專利名稱：煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”涉及一種能夠對物料高溫加熱的能源轉換裝置。
現(xiàn)有對物料高溫加熱的裝置大多采用采用化學燃料作能源，物料放在專門容積空間內，燃燒產(chǎn)生高溫煙氣對容積空間壁面和物體加熱，爐壁和煙氣共同對物件進行輻射；對流；傳導放熱使物料溫度升高，離爐煙氣溫度較高，對金屬進行熱變型加工的加熱爐離爐煙溫度1200℃以上；對金屬進行淬火熱加工的加熱爐離爐煙溫度大于900℃，離爐煙氣溫度只比加熱物體需要溫度低50-100℃，含有高品位的能量，但無法直接在工件高溫加熱中得到有效利用，現(xiàn)有技術只能采用預熱燃燒所需空氣與燃料；加熱其它低溫載熱媒體的措施進一步回收加熱爐排煙熱能，這種利用方法只能獲得低品位的能源回收，導制大量能源浪費和過量的溫室氣體排放。
本發(fā)明的目的是提供一種“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”，該裝置采用煙氣熱泵工作方式，能夠通過補充能量直接對已經(jīng)使用過的離開加熱爐的高溫煙氣進行一次或多次再熱，使其具有對物體進行900℃以上高溫加熱的溫度后再進入加熱爐循環(huán)利用；也可以按發(fā)電加熱聯(lián)產(chǎn)方式，對設置在加熱爐前級的膨脹熱機發(fā)電機組的500℃左右中溫排放煙氣進行高溫煙氣和燃料補充再熱升溫，使其具有對物體進行高溫加熱的溫度后再進入加熱爐利用，即滿足對物體高溫加熱的工藝要求，又盡可能使加熱過程的能源轉換獲得額外的高能級能源產(chǎn)品，大幅度減少加熱燃料耗量，提高加熱過程的經(jīng)濟性，能夠用于各種型狀的金屬；非金屬物料各種溫度加熱需要。
本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”的工作是這樣實現(xiàn)的采用由低溫煙氣發(fā)生器；高溫煙氣發(fā)生器；高低溫煙氣混合器；循環(huán)煙道共同構成的“煙氣熱泵”式加熱裝置。“煙氣熱泵”方式是在專用裝置里通過新產(chǎn)生的高溫煙氣與低溫煙氣發(fā)生器排出的煙氣進行質量；動量和熱量交換，使低溫煙氣的溫度升高到加熱需要溫度，獲得輸送壓頭后重復用作加熱煙氣的能源轉換方式，用這種方式產(chǎn)生加熱熱源顯然能大量節(jié)約加熱燃料。煙氣熱泵循環(huán)需要一定流體壓頭，由于煙溫高對流體機械加壓困難，需采用拉瓦爾噴管對流體射流加壓，或采用耐1000℃高溫的流體加壓機械提高循環(huán)煙氣壓頭。低溫煙氣發(fā)生器；高溫煙氣發(fā)生器各自補充燃料的比例依據(jù)加熱需要煙氣的焓值和溫度確定。低溫煙氣發(fā)生器可采用膨漲熱機或加熱爐作煙氣發(fā)生源。用膨漲熱機作低溫煙氣發(fā)生器時，膨漲熱機可以是內燃機(排煙溫度500-600℃)；燃氣輪機(排煙溫度600-800℃)；斯特林發(fā)動機(排煙溫度800℃)或其它熱機，其排煙溫度(約500-800℃)低于加熱爐排煙溫度時，經(jīng)低溫煙道進入一次煙氣再熱器的吸熱回路，離開加熱爐的煙氣作一次熱源，經(jīng)循環(huán)煙道進入一次煙氣再熱器的加熱回路，通過面式換熱器將熱量傳給低溫煙氣后進入排煙道，經(jīng)一次再熱的低溫煙氣進入高低溫煙氣混合器，高低溫煙氣混合器的結構是由工作流體噴管；引入流道；導入錐度縮管；混合喉管；擴壓管組成的拉瓦爾噴管，低溫煙氣出口是拉瓦爾噴管的工作流體噴管，壓頭較高的低溫煙氣作為工作流體噴入混合喉管，在混合喉管產(chǎn)生低壓抽射壓頭，高溫煙氣發(fā)生器有封閉的正壓燃燒室，補充燃料在正壓燃燒室燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣通過導入錐度縮管被引射進混合喉管與低溫煙氣進行質量；動量和熱量交換，低溫煙氣的溫度被提高，型成的高溫加熱煙氣經(jīng)過錐度擴壓管進入加熱爐火道，加熱煙氣灌流過加熱室后引入循環(huán)煙道型成煙氣熱量循環(huán)。