20##年度科研与工艺攻关项目
立项申请报告
项目名称： 连续蓄热式热交换过程模型
20##年3月12日
（盖章）
目 录
第一章 项目概况
1.1 项目名称
1.2 项目承担部门
1.3 项目所属领域
1.4项目现状概述
第二章 项目研发必要性
2.1 概述
2.2 国内发展概况
第三章 项目关键技术与实施方案
3.1研制方案
3.2初步指标
第四章 设计、试制技术难点
第五章 完成项目所需条件
5.1 具备的研究基础
5.2 参加部门及需要承担的任务
第六章 项目研制进度安排
6.1 项目整体进度安排
第七章 投资估算
第八章 市场前景及效益分析
第一章项目概况
1.1 项目名称：连续蓄热式热交换过程模型。
1.2 项目承担部门
1.3 项目所属领域：冶金行业工业炉窑专业。
1.4项目研发背景概述
上世纪80年代英国开发了新式的蓄热式燃烧技术（RCB技术，简称换向蓄热式）。该技术回收烟气废热达85％以上，这些热量又返回炉中助燃，减少了燃料消耗，经济效益大，该技术被国际上称之为21世纪的节能关键技术之一。
90年代末，我国引进了该项技术以后，在钢铁行业中广泛应用。但在有色加工行业，由于熔炼炉与轧钢加热炉的区别（一个是非连续加热炉，一个是连续加热炉），换向式蓄热式在熔炼炉上使用不能将蓄热式燃烧技术的优点完全发挥，所以采用该技术的有色加工企业较少。
现在连续稳定火焰蓄热式燃烧技术（简称连续稳定火焰蓄热式），是专门针对有色加工行业（尤其是铝加工行业）开发的，它解决了换向蓄热式存在的问题，它使蓄热式燃烧技术又上了一个新的台阶。
第二章项目研发必要性
2.1概述
高温空气燃烧技术在国内工业炉上得到广泛应用。目前主要是切换式蓄热燃烧系统。它是由燃烧器、换向阀、蓄热器与控制系统构成。燃烧器成对布置，当其中一个燃烧器工作时,另一个燃烧器作为排气装置，同时用烟气的余热来加热与该燃烧器相连的蓄热体。根据设定的时间换向阀换向后，两个燃烧器更换工作状态，原来处于燃烧状态的燃烧器改为排放烟气，另一个燃烧器开始点火。这种成对布置的燃烧器交替工作的方式使得两组蓄热体可以实现交替吸热放热的热工过程。与传统的燃烧技术相比，切换式蓄热燃烧系统的有点主要体现在以下几个方面：
1）可以能最大限度回收高温烟气的余热，极大程度地降低了加热炉的排烟损失，达到了有效利用能源的目的。
2）可使预热空气温度达到800℃一1200℃。由于高温预热空气所具有的物理热增加提高了炉内的理论燃烧温度，使得原来不能用于高温工业炉窑的低发热值发生炉煤气和高炉煤气，转化为可用于轧钢和炼钢等工业炉用的燃气，扩展了燃料的范围。
3）可减少NOx生成量，减轻环境污染。
4）在高温空气燃烧技术中，空气喷口和燃料喷口之问有一间隔，在空气与燃气混台前，高速的空气射流卷吸一定量的炉内烟气，使助燃空气中的含氧量降低到15％或更低。这样，燃气与低含氧浓度的助燃空气混合，使得火焰的峰值温度降低并滞后，火焰拉长，炉内的温度分布均匀，有利于提高被加热产品的质量。
5）按照蓄热燃烧的理论，在满足高温与贫氧两个条件时，通过合理组织炉的燃烧，蓄热式燃烧系统可以节约燃料，降低二氧化碳的总的排放量；使加热空间温度更加均匀；降低氮氧化物的排放浓度等。
实际的生产实践证明，在绝大多数的工业炉上应用蓄热燃烧系统都能不同程度的实现上述的节能减排效果，如台车炉、熔铝炉等。系统本身已经比较成熟。但对不用高炉煤气为燃料的连续式加热炉，则节能效果并不明显。相同的工况条件下，当采用单预热蓄热燃烧时，在轧钢连续加热炉的上热效率较连续式加热炉稍低。国内十多年的使用经验表明，切换式蓄热燃烧技术以下不足需要改进:
