淺談工業爐的技術與發展

0可持續發展是將大力發展工業爐,發展符合時代發展的根本要求工業爐是工業加熱的重要設備。廣泛應用于經濟和社會各界。它體積大、面廣、品多、影響大。工業加熱是制造業的重要組成部分,制造業是工業的主體。我國制造業占GDP比重的1/3,占工業的78.2%。以鍛造生產為例,2003年年產鍛件約250萬t,供制造業務部門使用,其水平直接影響到汽車等支柱產業的發展。工業爐加熱技術及裝備水平對滿足工藝要求,提高產品質量,降低生產成本,合理利用能源,保護環境,改善勞動條件,實現文明生產等都有很大的影響。上世紀末,聯合國會議提出了“可持續發展”的嶄新觀念。具體地說,是要建立信息意識、科技意識、市場意識、資源意識和環境意識。這是人類發展觀念的根本轉變。可持續發展觀念不是權宜之計,而應成為每一個國家的國策。工業爐的發展也必須服從這一觀念,它必須與全球化、信息化、綠色化,提升制造業的總需求同步前進。工業加熱技術,與人類文明的三大支柱——能源、材料、信息息息相關,它是燃燒學、傳熱學、流體力學等學科交叉的科學,可以說工業爐是高技術的載體,從某種意義講,工業爐的技術水平反映了一個國家工業的綜合水平,工業發達國家無不予以高度關注。據不完全統計,全國12個行業縣以上企業,工業爐裝備11萬臺以上,機械行業占7.5萬臺(占爐窯總數66%)。工業爐中燃料爐約6萬臺,占爐窯總數55%以上,電爐約5萬臺。工業爐是耗能大戶,能耗占全國總能耗的1/4,占工業總能耗的60%。工業爐中燃料爐能耗占工業爐總能耗的92%,其中固體燃料約占70%,液體燃料約占20%,氣體燃料約占10%,電爐按臺數計算占45%,而能耗僅占工業爐總能耗的8%左右。可見燃料爐在我國工業爐中起著舉足輕重的作用。它必須滿足高產、優質、低耗、少污染的生產目標。本文從以下幾個方面介紹燃料爐的現狀、特點及發展趨勢。1大力發展煤自動燃燒技術加熱設備首先需要供給能源,選用何種燃料,影響工業爐的整體水平,是工業爐發展的基礎。能源是人類賴以生存、經濟發展和社會進步的重要物質基礎。當今世界,使用的一次能源主要是化石能源(煤炭、石油和天然氣),在中國所占的比例是90%以上。化石能源是不可再生的不潔凈能源,按不潔凈程度排序,依次為煤炭、石油、天然氣。世界與中國一次能源消費結構見表1。中國是煤炭資源豐富,而石油資源短缺的國家,從1993年起中國已成為石油進口國。見表2。中國石油消耗已超過日本,僅次于美國,成為全球第二大原油消耗國。到2004年,中國石油需求量將達3億t,而同期石油產量只能維持在1.6億t,供需缺口很大。液化石油氣也大量進口。我國常規能源的狀況見表3。從表3可知,我國煤炭可采儲量占全球的11.6%,是優勢之一,因此,我國以煤為主的能源政策將會長期存在下去。煤直接燃燒,加熱質量差,污染嚴重,將煤轉化成電或煤氣使用,是工業爐用煤的方向。目前,我國電力較緊張,2001~2005年的“十五”計劃低估了用電需求,嚴重影響了工業發展。因此,除了一些特殊工藝和設備必須用電外,很多企業仍在用煤或用煤制氣生產。限制了加熱裝備水平的提高和與國際接軌。建議:(1)合理組織工業爐的氣體燃料。