用膨漲熱機作低溫煙氣發(fā)生器可以保證加熱同時生產(chǎn)電能和輸出機械功，連接方式是加熱爐作低溫煙氣發(fā)生器，其排煙(大于900℃)經(jīng)循環(huán)煙道直接進入高低溫煙氣混合器，高低溫煙氣混合器的結構是由工作流體噴管；引入流道；導入錐度縮管；混合喉管；擴壓管組成的拉瓦爾噴管，低溫煙氣經(jīng)循環(huán)煙道進入高低溫煙氣混合器的引入流道被導入錐度縮管引入混合喉管，高溫煙氣發(fā)生器產(chǎn)生壓頭較高的高溫煙氣從工作流體噴管噴入混合喉管，產(chǎn)生抽射壓頭，低溫煙氣被吸入混合喉管，高低溫煙氣發(fā)生質量；動量和熱量交換，低溫煙氣的溫度被提高到加熱溫度，壓頭提高到滿足循環(huán)需要，型成的高溫加熱煙氣經(jīng)過錐度擴壓管進入加熱爐火道，加熱煙氣灌流過加熱室放熱后引入循環(huán)煙道型成熱量循環(huán)?？梢栽谘h(huán)煙道中設置抽送加熱爐排煙的機械流體加壓裝置。
本發(fā)明與現(xiàn)有物體加熱裝置相比具有以下優(yōu)點1.采用“煙氣熱泵”工作方式，直接通過能量補充提升加熱爐排煙溫度循環(huán)用于加熱，比通過消耗燃料產(chǎn)生高溫煙氣大幅節(jié)約燃料，節(jié)約燃料的比例可高達50％-70％。
2.采用“煙氣熱泵”工作方式可用膨脹熱機作低溫煙氣發(fā)生器，與直接燃料加熱爐相比，燃料消耗量相同時可額外獲得等量于燃料能量15％以上的機械功或電能，發(fā)電經(jīng)濟價值可補償大部分加熱成本。
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圖1)是本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”采用膨脹熱機作低溫煙氣發(fā)生器時的系統(tǒng)連接圖。
(圖1)中發(fā)電機組(1)膨脹熱機(2)循環(huán)煙道(3)煙氣再熱器(4)低溫煙道(5)一次加熱排煙道(6)循環(huán)煙氣調節(jié)閥(7)加熱爐本體(8)排煙調節(jié)閥(9)排煙道(10))加熱煙氣(11)空氣預熱器(12)混合吼管(13)導入錐度縮管(14)工作流體噴管(15)高溫煙氣發(fā)生器(16)熱風管系(17)燃料管系(18)引入流體(19)錐度擴壓管(20)煙氣加壓機械(圖2)是本發(fā)明“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”采用加熱爐作低溫煙氣發(fā)生器時的系統(tǒng)連接圖。
(圖2)中循環(huán)煙道(3)循環(huán)煙氣調節(jié)閥(7)加熱爐本體(8)排煙調節(jié)閥(9)排煙道(10))加熱煙氣(11)空氣預熱器(12)混合吼管(13)導入錐度縮管(14)工作流體噴管(15)高溫煙氣發(fā)生器(16)熱風管系(17)燃料管系(18)引入流體(19)。錐度擴壓管(20)煙氣加壓機械(21)對本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”結構及應用通過實施例進一步說明。
