一种工业炉高温余热回收利用系统及其运行方法
阅读说明：本技术 一种工业炉高温余热回收利用系统及其运行方法 (Industrial furnace high-temperature waste heat recycling system and operation method thereof ) 是由 王随林 穆连波 蓝云成 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：一种工业炉高温余热回收利用系统及其运行方法,包括工业炉、热回收系统、除尘器和脱硫装置和热用户。热回收系统包括高温辐射热回收换热装置、空气侧气-水换热器、烟气侧气-水换热器和蓄热水箱。高温辐射热回收换热装置的外形为拱形结构,依次包括三层换热面。运行时,高温热物料通过三层换热面吸收热量,形成热空气和热烟气；被热空气和热烟气加热后的热水提供给热用户使用。本发明可同时回收工业高温余热的辐射热和对流热,大幅提升余热回收率,有效降低热损失,实现高温余热的安全、高效、稳定与最大化回收利用。同时高温辐射热回收换热装置还可在多台中不同工业炉中循环使用,从而节约设备造价与运行成本。(A high-temperature waste heat recycling system of an industrial furnace and an operation method thereof comprise the industrial furnace, a heat recycling system, a dust remover, a desulfurizing device and a heat user. The heat recovery system comprises a high-temperature radiant heat recovery heat exchange device, an air side gas-water heat exchanger, a flue gas side gas-water heat exchanger and a heat storage water tank. The appearance of the high-temperature radiant heat recovery heat exchange device is of an arch structure and sequentially comprises three layers of heat exchange surfaces. When the heat exchanger runs, the high-temperature hot materials absorb heat through the three layers of heat exchange surfaces to form hot air and hot flue gas; the hot water heated by the hot air and the hot smoke is provided for hot users. The invention can simultaneously recover the radiant heat and the convection heat of the industrial high-temperature waste heat, greatly improve the waste heat recovery rate, effectively reduce the heat loss and realize the safe, efficient, stable and maximized recovery and utilization of the high-temperature waste heat. Meanwhile, the high-temperature radiant heat recovery heat exchange device can be recycled in a plurality of different industrial furnaces, so that the manufacturing cost and the operation cost of equipment are saved.)
技术领域
