工业炉是工业加热的关键设备, 广泛应用于国民经济的许多行业, 品种多, 同时工业炉又是高能耗设备。 目前, 我国共有各类工业炉约 12 万台, 年总耗能达2.6 亿 tce, 约占全国总能耗的 1/4, 占工业总能耗的60%。虽然我国工业炉技术自改革开放以来有了长足的进步, 但工业炉的能源利用总体水平不高, 仅相当于发达国家 20 世纪 60～ 70 年代的水平, 工业炉的热效率平均不到 36%, 而国际上工业炉的热效率平均为50%以上。我国在工业炉节能方面, 具有相当大的潜力, 如何节约能源提高能源利用水平, 仍是当务之急。
一、目前工业炉节能的一般措施
工业炉的能耗受许多方面因素的影响, 但是节能的主要措施一般都离不开优化设计、 改进设备、 回收余热利用、 采用新技术、 新工艺、 加强检测控制和生产管理等几个重要方面。
1.业炉热工测试
节能必须有科学的计量与对比测试方法。目前所采用的测试方法一般是热平衡测试法。通过对工业炉的热工测定, 全面地了解工业炉的热工过程, 分析、 诊断加热炉的 “病情” , 找出其 “病因” , 进行节能技术改造, 使加热炉的热效率进一步提高, 单耗下降, 同时通过获得加热炉运行经济技术性能指标的各项参数, 分析加热炉运行情况, 及时调整加热炉工况, 使其达到运行的最佳状态, 找出节约能源的有效途径和方向。
2.炉型结构与筑炉材料
对工业炉进行设计或改进时, 应根据生产工艺要求, 尽量选用新型节能炉型和节能耐火材料。炉型结构是加热炉节能与否的先天性条件, 因此在加热炉新建时应该尽量考虑到加热炉节能的需要。炉型结构的新建或改造, 要使燃料燃烧尽可能多的在炉膛内发生, 即燃料在炉内存在合适的燃烧空间和燃烧时间, 减少排出炉膛的烟气热损失; 要尽可能多的将烟气余热回收到炉膛中来, 提高炉子的燃料利用系数;尽量地减少炉膛各项热量损失, 提高炉子热效率。 在优化炉型结构, 提高能源利用率和机械自动化程度方面, 目前通常采用的节能措施有以下几方面。
(1) 采用步进式炉型
步进式加热炉的实践表明, 它与传统推钢式加热炉相比有很多优点: 由于钢坯之间留有间隙, 因此钢坯可实现四面受热, 加热质量好、 钢材加热温度均匀; 加热速度快, 钢坯在炉内停留时间短, 有利于降低钢坯的氧化烧损, 有利于易脱碳钢种对脱碳层深度的控制;操作灵活, 可前进、 后退或踏步, 可改变装料间距, 控制工业炉产量; 生产能力大, 且生产能力比较灵活, 炉子不受钢坯厚度和形状控制, 不会拱炉;便于连铸坯热装料的生产协调。
( 2) 在炉膛内设置用耐火材料制作而成的砌体
以增加炉体对钢坯辐射换热面积, 相当于在原有的炉膛空间下增加了炉墙和炉顶表面积, 增强了辐射换热面积。在炉内适当设置隔墙可以起到稳定炉压、控制炉气流动、 控制炉温、 减少烟气外溢、 降低排烟温度和减少炉头吸冷风等作用。 因此, 根据实际情况在炉内增设耐火材料砌体, 对工业炉节能降耗有明显的效果, 经天津轧一钢铁集团东益公司实践运行证明, 此方法可以实现节能, 改善钢坯加热的效果。
(3) 炉体密封, 包括炉膛内各引出构件
炉壳, 炉门、扒渣孔等处的密封。炉体密封不严, 将会造成到处跑火、 漏火、 吸冷风等, 造成能源大量浪费、 设备烧坏、 环境恶劣等状况, 因此炉体密封直接影响工件加热质量和能耗水平, 同时密封也是炉内气氛控制的关键。 而耐火纤维制品的出现, 为解决炉体密封创造了条件, 实现了软密封。 采用浇注料炉衬、 外加保温层和护炉钢板的密封结构, 能达到炉体密封好的效果。
( 4) 采用耐火浇注料整体浇注
采用耐火浇注料整体浇注的加热炉具有强度高、整体性强、 气密性好、 寿命长等优点。在选择耐火材料作为炉体衬体时, 尽量选择热阻大的耐火材料, 以便炉体有较好的保温性能。 采用新型炉用耐火材料, 优化炉衬结构。炉衬在保证工业炉的结构强度和长期使用温度的前提下, 应尽量提高其保温能力和减少储蓄热。 宜选用耐火纤维、岩棉等与轻质砖作为低温工业炉炉体内衬或作为高温工业炉炉体保温层, 进而减少炉体的蓄热损失, 增强炉子的隔热保温, 以便减少炉墙的散热损失。采用复合浇注料吊挂炉顶, 可以减少炉顶散热;在中温间断式炉上可采用全耐火纤维炉衬实现节能。