實施例1用天燃氣作燃料用于汽車彈簧鋼板淬火加熱。加熱物體為板狀合金鋼材料，工藝要求加熱溫度960℃，控制爐溫1050℃，離爐煙氣溫度＝1050-100＝950℃，加熱產(chǎn)量380Kg/h。采用本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”連接方式是低溫煙氣發(fā)生器采用內燃機，補充燃料份額60％，低溫煙氣溫度500℃。加熱爐本體(8)作低溫煙氣發(fā)生器，其排煙(950℃)經(jīng)循環(huán)煙道(3)直接進入高低溫煙氣混合器，高低溫煙氣混合器的結構是由工作流體噴管(15)；引入流道；導入錐度縮管(14)混合喉管(13)；擴壓管(20)組成的拉瓦爾噴管，膨漲熱機排出的500℃低溫煙氣經(jīng)低溫煙道(5)進入一次煙氣再熱器(4)吸熱升溫到780℃，進入拉瓦爾噴管型高低溫煙氣發(fā)生器內的工作流體噴管(15)噴入混合喉管(13)產(chǎn)生抽射壓頭，補充燃料進入高溫煙氣發(fā)生器(16)的封閉燃燒室內燃燒生成高溫煙氣，高溫煙氣接通導入錐度縮管(14)，被抽射引入混合喉管(13)，高低溫煙氣發(fā)生質量；動量和熱量交換型成1343.5℃加熱煙氣(11)，壓頭提高到100毫米水柱以上，高溫加熱煙氣經(jīng)過錐度擴壓管進入加熱爐火道，加熱煙氣灌流過加熱室放熱后引入循環(huán)煙道型成熱量循環(huán)。加熱爐排煙(950℃)經(jīng)循環(huán)煙道(3)進入一次煙氣再熱器(4)放熱后經(jīng)一次加熱排煙道(6)進入空氣預熱器后排放。膨脹熱機輸出機械工率折算能源利用效率0.21，工件加熱效率0.11，總加熱效率32％，比現(xiàn)有加熱方式熱效率提高1.9倍，加熱成本降低91.9％。
實施例1的計算結果如下用天燃氣作燃料用于汽車彈簧鋼板淬火加熱。加熱物體為板狀合金鋼材料，工藝要求加熱溫度960℃，控制爐溫1050℃，離爐煙氣溫度＝1050-100＝950℃，加熱產(chǎn)量380Kg/h，天然氣低位發(fā)熱量8400大卡/NM3，過量空氣系數(shù)a＝1.0理論空氣量V0＝9.45NM3/NM3，煙氣量Vy＝10.62NM3/NM3(其中VH2O＝2.12NM3/NM3，VRO2＝1.0NM3/NM3)煙氣焓溫表
工業(yè)加熱爐燃料消耗量指標1100℃加熱爐1117.2大卡/Kg，1000℃加熱爐1696.9大卡/Kg(工業(yè)爐設計手冊。第一機械工業(yè)部第一設計院。機械工業(yè)出版社1989.4.P354表11-3；11-4)。
1050℃加熱爐燃料單耗Bd＝0.5×(1117.2+1696.9)＝1407大卡/Kg燃料消耗量 BJ＝380×1407/8400＝63.65NM3/h加熱工件熱容量 Qd＝0.164×960-0.113×20＝155.18大卡/Kg(1).確定加熱煙氣溫度加熱爐內存在熱平衡如下(TL/100)4＝(Th/100)4+(Tb/100)4(1050+273/100)4＝ε(Th/100)4+(1-ε)(950+273/100)4Th＝1616-273＝th＝1343.5℃ 式中TL-加熱爐絕對溫度th-加熱煙氣溫度℃(具此確定加熱煙氣焓值Iy＝5411.65大卡/NM3)Tb-加熱爐內壁絕對溫度(根據(jù)爐內煙氣對爐壁的輻射強度和散熱強度確定可達到1000℃以上，實施例確定為950℃)ε-火焰黑度(1300℃以上天然氣煙氣的輻射發(fā)射效率約0.18-0.2)(2).