本发明涉及一种工业炉高温余热回收利用系统及其运行方法，属于工业余热节能技术领域，特别适用于石墨化炉和电石炉等工业高温余热回收。
背景技术
在钢铁、电石和石墨生产行业中，目前我国钢产量占世界53.3％(2019年)，电石产能占世界90％以上，石墨产量占全球67.7％。我国成为行业的最大生产国和消费国，能源浪费也较严重，例如在石墨化提纯、电石冷却和部分炼钢工艺过程中，存在大量高温余热未被回收利用，造成能源利用效率低，企业用能高，生产成本和环境压力大。
石墨化炉作为一种产出高温物料的工业用炉，是石墨提纯的重要生产设施，常用石墨提纯设备为艾奇逊炉与串接石墨化炉，石墨化生产过程分为加热过程与冷却过程，主要以电作为能源，其中心温度可高达3000℃，在加热后一般采用自然空气冷却，冷却过程需10天左右，冷却时间长且高温热量未被利用。石墨生产过程中的高温余热主要是以辐射换热方式耗散，同时还有被加热的空气烟气对流热。采用金属管置入石墨化炉，可能导致短路，导致供电电路损坏，难以保证石墨化炉安全运行。同时，石墨化炉间歇运行，余热不稳定，余热利用难。电石生产过程中出炉温度高达1800-2000℃，热损失大，冷却时间长，占用场地大等问题，冷却过程严禁与水接触，否则会引起爆炸，因此电石冷却主要采用自然空气冷却方式，其余热具有间歇性、周期性及电石非稳态冷却传热特点，余热回收利用难。炼钢精炼炉等生产过程也具有类似的余热利用难题。
在石墨化炉余热回收方面，文献CN209259699U公布了一种带有节能型余热回收的石墨化炉，该石墨化炉为椭圆型结构，并采用注水冷却的方式回收余热，不适用于常规炉型的余热回收，且冷却水与石墨化炉一体化接触，若炉本体发生穿孔泄露会造成巨大安全隐患；文献CN203807179U公开了一种石墨化炉余热回收发电供热系统，该系统采用冷却盘管置于石墨化炉中进行余热回收，载热工质选用空气，之后将回收热量用于发电，在高温下该热回收管设于物料内，物料产生烟气易挤压导致管道破坏，耐高温材料和发电系统造价成本高，且石墨化炉温度差异大，回收热量不稳定，影响发电效率，经济可行性较差；文献CN208700579U公开一种石墨化炉余热回收利用装置，该装置使用换热管贴设于石墨化炉炉壁外侧面，管内使用烟气作为介质，该余热回收装置回收两侧与底部热量，实际石墨化炉散热的主要热量为炉体上表面高温辐射和对流热，该部分主要热量未被有效回收，造成装置余热回收效率低。在电石余热回收方面，中国发明专利CN109579550A公开一种电石余热回收与系统，该系统通过通冷风回收电石余热，并利用该热量生产蒸汽。中国发明专利CN108007223A公开一种履带式电石余热回收装置及回收方法，采用液态金属为介质，将换热管设在履带下，吸收履带上电石辐射热达到余热回收的目的，由于电石为呈不稳定散热，该方式无法解决不稳定余热回收与高效利用问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业炉高温余热回收利用系统及其运行方法，用于回收高温辐射热和对流热，以解决工业炉烟气/物料温度高、工业余热不稳定、热回收效率低和余热回收难等问题，最大限度的减少能源浪费和环境污染。
本发明的技术方案如下：
一种工业炉高温余热回收利用系统，包括工业炉、热回收系统、除尘器和脱硫装置和热用户，其特征在于：所述热回收系统包括高温辐射热回收换热装置、空气侧气-水换热器、烟气侧气-水换热器、第一蓄热水箱和第二蓄热水箱；所述的高温辐射热回收换热装置的外形为拱形结构，安装在工业炉内高温物料表面上方；该拱形结构包括拱形换热面和由拱形换热面围成的烟气风廊；拱形换热面依次包括第一层换热面、第二层换热面和第三层换热面；第二层换热面呈三角折型排布，该层换热面与第一层和第三层换热面之间形成具有三角形空腔结构的空气通道。
所述空气通道的空气出口经空气侧风机和空气侧气-水换热器与烟气风廊的烟气侧入口相连；烟气风廊的烟气出口依次经烟气侧风机、除尘器、烟气侧气-水换热器和脱硫装置与烟气排出口连接。
所述空气侧气-水换热器的水侧出口与烟气侧气-水换热器的水侧入口相连；烟气侧气-水换热器的水侧出口与第一蓄热水箱的入口连接；第一蓄热水箱的出口通过用户侧水泵与热用户连接；热用户通过管路与第二蓄热水箱连接，第二蓄热水箱通过循环水泵与空气侧气-水换热器的水侧入口相连接。
本发明的另一技术特征在于：所述的高温辐射热回收换热装置还包括可拆卸的移动滑轨，该移动滑轨采用凸凹槽嵌入式结构，位于所述拱形换热面两侧的下部，其凹槽安装在工业炉的上方两侧。
本发明所述的高温辐射热回收换热装置上设有吊耳，呈两侧多点对称布置。