我國有近800萬t標準煤的可燃氣體未充分利用,如:放散的高爐煤氣,未回收的轉爐煤氣,油田伴生氣等應合理組織,變廢為寶。(2)西氣東輸工程給東部、中部地區送來可觀的天然氣,應合理使用。(3)水電資源豐富,應大力開采、應用這種可再生的綠色能源,有效地優化我國的能源結構。(4)大力實施潔凈煤技術。煤的氣化是潔凈煤燃燒的核心技術。煤的氣化方法很多,國內多用固定床氣化方法。機械行業的大型企業的煤氣化爐多是建國初期蘇聯援建或仿制蘇式的固定床氣化方法,如一重、洛拖、長汽等企業。現在有的廠改燒天然氣,一些中、小型企業用清潔冷煤氣少,多用熱臟煤氣,生產出來的煤氣不凈化、不冷卻,直接供工業爐窯燃燒用。熱臟煤氣熱值低,煤氣壓力低,不能遠距離輸送,內含焦油、粉塵,不能實現自控,使用受到一定限制。但近期鑒于有些地區明令不許直接燒煤,而熱臟煤氣投資少、占地小、易上馬,受到一些企業的青睞。2我國能源相對失衡工業爐是耗能大戶,能源形勢嚴峻,節能是工業爐發展的關鍵。在商品經濟占主導地位的國家和社會里,能耗的高低直接反映在產品的成本和價值上,直接影響到產品的競爭能力和銷路,甚至影響到企業的發展和生存。我國能源的緊張與短缺已成定局,嚴重影響了經濟的發展。能源問題不但影響現在,而且影響將來。節約能源是實現可持續發展戰略目標的重要組成部分。目前,我國能源總量是世界第三大國,消費是世界第二大國。我國的能源消費已占世界總消費量的10%左右,而我國的經濟總量(GDP)只占全球的3.7%。日本、美國、德國的能源利用率分別高達57%、50%、40%,而我國只有32%。我國節能工作的統計值及計劃值見表4。以機械工業鍛造爐為例,熱效率很低,節能潛力很大,見表5。解決能源短缺靠兩手,一手是開源,一手是節流。根據我國的能源形勢,工業爐節能勢在必行。3環保環保措施環境保護是全人類都關心的話題,只有保護環境才能實現可持續發展。隨著環境污染的日趨嚴重,我國從法律上進行規范化,實行“一票否決制”,生產中環保不達標,實行限期改造、停產,甚至搬遷,因此在工業爐改造中環保是焦點。燃料燃燒過程中產生大量的煙塵、CO2、SO2、NOx等污染物,對大氣造成嚴重污染。大氣中的SO2,2/3來自煤的燃燒,1/5來自石油燃燒;NOx的90%來自燃料燃燒。燃料燃燒每年向大氣中排放上百億t的CO2,我國達30億t,占世界排放量的13.6%,其中,85%是燃煤的結果。世界CO2排放量的排行榜,見表6。CO2氣體的“溫室效應”造成地球氣溫升高,海平面升高,土地荒漠面積擴大,全球性的大面積干旱或洪澇災害,酷熱、嚴寒等災難性氣候發展率加快等等,嚴重威脅人類的發展和生存。SO2等污染物形成酸雨,對鋼制建筑物及森林、農作物等均有嚴重損害。做好環境保護的措施:3.1調整燃料結構不同燃料燃燒所生成的CO2數量不同,燃燒1kg煤炭產生的CO2,是天然氣的近2倍,是油的1.5倍。燃燒100億m3天然氣與燒同熱量煤炭比,減少CO22500萬t,SO220萬t,NOx12萬t。所以應盡可能選用天然氣、油或煤轉化成氣作燃料,淘汰直接燃煤。3.2采用先進燃燒技術NOx是在高溫燃燒條件下產生的,因此要:(1)組織好爐內燃燒,避免局部高溫;(2)采用高溫低氧燃燒技術。3.3節約能源、減少燃耗工業爐排放的污染物數量與燃燒的燃料量成正比,因此減少工業爐的燃料消耗量也就減少污染物的排放量。