確定加熱煙氣焓值和溫度根據(jù)加熱煙氣溫度1343.5℃確定加熱煙氣熱焓Iy＝5411.65大卡/NM3Iy＝5411.65＝K1Iyg+K2(Iyd1+Iyd2)(2-1式)式中Iyg-高溫煙氣熱焓(預熱空氣溫度400℃)Iyg＝Iy0+IK＝1223+8400＝9623大卡/NM3(Iy0-理論煙氣焓；IK-空氣焓)K1-補充燃料比例設定值＝0.4K2-膨漲熱機燃料比例＝1-0.4＝0.6Iyd1-膨脹熱機排煙熱焓(低溫煙氣溫度500℃ 焓值＝1838.3大卡/NM3)Iyd2-低溫煙氣一次再熱焓(可根據(jù)按下式確定的估算溫度確定) Iyd2＝2968.44-1838.3＝1130.1大卡/NM3已知數(shù)據(jù)代入(2-1式)Iy＝0.4×9623+0.6(1838.3+1130.1)＝5630.24大卡/NM3實際加熱煙氣溫度＝1391.4℃大于需要加熱煙氣溫度Th＝1343.5℃，實際加熱煙氣熱焓＝5630.24大卡/NM3大于需要加熱煙氣熱焓＝5411.65大卡/NM3可以滿足加熱需要。
(3).煙氣循環(huán)壓頭的產(chǎn)生為了實現(xiàn)高低溫煙氣的熱量交換必須對流體輸入動量，使其克服流動阻力。膨脹熱機的排煙壓頭有數(shù)百毫米水柱，流體質量占總質量的60％，作為拉瓦爾噴管式煙氣混合器中提供流體動量的工作流體，可以使加熱煙氣具有大于100毫米水柱的流體壓頭，煙氣流動阻力約有數(shù)十毫米水柱，可以保證煙氣正常循環(huán)流動。
(4).膨脹熱機輸出機械工率確定N＝K2×BJ×8400×η/860＝0.6×63.65×8400×0.35/860＝130KW.h(5).能源效率和加熱燃料成本比較膨脹熱機輸出機械工率折算能源利用效率＝0.6×0.35＝0.21工件吸熱效率＝380×155.18/63.65×8400＝0.11總效率＝0.21+0.1103＝0.32能源效率提高倍數(shù)＝0.32-0.11/0.11＝1.91燃料單價＝1元/NM3，燃料用量63.65NM3/h直接加熱燃料成本＝63.63元/小時采用膨脹熱機作低溫煙氣發(fā)生器的煙氣循環(huán)加熱裝置加熱成本等于燃料成本減發(fā)電收益63.63-130×0.45＝5.13元/小時，成本降低91.9％。
實施例2“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”采用加熱爐本體作低溫煙氣發(fā)生器。加熱工藝條件同實施例1。連接和工作方式是加熱爐本體(8)作低溫煙氣發(fā)生器，950℃排煙經(jīng)循環(huán)煙道(3)直接進入高低溫煙氣混合器，高低溫煙氣混合器的結構是由工作流體噴管(15)；引入流道；導入錐度縮管(14)混合喉管(13)；擴壓管(20)組成的拉瓦爾噴管，加熱爐排煙被抽入拉瓦爾噴管型高低溫煙氣發(fā)生器內導入錐度縮管(14)，補充燃料進入高溫煙氣發(fā)生器(16)的封閉燃燒室內燃燒生成高溫煙氣，高溫煙氣進入工作流體噴管(15)，噴入混合喉管(13)產(chǎn)生抽射壓頭，高低溫煙氣在混合喉管(13)內發(fā)生質量；動量和熱量交換型成1343.5℃加熱煙氣(11)，壓頭提高到100毫米水柱以上，高溫加熱煙氣經(jīng)過錐度擴壓管進入加熱爐火道，加熱煙氣灌流過加熱室放熱后引入循環(huán)煙道型成熱量循環(huán)，加熱燃料用量19.095NM3/h(現(xiàn)有加熱方式加熱燃料用量63.63NM3/h)，加熱燃料成本降低約70％。
