用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法

摘要

一种烟气余热回收技术领域的用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法，通过在含飞灰的烟气进入蓄热室之前设置风室以减少进入蓄热室的飞灰，并在所述风室的进风口处设喷管以加速烟气的行进速度，烟气进入蓄热室的耐火球床层，吹动耐火球，使得耐火球之间的空隙增大，耐火球床层形成流化床，烟气与耐火球之间进行热交换使热量蓄藏于耐火球中，而进入蓄热室的飞灰流出蓄热室，从而避免堵塞流通通道。本发明结构设计及操作简单、除灰费用低，特别适用于烟气含灰量高的场合。

权利要求

1.一种用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法，其特征在于，通过在含飞灰的烟气进入蓄热室之前设置风室以减少进入蓄热室的飞灰，并在所述风室的进风口处设喷管以加速烟气的行进速度，烟气进入蓄热室的耐火球床层，吹动耐火球，使得耐火球之间的空隙增大，耐火球床层形成流化床，烟气与耐火球之间进行热交换使热量蓄藏于耐火球中，而进入蓄热室的飞灰流出蓄热室，从而避免堵塞流通通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的加速烟气的行进速度是指：将蓄热室的耐火球床层流态化，将烟气速度达到临界流化速度的1.5～10倍，临界流化速度的计算公式是：其中，umg是临界流化速度，dp是耐火球

直径，μ是动力粘度，ρg是烟气密度，ρp是耐火球密度，g是重力加速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的减少进入蓄热室的飞灰是指：于蓄热室之前设置风室，同时，蓄热室的入口处设置布风板，当含飞灰的烟气进入风室并流经布风板时，由于压差和布风板的阻挡使得部分飞灰速度降低并沉积于风室。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征是，所述的加速烟气的行进速度通过以下方式实现：在风室的进风口处设喷管，布风板上均匀开有若干通孔，该喷管和通孔的结构均为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，布风板上的全部所述通孔的总面积A孔,布风板根据烟气体积流量和选定的烟气速度计算，公式为： 其中，Vg是烟气体积流量，u是烟气速度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，流化状态下，烟气与耐火球之间主要通过对流和辐射进行热交换，当烟气温度降低ΔTg时，满足下面的热平衡方程：其中，cpg是烟气比热容，Tg是烟气温度，α是对流换热系数，

a是床层比表面积，A0是蓄热室断面面积，ΔH是烟气温度降低ΔTg时对应的床层高度，Tp是耐火球温度，εp是耐火球黑度，σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε是床层空隙率，n是耐火球个数，Vp是耐火球体积，H是床层总高度；对流换热系数α的计算公式为：

1.3

Nu＝0.03Re 0.1

1/2 1/3

Nu＝2+0.6Re Pr Re>100

其中，Nu是努赛尔数，Nu＝αdp/λg，λg是烟气的导热系数；Re是雷诺数，Re＝udpρg/μ；Pr是普朗特数，Pr＝cpgμ/λg。

7.一种实现权利要求4或5所述蓄热换热方法的装置，其特征在于，包括：蓄热室、风室、布风板和耐火球，其中：蓄热室的入口处设有布风板，前方设有风室，蓄热室的流通通道中设有耐火球。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，其特征是，所述的风室的进风口处设喷管，该喷管的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的布风板上均匀开有若干通孔，该通孔的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征是，所述的布风板上的单个通孔出口的直径为耐火球直径的0.5～1.0倍，是入口直径的0.75～0.8倍。

说明书

用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种烟气余热回收技术领域的方法，具体是一种用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法。

背景技术

[0002] 高温空气燃烧技术广泛用于冶金、机械、化工、固体废弃物处理等领域，具有燃烧/加热均匀、热效率高、NOx排放低等优点。该技术的核心部件是蓄热换热装置，采用快速换向操作，可以极大地回收高温烟气的热量并用于预热助燃气体和燃料。蓄热换热装置设置两个或多个成对的蓄热室，蓄热室里填充任意堆积的耐火球或直接采用耐火蜂窝体，以固定床形式蓄热或放热。以两个蓄热室的装置为例，一个蓄热室温度较低，为冷蓄热室；另一个蓄热室具有较高的温度，为热蓄热室。烟气通过冷蓄热室的同时，冷的待预热气体通过热蓄热室，经过一定时间后，冷蓄热室温度升高，变成热蓄热室，而热蓄热室温度降低，变成冷蓄热室。然后通过换向阀改变冷热气体的流向，使热气体进入新的冷蓄热室放热，冷气体进入新的热蓄热室吸热，从而实现热量从烟气连续地向被预热气体传递。