在工业炉建设期间, 耐火材料的施工工艺也十分关键,比如耐火材料与水的配比要严格遵守施工工艺, 施工环境温度要高于 5℃以上, 耐火材料振捣要到位等等,经河北霸州东升制钢有限公司新建蓄热式加热炉耐火浇注料整体浇注科学施工证明, 选用好的耐火材料及合理的施工工艺对加热炉的节能和使用寿命等都有较好的效果。
(5)增加涂层
在炉内衬炉壁上涂一层厚度 3 mm～ 5 mm高温高辐射涂料, 强化炉内的辐射传热, 增大炉内辐射系数,有助于热量的充分利用, 可以节能 3%～ 5%, 同时可以保护工业炉内衬表面, 延长工业炉寿命, 是近期较先进的节能方法之一。
(6) 尽量减少炉底支撑结构带走的热量
在本着减小管底比的原则下, 采用新的技术, 减少冷却水带走的有效热量, 对必须设置的炉内水冷构件进行绝热包扎; 尽量采用全热滑轨, 减少冷却水带走的热量, 有助于提高工业炉热效率。
(7) 提高工业炉机械自动化程度
燃烧系统采用三段供热, 每段配有两个空气三通阀和两个煤气三通阀, 实现 A、B两侧自动换向。每段有两点炉温检测、 一点炉压检测, 燃烧系统根据炉膛温度、 压力反馈, 自动调节空气、 煤气调节阀开度, 实现自动控制和调节空燃比,保证合理的炉压, 优化燃烧系统, 提高工业炉的热效率。
3.燃烧装置与燃烧技术
燃烧装置是炉子的心脏部分, 它工作的好坏直接影响到能源消耗量的多少。正确地使用高效先进燃烧器一般可以节能 5%以上。目前, 国内成功地应用于工业炉的燃烧器有:调焰烧嘴、 平焰烧嘴、 高速喷嘴、 自身预热烧嘴、 低氧化氮烧嘴等, 近来又研制成蓄热式烧嘴, 为适应煤气和柴油的使用提供了多种先进的燃烧器。 平焰烧嘴最适合在加热炉上使用, 高速烧嘴适用于各类热处理炉和加热炉, 自身预热烧嘴是一种把燃烧器、 换热器、 排烟装置组合为一体的燃烧装置, 适用于加热熔化、 热处理等各类工业炉, 蓄热式烧嘴一般适用于燃用低热值煤气, 提高燃料理论燃烧温度, 广泛应用于加热炉上。另外根据燃料种类, 选择性能良好的节能型燃烧装置和与之相配套的风机、 油泵、 阀件以及热工检测与自动控制系统, 保证良好的燃烧条件和控制调节功能也是行之有效的节能措施。
常规的节能燃烧技术有:高温空气燃烧技术, 富氧燃烧技术, 重油掺水乳化技术、 高炉富氧喷粉煤技术、洁净煤燃烧技术、空气、低热值煤气双蓄热燃烧技术等。 这些技术在工业炉上的应用, 已取得一定的节能效果。其中应用广泛的有:高温空气燃烧技术、 富氧燃烧技术。
高温空气燃烧技术是 20 世纪 90 年代发展起来的一项燃烧技术。高温空气燃烧技术通过蓄热室将烟气热量进行热交换, 可使空气预热温度达烟气温度的95%, 炉温均匀性≤± 5℃, 其燃烧热效率可高达 80%。该技术具有高效节能、 环保、低污染、 燃烧稳定性好、 燃烧区域大、 燃料适应性广、 便于燃烧控制、 设备投资降低、 工业炉寿命延长、 操作方便等诸多优点。采用新型蓄热式燃烧技术, 节能潜力巨大, 可以在节能 15%～30%, 同时减少温室气体排放, CO2 的排放量降低约30%。蓄热式燃烧是一种先进的弥漫式燃烧方式, 扩展火焰燃烧区域, 火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界, 从而使得炉膛内温度分布均匀, 不易形成局部高温, 一方面提高了加热质量, 另一方面延长了炉膛寿命; 炉膛的平均温度增加, 加强了炉内传热, 在相同产量情况下,加热炉的尺寸可以缩小 10%～ 20%, 对于相同尺寸的加热炉, 蓄热式加热炉的产量可以提高 10%～ 15%。由于火焰不是在烧嘴产生的, 而是在炉膛空间内才开始燃烧, 因而燃烧噪声低。采用传统的节能燃烧技术, 助燃空气预热温度越高, 烟气中的 NOx 含量越大, 而采用蓄热式高温空气燃烧技术, 在助燃空气预热温度高达1000℃情况下, 由于燃料在贫氧 ( 2%～ 20%) 状态下燃烧, 炉内 NOx生成量反而大大减少, NOx排放量可达( 50～ 150) ×106, 达到国家一级排放标准以上; 炉膛内为贫氧燃烧, 使得加热炉加热的钢坯氧化烧损大为减少, 钢坯氧化烧损约降低 0.3%。