實施例2的計算結果如下(1).確定加熱煙氣溫度加熱爐內存在熱平衡如下(TL/100)4＝(Th/100)4+(Tb/100)4(1050+273/100)4＝ε(Th/100)4+(1-ε)(950+273/100)4Th＝1616-273＝th＝1343.5℃ 式中TL-加熱爐絕對溫度th-加熱煙氣溫度℃(具此確定加熱煙氣焓值Iy＝5411.65大卡/NM3)Tb-加熱爐內壁絕對溫度(根據(jù)爐內煙氣對爐壁的輻射強度和散熱強度確定可達到1000℃以上，實施例確定為950℃)ε-火焰黑度(1300℃以上天然氣煙氣的輻射發(fā)射效率約0.18-0.2)(2).確定加熱煙氣焓值和溫度根據(jù)加熱煙氣溫度1343.5℃確定加熱煙氣熱焓Iy＝5411.65大卡/NM3Iy＝5411.65＝K1×Iyg+K2×Iyd1大卡/NM3(2-1式)式中Iyg-高溫煙氣熱焓(預熱空氣溫度400℃)Iyg＝Iy0+IK＝1223+8400＝9623大卡/NM3(Iy0-理論煙氣焓IK-空氣焓)K1-補充燃料比例K1×Iyg＝5411.65-0.7×3685＝2832.15K1＝2832.15/9623＝0.294(取K1＝0.3)供給加熱煙氣熱焓Iy＝K1×Iyg+K2×Iyd1＝0.3×9623+0.7×3865＝5592.4大卡/NM3K2-加熱爐排煙熱焓比例設定0.7Iyd1-加熱爐排煙熱焓(溫煙氣溫度950℃焓值＝3685大卡/NM3)實際加熱煙氣溫度＝1383℃大于需要加熱煙氣溫度Th＝1343.5℃，實際加熱煙氣熱焓＝5592.4大卡/NM3大于需要加熱煙氣熱焓＝5411.65大卡/NM3可以滿足加熱需要。
(3).煙氣循環(huán)壓頭的產(chǎn)生為了實現(xiàn)高低溫煙氣的熱量交換必須對流體輸入動量使其克服流動阻力，高溫煙氣發(fā)生器保持數(shù)百毫米水柱正壓燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣作為拉瓦爾噴管式煙氣混合器中提供流體動量的工作流體，可以使加熱煙氣具有大于100毫米水柱的流體壓頭，煙氣流動阻力約數(shù)十毫米水柱，可以保證煙氣正常循環(huán)流動。
(4).能源效率和加熱燃料成本比較補充燃料熱焓K1×Iyg×BJ＝0.3×9623×63.65＝183751.18大卡/h工件吸熱焓＝380×155.18＝58968.4大卡/h熱效率＝58968.4/183751.18＝0.321能源效率提高倍數(shù)＝0.321-0.11/0.11＝1.917燃料單價＝1元/NM3，燃料用量19.095NM3/h直接加熱燃料成本＝19.095元/小時采用加熱爐本體作低溫煙氣發(fā)生器的煙氣循環(huán)加熱裝置，其加熱成本比直接加熱減少63.63-19.095＝44.535元/小時，成本降低70％。
實施例3只要條件允許采用拉瓦爾噴管式煙氣混合器或流體加壓機械保證煙氣具有正常流動的壓頭，本發(fā)明采用由低溫煙氣發(fā)生器；高溫煙氣發(fā)生器；高低溫煙氣混合器；循環(huán)煙道共同構成的“煙氣熱泵”式“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”能夠實現(xiàn)各種型狀的金屬；非金屬物料各種溫度加熱需要，減少加熱能耗和加熱成本。
權利要求
1.本發(fā)明涉及一種能夠對物料高溫加熱的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”，其特征在于由低溫煙氣發(fā)生器；高溫煙氣發(fā)生器；高低溫煙氣混合器；循環(huán)煙道共同構成“煙氣熱泵”式“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”整體，低溫煙氣發(fā)生器可以是膨脹熱機，低溫煙氣發(fā)生器還可以是加熱爐本體。