本发明所述第一层换热面为吸收率大于0.9的凹凸粗糙黑体表面，或内壁为涂有吸收率大于0.9的涂层的平整黑体表面，且该层的耐受温度至少为400℃；所述第二层换热面的材质采用铝合金材料，三角折型的三角形高度为0.1～0.2m，三角形底部长度为0.1～0.2m；所述的第三层换热面的材质采用金属材料，其外侧设有绝热保温层。
本发明所述的空气侧气-水换热器为高肋化钢管铝翅片叉排结构的逆流换热的间壁式换热器；所述的烟气侧气-水换热器为不锈钢或哈氏合金换热管铝翅片叉排结构的逆流换热的间壁式换热结构。
本发明提供的一种工业炉高温余热回收利用系统的运行方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)余热回收：启动空气侧风机和烟气侧风机，使室外空气进入高温辐射热回收换热装置中的空气通道内，通过三层换热面吸收热量后，一部分热量被空气带走，被加热的空气进入空气侧气-水换热器内，与来自蓄热水箱中的低温水进行热交换；降温后的空气作为助燃空气以2～3m/s风速进入烟气风廊内，吸收对流热和辐射热，并与高温物料接触燃烧产生高温烟气；
2)余热利用：携带热量的高温烟气依次经过烟气侧风机和除尘器，经除尘后的烟气进入烟气侧气-水换热器中，与来自空气侧气-水换热器内的热水进行热交换，换热后的烟气经脱硫装置脱硫后，经烟气排出口排除；换热后的高温热水送入第一蓄热水箱内；
3)进入第一蓄热水箱的高温热水经用户侧水泵供热用户使用；使用后变为低温热进入第二蓄热水箱，经循环水泵依次送至空气侧气-水换热器和烟气侧气-水换热器，被热空气和热烟气加热后供热用户使用；如此往复循环，从而实现工业炉高温余热回收利用。
本发明所述的运行方法中，其特征在于，所述空气通道内的空气流速为6～8m/s，空气侧气-水换热器换热后的空气出口温度160～190℃。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明由于采用了高温辐射热回收换热装置，可同时回收工业高温辐射热和对流热，最终可将烟气温度降至80℃以下，大幅度提高余热回收率，有效减少热损失。②由于工业炉负荷波动较大且存在周期性变化，高温余热亦存在不稳定的周期波动，采用该回收利用系统对不稳定工业高温余热深度回收，工业炉高负荷下蓄热水箱可蓄存多余热量，低负荷下可释放蓄存热量以满足热用户需求，将不稳定的高温余热转变为周期稳定余热进行利用。③高温辐射热回收换热装置采用可移动分体式安装，运行操作安全可靠，设备造价和运行成本低。
附图说明
图1为本发明提供的一种工业炉高温余热回收利用系统实施例的结构原理示意图。
图2为高温辐射热回收换热装置的结构示意图(主视图)。
图3为图2的中间断面示意图。
图4为高温辐射热回收换热装置的左视图。
图中：1-高温辐射热回收换热装置；2-空气侧风机；3-空气侧气-水换热器；4-烟气侧风机；5-除尘器；6-集灰料斗；7-烟气侧气-水换热器；8-脱硫装置；9-烟气排出口；10-循环水泵；11a-第一蓄热水箱；11b-第二蓄热水箱；12-用户侧水泵；13-热用户；14-风阀；15-工业炉；16-烟气风廊；17-第一层换热面；18-第二层换热面；19-第三层换热面；20-空气通道；21-空气进口；22-吊耳；23-烟气进口风道；24-移动滑轨；25-空气出口；26-烟气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明所述系统主要包括工业炉15、热回收系统、除尘器5和脱硫装置8和热用户13；热回收系统包括高温辐射热回收换热装置1、空气侧气-水换热器3、烟气侧气-水换热器7、第一蓄热水箱11a和第二蓄热水箱11b。
图2-图4为高温辐射热回收换热装置的结构示意图，该高温辐射热回收换热装置1的外形为拱形结构，安装在工业炉15内高温物料表面上方；该拱形结构包括拱形换热面和由拱形换热面围成的烟气风廊16；拱形换热面依次包括第一层换热面17、第二层换热面18和第三层换热面19；第二层换热面18呈三角折型排布，该层换热面与第一层和第三层换热面之间形成具有三角形空腔结构的空气通道20。
所述空气通道的空气出口经风阀、空气侧风机2和空气侧气-水换热器3与烟气风廊16的烟气侧进口风道23相连；烟气风廊16的烟气出口依次经风阀、烟气侧风机4、除尘器5、烟气侧气-水换热器7和脱硫装置8与烟气排出口9连接。