采用氧气浓度高于 21%的气体参与燃烧的技术,叫富氧燃烧技术。富氧燃烧的技术主要是研制适合工业炉窑实用的燃烧器。富氧助燃技术具有减少工业炉排烟的热损失、 提高火焰温度、 延长炉窑寿命、 提高工业炉产量、 缩减设备尺寸、 利于 CO2 和 SO2 的回收综合利用和封存等优点。但富氧燃烧含氧量的增加导致温度的急剧升高, 使 NOx增加, 这是严重制约富氧燃烧技术进入更多领域的因素之一。另外在工业炉窑上设计采用富氧空气助燃时, 应该避免炉内温度场不均匀。
4.余热回收与利用
烟气带走的热量占燃料炉总供热量的 30%～ 65%,充分回收烟气余热是节约能源的主要途径。通常烟气余热利用途径有以下几方面。
(1) 装设预热器, 利用烟气预热助燃空气和燃料。
(2) 装设余热锅炉, 产生热水或水蒸汽, 以供生产或生活用。
(3) 利用烟气作为低温炉的热源或用来预热冷的工件或炉料。
(4) 采用蓄热式高温燃烧技术, 将空气、 煤气双蓄热预热, 将空气、 煤气预热到较高的温度 ( 一般预热到 1000 ℃左右) , 将排烟温度降低到 150 ℃以下, 最大限度地利用烟气余热, 降低燃耗。
5.热工检测与控制
目前我国工业炉的能源消耗大, 浪费严重, 普遍存在空气过剩系数过大的问题, 这主要是由于调节手段的落后, 工人的劳动强度较大, 难以保证理想的燃烧工况。因此提高热工检测与控制水平, 具有很大的节能潜力。采用先进的自动控制技术已经成为工业炉自动控制的发展方向。通过设置自动控制系统, 严格控制各段燃烧的空燃比以及各段炉压情况, 运用自动控制系统来实现节能。实时运用氧化锆测氧仪检测排放烟气中氧气含量, 实现自动调节空煤气的配比, 以达到最佳燃烧效果, 降低能源消耗。
6. 能源管理
工业炉节能除了从设备和技术方面挖掘潜力外,还应从能源管理方面人手。从组织、 生产、 操作三方面着手, 加强能源管理工作。高效组织生产, 加强设备维护, 发挥设备的最大潜能, 使炉子高效运行。提高操作水平, 加强计划调度, 及时对能源消耗情况进行统计,找到能源浪费的主要环节, 对此制定相应的解决措施, 并对能源使用过程中造成的跑、 冒、 滴、 漏等能源浪费现象进行检查和处理, 有效杜绝各种有形损失。
三、工业炉节能的发展趋势
1.调整燃料结构
尽管煤炭在近阶段内仍是我国的主力能源, 但直接用煤、 炭作为燃料既污染严重, 又不利实施高温空气燃烧技术。所以用油、 气取代煤等固体燃料, 主要是采用煤气来作为燃料, 是我国工业炉节能发展的战略性方向。
2.进一步开发、 完善先进的燃烧技术
大力完善和推广高温空气燃烧技术仍是今后工业炉节能发展的方向。在保证高温、 高效火焰的基础上提高炉膛温度的技术, 使炉膛温度场均匀分布的技术, 以及 N0x控制技术, 是推动富氧燃烧的核心技术,也是未来的发展方向。同时 C02 的减排和封存问题将成为重要的研究热点, 余热回收及充分利用低热值燃料是工业炉节能发展的重点。
3.砌筑将向整体化和轻型化方向发展
随着不定形耐火材料的大量应用, 整体浇注和轻型结构将获更广泛的发展。采用新型耐火材料, 用耐高温陶瓷和陶瓷纤维代替耐火砖, 使工业炉升温快,热损失小。在保证炉体的寿命, 本着充分采用节能材料方向发展。
4.新型蓄热式燃烧技术
新型蓄热室采用陶瓷小球或堇青石质蜂窝体作为蓄热体, 其比表面积高达 300～ 1000m2/m3, 比传统的格子砖高几十至几百倍, 可极大地提高传热效率, 使蓄热室的体积可以大为缩小。另外, 由于换向装置和控制技术的提高, 使得换向周期大为缩短, 新型蓄热室的换向周期仅为 0.5～ 3 min。 新型蓄热室传热效率高和换向周期短, 带来的效果是排烟温度低 ( 150℃以下) ,被预热介质的预热温度高 ( 约为炉温的 75%～ 85%) 。 因此, 废气余热得到接近极限的回收, 蓄热室的温度效率可达 85%以上, 热回收效率达 80%以上。
5.节能和环保并重
在进行节能改造的同时, 应进行污染治理, 努力降低或消除有害废气和烟尘的排放, 尽力减少对自然环境的污染, 保护自然环境。对中国而言节能是最大的环保措施之一。
总之，我国目前能源的紧张与短缺已成定局, 节能是中国能源战略和政策的核心, 解决能源和资源问题, 最根本途径的还是要依靠科技进步。本文讲述了几种工业炉节能措施。 工业炉的节能, 应当抓技术创新, 寻找、探索新的节能机理和途径, 探讨新的节能工艺, 跳出传统节能方法的老路, 走科技含量高、 经济效益好、 资源消耗低、 环境污染少、 创出高附加值能源利用的可持续发展的新道路。