在第一步计算换热器容量。利用该厂陶瓷隧道窑的烟道气流量，设计了1号、2号、3号和4号窑的换热器。1号、2号、3号、4号窑的换热器容量均为417 kW·h，其设计温度条件为:烟囱进气温度350℃，烟囱出气温度120℃，进水温度70℃，出水温度95℃。对于5号窑和6号窑，利用冷却烟囱气体的废热空气流量计算出换热器的容量为502 kW·h，换热器的设计温度条件为:烟囱进气温度250℃，烟囱出气温度100℃，进水温度70℃，出水温度95℃。同理可得，对于7号窑，通过使用冷却烟囱气体的废热空气流率计算换热器的容量为837 kW·h。根据计算出的容量数据进行换热器的制造和安装。图2展示了工厂隧道窑的漏斗、热交换器、热水锅炉和空调机组的连接图。为减小阻力损失，选择了通道尺寸比窑炉大的余热漏斗。为了平衡由于换热器引起的压力损失，将从窑中抽出空气的风机设计成可变速的。图3显示了插入通道的换热器和安装在隧道窑上的换热器。
图2 用于将从插入隧道窑漏斗的换热器获得的热水连接到热水锅炉系统并将其传输到空调机组的示意图
图3 插入通道的换热器和安装在隧道窑上的换热器
3.1 换热器使用后天然气节约及投资回报期
在该项目之前，该设施所需的热水是在热水锅炉中生产的。在窑炉余热隧道安装7台总容量为539 kW / h的换热器后，用换热器代替热水锅炉来满足工厂室内供暖系统对热水的需求。项目建成后，不再需要运行大量燃气的热水锅炉，3台运行锅炉中有2台停用，一个锅炉保持运行，以便在极其寒冷的条件下支持系统。换热器安装前后的气体消耗和节约值见表1。利用换热器代替锅炉后产生的余热如表1所示，2012年天然气节约量为523 305 m3，2013年天然气节约量为253 783 m3。显
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