工业炉节能措施探讨

工业炉节能措施探讨《工程建设与设计》2005年第11期作者简介：许广清(1951-)，男，安徽阜阳人，高级上工程师，从事工业热工及热能利用的设计与研究和工业炉工程承包、施工管理上作。工业炉节能措施探讨许广清(机械工业第一设计研究院，安徽蚌埠233017)【摘要】从能源供给和需求的严峻形势以及我国能源利用率低的现状，阐述了节能的深远意义。并从炉衬、燃烧装置、热工控制、余热回收、生产管理等力而探讨了节能的措施和途径【关键词】能源供给；节能；燃烧装置；余热回收；生产管理【中图分类号】TKO01+8【文献标识码】B【文章编号】1007-9467(2005)11-0071-021前言随着我国国民经济的快速增长和工业化建设步伐的加快，对能源的消耗也大幅度的增加。目前我国已成为世界第二大能源消费国，从我国的能源储量和可开采量来看，能源的供给和需求形势严峻，能源紧张的局而日趋严重，而与此同时我国能源的利用率却处在较低的水平。据统计，和能源利用率较高的工业化国家比较，生产每一单位的国内生产总值，我国的能源消耗是这些工业发达国家能源消耗的l150%～200%。因此，我们必须改变目前以能源利用低及过度消耗为特征的增长模式，提高市场运行机制和公司企业效率。在提高能源使用效率的同时，减轻经济增长给能源供给带来的压力，使经济发展达到快速、可持续的标准。工业炉能源消耗占全国能源消耗量的四分之一，是一个消费大户，其中90%以上为燃料炉。燃料炉热效率平均我国为20%左右，而世界发达国家为40%～50%之间，两者相比存在着明显的差距。改革开放以来，我国工业炉在筑炉材料、燃烧设备、控制元件等方而通过引进消化和自我研制开发，水平有了很大的提高。但从目前的能源利用效率来看节能的潜力很大，因此有必要在炉衬材料、燃烧设备、控制系统、余热回收以及生产管理等方而，通过实践分析和理论研究，找出影响能耗的各种因素，采取有效的节能途径和措施降低能耗，从而以最少的能源消耗获得最大的技术经济效益。2减少炉墙热量损失炉墙热量损失包括散热损失和蓄热损失两项。散热损失：Q散=-A×q，其中A为炉墙外表而积；q为综合传热系数，q的数值和炉墙外表温度有关，而炉墙外表温度取决于炉温的高低、耐火材料导热系数的大小和炉墙厚度。因此，要降低炉墙外表温度减少炉墙散热损失，可以增加炉衬厚度，采用导热系数低的耐火材料。蓄热损失：Q蓄=G×c×Δt，其中G为耐火材料重量；c为比热；Δt为平均温度。从式中可以看出，采用轻质耐火材料降低炉衬重量是减少蓄热损失的最佳途径。对于连续运行的炉子，蓄热是一次性的，炉墙的热量损失主要表现为散热损失，因此可适当增加炉墙厚度，降低炉墙外表温度，减少炉墙散热损失。而对于间隙式炉来说，炉子每次运行，炉墙都要吸收大量的热量，蓄热损失大于散热损失，因此可采用导热系数小的轻质耐火材料，或减小炉墙厚度降低蓄热量来减少炉墙的热损失。现在常用的耐火材料有耐火砖、耐火浇注料和耐火纤维。根据炉子的使用条件，合理选用耐火材料，科学设计炉衬厚度，在保证炉衬的强度和耐高温条件下，尽量使用导热系数小的轻质耐火材料，最大限度减少炉墙的热量损失。轻质耐火材料除轻质砖和轻质浇注料外，耐火纤维是一种密度小、导热系数低的超轻质耐火材料，比重小到耐火砖的1/10，热导率是耐火砖的1/20，是减少炉墙热量损失的首选材料。现在1200℃以下的各种热处理炉上已普遍使用全纤维结构炉衬。使用这种材料作炉衬，炉墙厚度可减少40%重量可减少80%以上，并且在节能、省材、升温快，炉温均匀性高等方面，都具有明显的效果。现在已经生产出使用温度在1300℃~1600℃的高温耐火纤维，但由于造价太高，在高温炉上使用还不普遍，只是在炉门、炉顶等部位使用。高温炉可以采用复合炉衬结构，以重质砖为主体，以普通耐火纤维作保温层，在受热而上贴50mm厚高温纤维，炉墙的散热损失和蓄热损失同样可以有较大的减少。3采用新型燃烧装置燃烧装置是实现燃料燃烧过程的装置，采用合理先进的燃烧装置，对燃料的完全燃烧，炉子的温度场分布和节能，都具有重要意义。性能优良的燃烧装置应能满足以下基本要求。1)在规定的热负荷条件下保证燃料的完全燃烧，保证安全，满足环保要求。2)具有一定的调节范围，燃烧过程要稳定，能使用较高温度的助燃空气。3)火焰的方向、外形、速度符合各种炉型和加热工艺的要求。现在工业炉上使用的燃烧装置有高速烧嘴、平焰烧嘴、自身预热烧嘴、和蓄热式烧嘴等。高速烧嘴是燃料和助燃空气在燃烧室或燃烧通道基本实现完全燃烧，燃烧产生的高温气体以100m/s~300m/s的速度喷出，从而促进了炉内气流循环，强化了对流传热，达到均匀炉温的目的。在热处理炉上使用高速烧嘴，可以减少烧嘴的安装数量，同时对提高加热质量和节约燃料有显著效果。