所述空气侧气-水换热器3的水侧出口与烟气侧气-水换热器7的水侧入口相连；烟气侧气-水换热器7的水侧出口与第一蓄热水箱11a的入口连接；第一蓄热水箱11a的出口通过用户侧水泵12与热用户13连接；热用户13通过管路与第二蓄热水箱11b连接；第二蓄热水箱11b通过循环水泵10与空气侧气-水换热器3的水侧入口相连接。
本发明提供的一种工业炉高温余热回收利用系统的运行方法，该方法包括如下步骤：
1)余热回收阶段：启动空气侧风机2和烟气侧风机4，使室外空气进入高温辐射热回收换热装置1中的空气通道20内，通过三层换热面吸收热量后，部分热量被空气带走，被加热的空气进入空气侧气-水换热器3内，与来自第二蓄热水箱11b中的低温水进行热交换；降温后的空气作为助燃空气以2～3m/s风速进入烟气风廊16内，吸收对流热和辐射热，并与高温物料接触燃烧产生高温烟气；
2)在烟气风廊中产生的高温烟气依次经过烟气侧风机4和除尘器5，经除尘后的烟气进入烟气侧气-水换热器7中，与来自空气侧气-水换热器3内的热水进行热交换，换热后的烟气经脱硫装置8脱硫后，经烟气排出口9排除；换热后的热水送入第一蓄热水箱11a内；
3)热水循环使用：进入第一蓄热水箱的热水经用户侧水泵12提供给热用户13；使用后变为低温热水进入第二蓄热水箱11b，经循环水泵10依次送至空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7，被热空气和热烟气加热后供热用户使用；如此往复循环，从而实现工业炉高温余热回收利用。
高温物料中含有大量的高品位余热，高温物料与助燃空气接触后燃烧产生高温烟气，高温物料中的大部分余热通过高温辐射热回收换热装置1传递给空气，未被吸收的烟气余热通过高温辐射热回收换热装置1的烟气出口排出，排出后的高温烟气依次经过烟气侧风机4、除尘器5、烟气侧气-水换热器7和脱硫装置8，并最终由烟气排出口9排至大气。高温辐射热回收换热装置1加热后的高温空气依次流经所述的空气侧风机2、空气侧气-水换热器3和风阀14后由烟气进口风道23进入烟气风廊16；所述的空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7用于串联加热低温热水，加热后的高温热水蓄存于蓄热水箱11a中，以满足热用户13的用热需求；蓄热水箱11b与空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7串联连接，由循环水泵10提供循环动力；蓄热水箱11a与热用户13之间由用户侧水泵12提供循环动力。
所述的空气侧气-水换热器3为高肋化钢管铝翅片叉排结构，用于将高温辐射热回收换热装置1输送来的热空气与低温水进行热交换，采用高温空气和水逆流换热的间壁式换热方式，最大化的回收高温空气中的热量，提高空气余热回收率；所述的烟气侧气-水换热器7为不锈钢或哈氏合金换热管铝翅片叉排结构，采用高温烟气与水逆流换热的间壁式换热方式，用于将经除尘器5脱尘后的高温烟气进行热回收，高温烟气与水之间采用逆流换热方式以提高烟气余热回收率；所述的除尘器5优先选用布袋式除尘器，用于对烟气风廊16中排出的含尘烟气进行除尘净化，除掉的灰尘收集到除尘器5正下方的集灰料斗6中；除尘后的高温洁净烟气进入烟气侧气-水换热器7中，以避免烟气侧气-水换热器7发生堵塞；该烟气侧气-水换热器7可回收高温烟气余热以提升被加热水温度，可将烟气温度降至80℃以下，经烟气余热回收后的低温烟气进入脱硫装置8；所述的脱硫装置8优先选用湿法脱硫，用于脱除烟气中含S等腐蚀气体，使得脱硫净化后将烟气达到国家或当地规定的排放标准后经过烟气排出口9排至大气。所述的空气侧风机2和烟气侧风机4均为变频风机，可根据高温物料余热配合风阀14以实际调节空气和烟气流量；所述的蓄热水箱为常压水箱，采用不锈钢制作，可用于蓄存空气侧气-水换热器3与烟气侧气-水换热器7中产出的高温热水，以及由热用户13输送回的低温热水，高温热水和低温热水分箱蓄存，蓄热水箱的外侧均设保温层，以降低蓄热水箱散热损失。
所述的烟气风廊16是由工业炉15的高温物料表面和第一层换热面17之间形成的拱形结构空腔，烟气风廊16内的风速为2～3m/s；所述第一层换热面应采用吸收率大于0.9的凹凸粗糙黑体表面，或内壁为涂有吸收率大于0.9的涂层的平整黑体表面，且耐酸腐蚀，耐受温度至少为400℃，换热面材料优先采用ND钢(09CrCuSb)。