[0003] 然而，高温空气燃烧技术目前仅在燃烧气体燃料时应用较成功，在燃烧如煤粉/粒、生物质、垃圾等含灰固体燃料时应用受到限制。原因在于，用于回收烟气余热并预热助燃风及燃料的蓄热室容易被烟气中携带的飞灰堵塞而导致运行不稳定、维护费用高。特别是用陶瓷蜂窝体作蓄热体时，一旦蜂窝体的狭小通道被飞灰堵塞，清理起来异常困难。如果使用耐火球作蓄热体，则清理较容易，但需要频繁卸出更换，不利于系统的稳定和成本的降低。

[0004] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN202499873，公开日2012-10-24，记载了一种改进型球式热风炉，由炉体、炉腔和在炉壁上安装的燃烧口、装球孔、上下两个卸球孔和卸砖孔、清灰孔、冷风管和热风管构成，炉腔上部是燃烧室，下部是热量蓄热室，在燃烧室和蓄热室间的上卸球孔至热风口下方位置有耐火球炉条；耐火球炉条上部装耐火球，耐火球炉条下部装小孔格子砖。总加热面积相同的条件下，球式热风炉蓄热室的体积小得多。耐火球是装在倾斜状的炉条上方，需要卸出耐火球时，极其方便且快速。同时，气体在球床和格子砖室内的运动是不规则紊流运动，其横向、纵向等多维面都参与了热交换。但该现有技术与本发明相比的缺陷和不足在于：当气体含有较多飞灰时，流经该现有技术所述的格子砖和球床后，飞灰会沉积在格子砖小孔和球床中，严重时造成堵塞，使蓄热室不能工作，需要频繁停炉清理。 本发明可以极大减少或避免气体中的飞灰在蓄热室中沉积。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法，使得高温空气燃烧技术能用于燃烧固体燃料的场合，充分发挥该技术的优势。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明提供一种用于回收含飞灰的烟气余热的蓄热换热方法，通过在含飞灰的烟气进入蓄热室之前设置风室以减少进入蓄热室的飞灰，并在所述风室的进风口处设喷管以加速烟气的行进速度，烟气进入蓄热室的耐火球床层，吹动耐火球，使得耐火球之间的空隙增大，耐火球床层形成流化床，烟气与耐火球之间进行热交换使热量蓄藏于耐火球中，而进入蓄热室的飞灰流出蓄热室，从而避免堵塞流通通道。

[0008] 所述的加速烟气的行进速度的目的是使蓄热室的耐火球床层流态化，需要烟气速度达到临界流化速度的1.5～10倍，临界流化速度的计算公式是：

[0009] 其中，umg是临界流化速度，dp是耐火球直径，μ是动力粘度，ρg是烟气密度，ρp是耐火球密度，g是重力加速度。

[0010] 所述的减少进入蓄热室的飞灰的方式是：于蓄热室之前设置风室以及在蓄热室的入口处设置布风板，当含飞灰的烟气进入风室并流经布风板时，由于压差和布风板的阻挡使得部分飞灰速度降低并沉积于风室。

[0011] 所述的风室能够使得烟气在其中均匀混合，避免因气体进口压力和速度的不同造成在其后耐火球中的流动不均匀。

[0012] 所述的加速烟气的行进速度的方式是：风室的进风口处设喷管并在布风板上均匀开有若干通孔，该喷管和通孔的结构均为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