1）蓄热室与燃烧器必须成对配置。
2）蓄热室在换向时,存在容积效应,造成了能量和燃料的浪费。当蓄热室内蓄热体由放热状态切换到吸热状态时,原本向炉内通入经过预热的空气或煤气,随排放的烟气一起排放到炉外。
3）换向阀在蓄热系统对于空气和烟气换向的同时,燃烧系统也进行换向，增加了不安全的因素。
4）由于频繁的换向会引起燃烧的波动,压力场的波动。蓄热式换向燃烧技术是间歇式排烟、脉冲式燃烧,换向时间约为3～8 s。蓄热式燃烧器既是燃烧介质(煤气、空气)的通道,又是烟气放热强制排放的通道。在同一烧嘴煤气、空气燃烧和排烟的间隙,炉膛压力会产生很大波动。同时由于燃料是换向式燃烧,致使烧嘴造成堵塞、结焦、断火、不燃、爆鸣、爆燃等问题。
鉴于换向式蓄热燃烧系统在实际应用中的一些不足，早在1995年，德国WS公司和Asper就开始了连续式蓄热燃烧技术的研究。研究者又提出了一种新型的蓄热技术，那就是连续式蓄热燃烧技术。与切换式蓄热燃烧系统相比，连续式蓄热燃烧系统保持了切换式燃烧系统的优点，同时克服了它的某些不足。概括起来有以下优点：
1）连续、稳定火焰的蓄热式高温空气燃烧系统不用再另外设置传统燃烧器先将炉温提高到800℃以上再开启蓄热系统的方法，或者采用长明灯或值班烧嘴连续点燃换向燃烧的烧嘴的方法。由于燃料供应是连续的，可以连续调节火焰的大小，所以刚刚装完冷料的炉子或烘炉也可以正常使用蓄热式系统。这样简化了系统，又降低了工人的劳动强度。
2）燃气管道与烟气/空气供应管道分离,所以蓄热系统出现问题不会影响正常生产。
3）燃气不需自动切换装置，解决了切换式高温空气燃烧技术中的烧嘴堵塞、结焦、断火、不燃、爆鸣、爆燃等问题。
4）在炉体建设上保持原有炉型不变,对于燃烧系统来讲,保持原有烧嘴或减少烧嘴的数量,不改变原有的燃烧方式。既适于新炉，也可用于旧炉节能改造。
5）占地少、安装简便、全自动控制。这种不改变原有燃烧系统的,连续、稳定火焰蓄热式高温空气燃烧技术的发明,为蓄热式燃烧技术的推广提供了更大的支持。
2.2 国内发展概况
目前，连续稳定火焰蓄热式技术的节能原理及实现的方法、关键设备的设计都已成型，国内在20##年就开始了这方面的研究工作，取得了成果，在晋能集团铝材公司的熔铝炉上首先使用了连续式蓄热燃烧技术，取得了理想的效果。但是针对这种新型的蓄热燃烧技术在冶金行业中的实际应用经验还是很匮乏，对应用中的节能数据还有待进一步验证。我们下一步重点研究的放心就是建立连续蓄热式热交换过程模型，分析各种工况下的节能效果及相关数据。
第三章项目关键技术与实施方案
3.1 研制方案
结合国内外关于蓄热燃烧技术的科研成果与我国工业炉上应用过程中遇到的问题，我们提出一套可实现连续燃烧的高温空气燃烧技术方案。首先研制出专用于蓄热燃烧系统的四通换向阀。这种换向阀可以用在高温环境中保持良好的密封性能和较小的阻力。其原理如图1 和图2。该套系统由燃烧器、换向阀、蓄热体、风机与控制系统组成。图1 所示为连续式蓄热燃烧系统的第一种工作状态。在这种工作状态下,高温烟气经过高温换向阀到蓄热体B,蓄热室B 内蓄热体被加热,同时高温烟气被冷却到200度以下经低温换向阀、引风机排出,烟气的显热被蓄热体B 吸收并贮存；来自鼓风机的常温空气经过上一周期已经加热的高温蓄热体A 后被预热为高温助燃空气，同时蓄热体A 被冷却,经高温换向阀到燃烧器。