所述的第二层换热面18位于第一层换热面17和第三层换热面19中间，呈三角折型结构，该折型结构不仅能增加换热面，还可使结构更加稳固，且导热热阻较小；三角折型的三角形高度为0.1～0.2m，三角形底部长度为0.1～0.2m；第二层换热面18表面优先采用密度小、耐温性高且材料强度好的3004铝合金表面，该层耐受温度应为250℃以上。第二层换热面18与第一层换热面17和第三层换热面19之间的接触部位采用焊接固定，所述的第三层换热面19采用密度小和成本低的金属材料，该层耐受温度应为100℃以上，其外侧设有绝热保温层，保温层外表面温度不高于40℃，以减少空气热量损失和避免人员烫伤。
所述的具有三角形空腔结构的空气通道20优先选用安全的空气，用以吸收工业炉15的高温物料表面的辐射热与对流热，空气通道20内的风速优先采用6～8m/s，空气经加热后出口温度约160～190℃。
在所述的高温辐射热回收换热装置的下部，即所述拱形换热面两侧的下部还设有可拆卸的移动滑轨24；在所述高温辐射热回收换热装置上部设有吊耳22，呈两侧多点对称布置。
所述的移动滑轨24采用凸凹槽嵌入式结构，位于所述拱形换热面两侧的下部，其凹槽安装在工业炉的上方两侧，实现高温辐射热回收换热装置1沿滑轨方向自由移动，以方便炉内物料的装卸，该移动滑轨不仅可承载高温辐射热回收换热装置1的重量，还具有一定的密封作用，以防止炉内烟气外溢。同时为节省设备投资成本，还可将高温辐射热回收换热装置在不同工业炉中循环使用。以石墨化工业炉为例，工业炉每隔24小时启动一台，且相互不同时运行，单台工业炉的高温余热回收结束后，通过移动滑轨24和吊耳22将其移至下一台待启动的工业炉，待装备结束后进行热回收，每台工业炉热回收时间大约65小时，循环往复使用，以减少余热回收设备投资，降低设备成本。该方式可将不稳定余热转变为周期稳定余热利用，以满足热用户的稳定用热需求。
下面对本发明的工作原理和运行方式进行详细描述：
高温物料盛于工业炉15内，待进入热回收阶段，高温物料表面温度可高达800～2000℃，为确保工业炉15运行安全可靠，高温辐射热回收换热装置1内载热介质优先选用空气；大量的工业高温物料余热通过辐射和对流换热的方式传递给高温辐射热回收换热装置1，该部分热量分别由空气通道20中的空气和烟气风廊16中的烟气带走，高温空气和高温烟气分别被空气侧风机2和烟气侧风机4输送至空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7内进行热交换，将高温空气和高温烟气的余热传递给低温热水，被加热后的高温热水可满足相关热用户13的用热需求。
热回收用的室外空气(低温)先经空气进口21进入高温辐射热回收换热装置1中的空气通道20内，在空气通道20内，低温空气吸收对流热量后空气温度升高，被加热后的高温空气经空气出口25流出，进入空气侧风机2，并由空气侧风机2提供动力后进入空气侧气-水换热器3；在空气侧气-水换热器3内高温空气余热与低温水进行逆流换热，空气温度降低，水温升高；降温后的空气温度仍高于室外空气温度，并作为助燃空气经由烟气进口风道23进入烟气风廊16中，在烟气风廊16中助燃空气与高温物料接触燃烧产生烟气，高温物料表面经高温烟气通过各层换热面将辐射热和对流热传递给空气，剩余的热量被烟气携带走，烟气风廊的排烟出口温度约200℃以上。由于空气与高温物料接触燃烧，使烟气中含尘和硫化物等，从而具有含尘和腐蚀性，需进行除尘和脱硫处理；高温烟气由烟气出口26流出后依次经过烟气侧风机4、除尘器5、烟气侧气-水换热器7、脱硫装置8和烟气排出口9；为防止烟气侧气-水换热器7发生堵塞和最大化吸收烟气余热，烟气侧气-水换热器7位于除尘器5之后和脱硫装置8之前，在烟气侧气-水换热器7中高温烟气与被加热水进行逆流换热；热回收过程如此往复循环，实现高温热量的传递和余热回收。
为便于热用户的用热需求和稳定性，用户侧换热介质优先为水，被加热水盛于蓄热水箱11中，其中高温热水和低温热水分箱蓄存，高温热水蓄存于第一蓄热水箱11a，低温热水蓄存于第二蓄热水箱11b；低温热水经由循环水泵10依次输送至空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7后回流至第一蓄热水箱11a中；为获取品位较高的热水，将空气侧气-水换热器3和烟气侧气-水换热器7按照取热品位的高低，使得水路串联连接；第一蓄热水箱11a、用户侧水泵12与相关热用户13组成循环环路系统，热用户13根据自身用热需求，按需由第一蓄热水箱11a的高温热水中取热，并由用户侧水泵12提供循环动力，取热后的低温热水送回第二蓄热水箱11b中，该过程如此往复循环，实现了余热回收利用。
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