[0013] 所述的布风板上的全部通孔出口的总面积A孔,布风板根据烟气体积流量和选定的烟气速度计算，公式为： 其中，Vg是烟气体积流量，u是烟气速度。

[0014] 所述的布风板上的单个通孔出口的直径为耐火球直径的0.5～1.0倍，是入口直径的0.75～0.8倍。

[0015] 所述的风室的进风口处的喷管出口面积等于布风板的通孔出口的总面积A孔,布风板，喷管出口直径为入口直径的0.75～0.8倍。

[0016] 喷管出口的烟气流速和布风板通孔出口的烟气流速都能达到进口烟气速度的2倍。

[0017] 所述的流化状态下，烟气与耐火球之间主要通过对流和辐射进行热交换，当烟气温度降低ΔTg时，满足下面的热平衡方程：

[0018]

[0019] 其中，cpg是烟气比热容，Tg是烟气温度，α是对流换热系数，a是床层比表面积，A0是蓄热室断面面积，ΔH是烟气温度降低ΔTg时对应的床层高度，Tp是耐火球温度，εp是耐火球黑度，σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε是床层空隙率，n是耐火球个数，Vp是耐火球体积，H是床层总高度；对流换热系数α的计算公式为：
1.3

[0020] Nu＝0.03Re 0.1

[0021] Nu＝2+0.6Re Pr Re>100，

[0022] 其中，Nu是努赛尔数，Nu＝αdp/λg，λg是烟气的导热系数；Re是雷诺数，Re＝udpρg/μ；Pr是普朗特数，Pr＝cpgμ/λg。

[0023] 从计算公式可知，烟气速度越高，雷诺数越大，对流换热系数α越大，表明换热强度越高。同时考虑对流换热和辐射换热时，烟气和耐火球之间的传热系数可达200～400W/(m2·℃)。

[0024] 所述的耐火球的密度为700～1000kg/m3,比热容为0.8～1.1kJ/(kg·℃)，直径为5～10mm。耐火球具有较高的蓄热能力，而且直径越小，参与换热的比表面积越大。

[0025] 本发明涉及一种实现上述蓄热换热方法的装置，包括：蓄热室、风室、布风板和耐火球，其中：蓄热室的入口处设有布风板，前方设有风室，蓄热室的流通通道中设有耐火球。

[0026] 所述的风室的进风口处设喷管，该喷管的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

[0027] 所述的布风板上均匀开有若干通孔，该通孔的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

[0028] 所述的布风板上的单个通孔出口的直径为耐火球直径的0.5～1.0倍，是入口直径的0.75～0.8倍。

[0029] 所述的风室的进风口处的喷管出口面积等于布风板的通孔出口的总面积A孔,布风板，喷管出口直径为入口直径的0.75～0.8倍。

[0030] 所述的蓄热室的外部设有保温层。

[0031] 本发明在蓄热室之前设置风室和布风板，阻挡一部分飞灰；其余飞灰随烟气进入耐火球床层，烟气吹动耐火球，球体之间空隙增大，甚至达到流化状态，此时耐火球床层可近似为一个流化床，通过换热将烟气的热量吸收蓄藏，而烟气中的飞灰由于床层内流通通道增大，仍 然能够随着烟气流出蓄热室；当加热助燃气体或燃料气时，可将气体从上而下供入热蓄热室，此时耐火球填充床可视为一个固定床，将蓄积的热量传递给待预热的气体。

[0032] 技术效果

[0033] 本发明通过设置风室和布风板实现耐火球床层前烟气的第一次除灰，通过耐火球床层的流化实现烟气中的飞灰流出蓄热室，有效避免了飞灰在床层内沉积、堵塞通道；通过风室的进风口处设喷管，布风板上均匀开有若干通孔实现烟气流速的提升，为耐火球床层的流化创造条件；烟气与耐火球流化床层进行强烈的对流和辐射换热，实现了热量从烟气向耐火球的传递。本发明结构设计及操作简单、除灰费用低，特别适用于烟气含灰量高的场合。

附图说明

[0034] 图1为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

[0035] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0036] 实施例1

[0037] 如图1所示，本实施例的方法具体是：首先，在含飞灰的烟气进入蓄热室之前，减少进入蓄热室的飞灰；其次，加速烟气的行进速度，烟气进入蓄热室的耐火球4床层，吹动耐火球4，使得耐火球4之间的空隙增大，耐火球4床层形成流化床，烟气与耐火球4之间进行热交换使热量蓄藏于耐火球4中，而进入蓄热室的飞灰流出蓄热室，从而避免堵塞流通通道。