4原料質量與消耗的矛盾滿足工藝要求,保證加熱工件質量是工業加熱的根本。有些工廠因無科學的加熱制度,雖然生產的工件表面精度達到要求,但內部金相組織卻不符合技術標準。一些工件加熱溫度不均,工件在爐內停留時間過長,造成工件過燒、氧化脫碳等,嚴重影響產品質量。以熱處理為例,歐美等發達國家普及少無氧化加熱,而我國空氣加熱爐約占熱處理設備的90%以上。由于大量工件在空氣中加熱,氧化脫碳嚴重,不但每年浪費百萬t以上鋼材,而且影響產品質量,尤其是表面質量。有些工廠產量、質量、消耗之間常發生矛盾,例如:要提高產量,必須提高整個工業爐的溫度水平,重點是爐子的加熱段(連續爐為加熱段,間歇爐為加熱期)的溫度水平,這就易產生質量問題,如氧化燒損增加,形成過熱過燒,甚至燒化和燒毀;從另一角度談,為提高加熱質量,減少表面與中心的溫差和提高整體的溫度均勻性,必須延長均熱段的長度或均熱的時間(間歇爐),這就減少了產量,造成質量與產量的矛盾。同時燃耗增加,質量與消耗也發生矛盾。在諸矛盾中,質量是第一位的,只有在保證質量的前提下,其它指標才有意義。5技術安全工業爐設備是各項技術的載體,其水平是完成各項技術經濟指標的保證。5.1爐溫波動大、加熱質量差、加熱時間小的不能收放在機械行業中,先進的爐型所占比重不大,絕大多數為上世紀50~60年代的結構形式,例如數以萬計的鍛造加熱爐,大多燒煤,且室式爐居多,爐溫波動較大,加熱質量差,熱效率低,一般低于5%。目前,不少工業爐手工操作很多,包括加煤、裝出料、開啟爐門等,因此應積極提高工業爐的機械化水平。5.2煤粉燃燒裝置燃燒裝置是燃料爐的“心臟”,要求它高效、節能和高性能。燃氣燃燒裝置中,上世紀70年代以前多為高壓噴射式燒嘴,約占50%以上,其余多為低壓渦流式,新型燒嘴只占6%。燃油燃燒裝置中,多采用低壓空氣霧化油嘴,如R型、RK型,后來的F型自動比例調節燒嘴,新型燃燒裝置有平焰、高速、自身預熱等燒嘴。固體燃料的燃燒裝置,人工加煤:簡易燃燒室,層狀燃燒。機械加煤:往復爐排、鏈條爐排、下飼式、蠕動式爐排等燃煤機。煤粉燃燒裝置,有磨煤機和可調式燃煤燒嘴。從上世紀80年代至今,我國成功地自行開發、研制了多種適合國情的燃燒裝置,如:平焰燒嘴、高速燒嘴、自身預熱燒嘴、低氧化氮燒嘴、蓄熱式燒嘴等。除了高效節能外,同時要求高性能,即能滿足多種工藝要求,保證產品質量,同時實現低污染,保證溫度均勻性,滿足加熱溫度曲線,控制爐內氣氛等。這些高性能燒嘴得到推廣使用。平焰燒嘴:火焰呈圓盤形狀,利用火焰的大面積直接輻射,升溫速度快,爐溫高,爐子熱惰性小,特別適合在高(中)溫爐上使用,在周期爐上使用更有特殊意義。高速燒嘴:利用出口氣流的高速(>100m/s)攪動,升溫快,爐溫均勻,排煙口對爐內溫度場影響很小,爐膛結構簡單,適合中低溫爐。自身預熱燒嘴:是一種把燃燒器、換熱器、排煙裝置合為一體的燃燒裝置,它不但供給爐子熱量,而且利用煙氣余熱,達到節能的目的。蓄熱式燒嘴:它由一對燒嘴、一對蓄熱體、切換閥和相關控制系統組成,一個燒嘴和一個蓄熱體為一組,兩組輪換使用,空氣預熱溫度高,節能。高溫低氧燃燒,近年來得到一定的研究和應用。