2.本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”其特征在于膨脹熱機作低溫煙氣發(fā)生器對，“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”的連接是加熱爐排煙經(jīng)循環(huán)煙道(3)進入一次煙氣再熱器(4)釋放熱量后經(jīng)一次加熱排煙道(6)進入空氣預熱器(12)，膨漲熱機排出的低溫煙氣經(jīng)低溫煙道(5)進入一次煙氣再熱器(4)吸收加熱爐排煙熱量升溫后，進入一“拉瓦爾噴管”型高低溫煙氣發(fā)生器內的工作流體噴管(15)噴入混合喉管(13)產(chǎn)生抽射壓頭，補充燃料進入高溫煙氣發(fā)生器(16)的封閉燃燒室內燃燒生成高溫煙氣，高溫煙氣接通導入錐度縮管(14)，被抽射引入混合喉管(13)，高低溫煙氣發(fā)生質量；動量和熱量交換型成加熱煙氣(11)，高溫加熱煙氣(11)經(jīng)過錐度擴壓管(20)進入加熱爐火道，型成煙氣熱量循環(huán)回路。
3.本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”其特征在于加熱爐本體(8)作低溫煙氣發(fā)生器時，“煙氣循環(huán)利用加熱裝置”的連接是加熱爐排煙分為兩路，一路少量排煙經(jīng)排煙調節(jié)閥(9)排煙道(10)進入空氣預熱器(12)。另一路大量排煙經(jīng)循環(huán)煙道(3)進入高溫煙氣發(fā)生器(16)內接通導入錐度縮管(14)，被抽射引入混合喉管(13)，補充燃料進入高溫煙氣發(fā)生器(16)的封閉燃燒室內燃燒生成高溫煙氣，高溫煙氣接通一“拉瓦爾噴管”型高低溫煙氣發(fā)生器內的工作流體噴管(15)噴入混合喉管(13)對加熱爐排煙產(chǎn)生抽射壓頭，高低溫煙氣在混合喉管(13)內發(fā)生質量；動量；熱量交換型成加熱煙氣(11)，高溫加熱煙氣(11)經(jīng)過錐度擴壓管(20)進入加熱爐火道，型成煙氣熱量循環(huán)回路。
4.本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”其特征在于可以在循環(huán)煙道(3)中設置抽送加熱爐排煙的機械流體加壓裝置(21)。
5.本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”其特征在于可用于各種型狀金屬；非金屬物體進行各種溫度加熱。
全文摘要
本發(fā)明的“煙氣循環(huán)利用加熱裝置及應用”，采用“煙氣熱泵”式煙氣循環(huán)利用加熱裝置，可以循環(huán)利用加熱爐排煙熱量作加熱爐熱源，加熱爐作低溫煙氣發(fā)生器比直接燃料加熱爐大幅節(jié)約燃料成本70％；膨脹熱機作低溫煙氣發(fā)生器與直接燃料加熱爐相比，燃料消耗量相同時，可額外獲得等量于燃料發(fā)熱量15％以上的機械功或電能，減少90％用于加熱燃料成本?？捎糜诮饘?；非金屬1600℃以下加熱。
文檔編號F27D7/00GK1534265SQ03108589
公開日2004年10月6日 申請日期2003年3月31日 優(yōu)先權日2003年3月31日
發(fā)明者王衛(wèi)民 申請人:王衛(wèi)民