[0038] 所述的减少进入蓄热室的飞灰的方式是：于蓄热室之前设置风室2，同时，蓄热室的入口处设置布风板3，当含飞灰的烟气进入风室2并流经布风板3时，由于压差和布风板3的阻挡使得部分飞灰速度降低并沉积于风室2。

[0039] 风室2同时使得烟气在其中均匀混合，避免因气体进口压力和速度的不同造成在其后耐火球4中的流动不均匀。

[0040] 所述的加速烟气的行进速度的方式是：风室2的进风口处设喷管，布风板3上均匀开有若干通孔，该喷管和通孔的结构均为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

[0041] 布风板3上单个通孔出口的直径为耐火球4直径的0.5～1.0倍，是进口直径的0.75～0.8倍。风室2的进风口处的喷管1出口面积等于布风板3通孔出口的总面积，喷管1出口直径为进口直径的0.75～0.8倍。喷管1出口的烟气流速和布风板3通孔出口的烟气流速都能达到进口烟气速度的2倍左右。

[0042] 所述的耐火球4的密度为700～1000kg/m3,比热容为0.8～1.1kJ/(kg·℃)，直径为5～10mm。烟气和耐火球4之间的传热系数可达200～400W/(m2·℃)。

[0043] 在流化状态下，烟气速度达到临界流化速度的1.5～10倍。临界流化速度的计算公式是：

[0044]

[0045] 式中，umg是临界流化速度，dp是耐火球4的直径，μ是动力粘度，ρg是烟气密度，ρp是耐火球4的密度，g是重力加速度。根据烟气体积流量和烟气速度，可以计算出布风板3上通孔出口的总面积A孔,布风板，计算公式为：

[0046]

[0047] 式中，Vg是烟气体积流量，u是烟气速度。

[0048] 换热时，当烟气温度降低ΔTg时，烟气与耐火球4之间满足下面的热平衡方程：

[0049]

[0050] 其中，

[0051] 上式中，cpg是烟气比热容，Tg是烟气温度，α是对流换热系数，a是床层比表面积，A0是蓄热室断面面积，ΔH是烟气温度降低ΔTg时对应的床层高度，Tp是耐火球4的温度，εp是耐火球4的黑度，σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数，ε是床层空隙率，n是耐火球4的个数，Vp是耐火球4的体积，H是床层总高度。对流换热系数α的计算公式为：

[0052] Nu＝0.03Re1.3 0.1

[0053] Nu＝2+0.6Re1/2Pr1/3 Re>100

[0054] 其中，Nu是努赛尔数，Nu＝αdp/λg，λg是烟气的导热系数；Re是雷诺数，Re＝udpρg/μ；Pr是普朗特数，Pr＝cpgμ/λg。

[0055] 实施例2

[0056] 本实施例是基于实施例1方法的装置，如图1所示，包括：蓄热室、风室2、布风板3和耐火球4，其中：蓄热室的入口处设有布风板3，前方设有风室2，蓄热室的流通通道中设有耐火球4。

[0057] 所述的风室2的进风口处设喷管，该喷管的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯形结构。

[0058] 所述的布风板3上均匀开有若干通孔，该通孔的结构为下方入口宽且上方出口窄的梯 形结构。

[0059] 所述的蓄热室的外部设有保温层5。

[0060] 含飞灰的烟气从喷管1进入风室2，在其中均匀混合后，部分飞灰沉降在风室2中，其余飞灰随热烟气穿过布风板3。布风板3上均匀开通孔。通过布风板3的平整和喷管的加速，热烟气进入耐火球4床层。高速热烟气吹动耐火球4，使耐火球4之间的距离增大，烟气中的飞灰很容易通过耐火球4床层。热烟气与耐火球4之间进行强烈的热交换，把热量蓄积在耐火球4中。蓄热室外有保温层5，可减少热量的散失。烟气把热量传递给耐火球4后，携带飞灰从出风口6排出蓄热室，从而实现回收烟气热量的同时，飞灰不会沉积在耐火球4床层中，避免了频繁卸球除灰。