平焰烧嘴喷出的是圆盘形平火焰，火焰从烧嘴砖喇叭口喷出，紧贴炉壁向四周均匀伸展，并能在很大的平面内形成均匀温度场，具有很强的辐射能力，最适合用于高温加热炉上。平焰烧嘴主要以对流方式传热给炉墙，炉墙和火焰而同时对工件辐射加热，有利于强化炉内传热过程，和实现均匀加热，避免工件过烧，提高加热速度。因此可显著改善加热质量，提高炉子生产率和降低燃料消耗。蓄热式烧嘴是上世纪90年代开始研制开发的一种高效节能燃烧装置，采用的是高温空气燃烧技术。两个烧嘴为一个燃烧单元，一个烧嘴燃烧供热，另一个烧嘴排烟蓄热，交替切换。在排烟的过程中，烧嘴的蓄热体开始蓄热，经过反向切换后，助燃空气经过蓄热体被加热，供烧嘴燃烧。采用蓄热烧嘴，同时将助燃空气预热到1000℃，排烟温度降低到150℃，热效率达到70%，且提高了炉温均匀性，减少了工件氧化。节能降耗，效果显著。现在，国内主要用在冶金行业使用低热质高炉煤气的连续加热炉上。4正确控制空气燃料配比和炉膛压力在炉子运行中正确控制燃料量和空气量的配合，是合理组织燃烧过程的重要内容。在保证燃料完全燃烧的条件下，助燃空气量越接近燃烧所需理论空气量，则燃烧温度越高，炉子加热速度越快，燃料消耗量越低。空气系数过大，燃烧温度降低，烟气量增多，导致离炉烟气带走的热量损失增加；空气系数过小，造成燃料的不完全燃烧，燃烧温度降低，炉子的化学损失增加。正确控制炉膛压力，使炉子在微正压下运行。炉内压力为负值时，从炉口或其他不严密处吸入大量冷空气，局部温度降低，并导致烟气带走的热损失增加。炉内压力为正值时，高温炉气逸出炉外，同样造成热量的损失，并对炉门、台车等构件造成损害。因此，在操作上要随时注意调整烟道闸门，或采用自动方式调节，以保持正常的炉内压力。5高效回收余热燃料燃烧产生的高温气体在炉内和工件进行热交换后经排烟口排出，由于热交换时间短，很大一部分热量被烟气带走。在工业窑炉上，由烟气带走的热量损失占炉子供热量的40%~60%以上，充分利用好这部分余热，是提高炉子热效率的关键。降低离炉烟气温度，减少烟气带走的热量损失最有效的方式，是利用烟气余热对煤气、空气和炉料进行预热。在连续加热的炉子上，通过加长预热段的长度，延长烟气在炉内的停留时间，使之和炉料进行充分的热交换，可以大幅度提高炉子热效率，降低炉子排烟温度。但是对于非连续炉来说，高温烟气在炉内停留时间短，排烟温度接近炉温，利用烟气余热最有效和应用最广泛的措施是预热助燃空气。通过预热助燃空气，可以强化燃料燃烧，提高燃料的理论燃烧温度，加快升温速度，提高生产率。一般认为，助燃空气温度每提高100℃，可节约燃料5%，提高理论燃烧温度50℃，具有明显的节能效果，尤其对使用低热值的高温炉来说，节能效果更显著。目前使用的空气换热器大多数都是金属换热器，传热方式分辐射式与对流式。预热器采用的材质有碳素管、渗铝管、不锈钢管和耐热钢管。排烟温度在900℃以下，可采用不锈钢管+渗铝管，空气预热温度可达400℃。排烟温度900℃以上，采用耐热钢管+不锈钢管，空气预热温度可达450℃以上。燃料节约率超过20%，排烟温度降低400℃。以上工业炉烟气余热回吸率标准见表1。表1工业炉烟气余热回收率标准离炉烟气温度使用低热值燃料使用高热值燃料余热回收率标准/%烟气排放温度/℃空气预热温度/℃余热回收率标准/%烟气排放温度/℃空气预热温度/℃5002035025022340220600234002502738022070024460300274402608002453035028510300900265803502856030010002667040028650350=110026~48710~470=45030~55670~400=4006加强生产管理工业炉节能除了从设备本身挖掘潜力外，从生产管理方而入手，提高操作水平，加强计划调度，改革加热工艺，高效组织生产，加强设备维护，在不付出额外投资的情况下即可获得显著的节能效果。教育操作人员严格按照操作规程操作炉子，维护设备的完好性能，发挥设备的能力，使炉子高效运行。加强计划调度工作，提高锻造设备的作业率，减少工件在炉内空烧待锻和锻后热处理空炉待料时间。改革加热工艺，控制工件的加热温度，选取规定的工件加热下限，适当降低出炉温度，在锻造加热炉上，出炉温度每降低10℃，能耗降低1%以上。大型工件热处理加热的回火保温时间和和很长，耗能很多，要选取最低限度的热处理保温时间。不断改革锻造生产工艺，减少锻造火次，减少炉门开启和台车进出的次数。减少一个锻造火次，综合节能10%以上。拉出炉外的高温工件散热量巨大，因此最好采用两台行车协同作业，边出料，边装料，减少高温工件在炉外的等待时间。世界性能源紧缺的局而难以改变，节约能源是一个永恒的话题。因此开发与节约并重，把节约放在首位，应成为我国解决能源问题的基本方针。