经过半个周期后，高温换向阀与低温换向阀同时换向后,系统进入第二种工作状态。从图１与图２可知，低温换向阀到风机的管道内气流方向保持不变，同时高温换向阀到燃烧器的管道内气流的方向也保持不变。如图２所示，在这种工作状态下，高温烟气经高温换向阀
后到蓄热体A，蓄热体A 被加热；同时，常温空气经蓄热体B 被加热成为高温助燃空气，经高温换向阀进入到燃烧器。由以上分析可知，通过一对蓄热体、一对四通换向阀的组合可以得到连续稳定的高温空气，只要持续供应燃气，便可以得到连续的蓄热式燃烧方式。这种
连续稳定的蓄热燃烧方式可以对空气、燃气进行连续控制从而可以实现对火焰的连续控制。通过实践和数值模拟可知，烟气初步冷却可以降低200℃以上。高温助燃空气在这一阶段也得到进一步的加热，可升温200℃左右。到达高温换向阀的烟气温度在1000℃以下，这有利于高温换向阀的长期正常运行。采用这样的连续式蓄热燃烧方式以后,在高温助燃空气管道上可以接一个燃烧器，也可以根据实际需要，接多个燃烧器。为了将热损失降到最小，每个燃烧器可以配一个高温换向阀，整套燃烧系统只用一个总的低温换向阀。所有这些燃烧器都可以实现连续燃烧，且燃烧的强度也较切换式蓄热燃烧方式容易调节。
3.2 初步指标
制定合理的热交换流程；设计合理的高温烟气管道、燃气（燃油）管道和助燃空气管道的布置；确定合理的蓄热器和多通道烧嘴；在以上相同的条件下，通过实验得出不同燃料的吨钢单耗和节能率。（如下表）
第四章设计、试制技术难点
4.1虽然在原理上已经得到正确的验证，但是，要实现这种连续稳定火焰蓄热式换热过程，需要设计出合理的换向阀和烧嘴，特别是这种三通道的蓄热式烧嘴，每个烧嘴要与两个换向阀进行配合。要想与换向阀实现合理、紧凑、高效的配合，需要不断的实验和改进。
4.2通过试验得出一种最为理想的蓄热体材料。由于是连续稳定火焰的蓄热，所以对蓄热体的要求较严格，应该达到一定的要求，比如传热速度快，传热效率高，不易破裂变形等。
4.3如何通过集中的自动化控制系统，实现整个燃烧和热交换系统高效、节能。最大程度地达到最佳状态。
第五章完成项目所需条件
5.1 具备的研究基础
表一： 项目主要研发技术人员表
5.2 参加部门及需要承担的任务
表二： 参加部门及需要承担的任务
第六章项目研制进度安排
6.1 项目整体进度安排
项目研制周期： 20##年— 20##年5月
表三： 项目各年份进度安排表
第七章投资估算
该项目20##年投资概算为540万元，详细情况如下表：
表三： 投资估算表
第八章主要风险分析
该项目技术含量高，节能效果最为理想，应用范围广。虽然从技术的角度来讲，推广的前景很大，但是在实际的推广中会有一些困难和风险，其中主要风险就是市场的案例太少，说服力弱，特别是对于大中型的国有企业，必须用案例说服。尤其是本研究技术中的设计和试制难点部分，也是广大用户最关注的几个部分。在没有解决好这几部分难题之前，这项技术还是不能说服广大用户进行使用。因此，在研发的这段时间里，各研发负责部门，要积极配合，集思广益，努力克服各种难题。同时，我们的市场部门要加大推广和宣传力度，趁走访客户的时机，主动、详细的介绍我们当前的研发技术，并拿出我们的相关试验数据，必要的时候，也可以邀请相关单位人员参观我们的实验过程，一切用用事实、用精确的数据说话。
附表：
项目可行性论证会评审意见表