高溫低氧燃燒,就是在高溫條件下,爐膛中的氧含量大大少于空氣中正常含氧量,在整個爐膛中進行迷漫性的空間燃燒,不形成傳統的矩形火焰,燃燒完全,溫度均勻,加熱質量好,煙氣中NOx含量很低。5.3提高爐體質量近幾十年來,我國研制和推廣了一系列“二高一輕”即高溫、高強和輕質的爐用材料。如:耐火纖維、輕質或超輕質高溫、高強度耐火材料。工業爐爐襯的蓄熱和散熱,一般占爐子總能耗的20%~45%,選用耐高溫、容重小、導熱系數低的耐火纖維代替耐火磚做爐襯,可減少爐體的蓄熱和散熱損失,提高熱效率,節約能源35%左右。同時,無拱頂推力,爐門輕,爐子骨架負荷大為減少,可節約建爐鋼材1/3左右,同時可簡化爐體基礎。由于爐襯熱容量小,爐子升溫快,有利操作周期的縮短,爐子作業率和熱效率的提高,使爐子同時獲得節能、增效的目的。(1)爐溫對制品的性能要求長期使用溫度,是選擇材質的最重要條件,當然也應注意氣氛。耐火纖維:目前我國已有適用于1000℃、1100℃、1200℃、1250℃不同爐溫的制品。這些耐火纖維可以根據需要,制成不同形狀和規格,如纖維氈、毯、板等。輕質硅鈣板:是一種優質輕型保溫材料,具有強度高、容重小、隔熱性能好等優點。耐火澆注料:是不定形耐火材料,也稱散狀料,具有澆注后爐體整體性能好,耐火性能高,施工方便,壽命長等優點。是替代普通耐火磚,提高爐子砌體水平的新型耐火材料。目前高溫爐使用較多。(2)雙組分纖維網爐襯根據需要采用不同爐襯結構。耐火纖維爐襯結構一般有兩種:一種是在原耐火磚爐襯結構表面粘貼50mm左右耐火纖維;另一種是爐襯全部采用耐火纖維,稱作全耐火纖維爐襯結構。全耐火纖維爐襯施工有層鋪式結構和疊板式結構,還可在耐火纖維表面噴涂耐高溫涂料等提高抗沖刷能力。國內使用疊板式結構較多,可消除其它方法產生的接縫,施工速度快。5.4余熱回收的主要特點工業爐在完成工藝任務時,產生大量余熱,如不即時回收利用,馬上“煙消熱散”,不可再利用。燃料爐中煙氣帶走的熱量占總供熱量的30%~70%,充分回收余熱,節約燃料,是爐子節能的重要途徑。一般助燃空氣溫度每提高100℃,可節約燃料5%。據調查(1億t耗能基數)可回收的余熱資源占工業爐能耗量的12.5%。目前,余熱回收存在“五多五少”現象:(1)資源多,回收少,余熱回收率僅25%;(2)煙氣余熱資源多,占80%,其它形態載體資源少;(3)高溫煙氣的余熱資源多,中溫煙氣的余熱資源少;(4)余熱回收自身利用的多,其它利用的少;(5)余熱回收裝置一般的多,高效的少。回收余熱的方法很多,其中采用換熱器預熱助燃空氣,能提高爐子熱效率,且能與爐子生產時間同步,因而被廣泛采用。衡量換熱器性能的好壞,要看綜合指標,主要性能要求是:(1)傳熱系數高,即在同樣換熱條件下,當預熱溫度一樣時,其換熱面積大,體積小,成本低,價格便宜;(2)壁溫低,使用壽命長;(3)預熱介質和煙氣的流動壓力損失小;(4)單位體積的傳熱面積大,單位體積的設備重量輕。這4項性能要求是有矛盾的,但設計得好可以統一起來,高效、長壽、低阻、緊湊是可以實現的。目前用得較多的換熱器有:輻射換熱器:以輻射傳熱為主,用于排出的煙氣溫度>800℃的爐子。機械工業第五設計研究院對此進行過系統研究,獲得機械部科技進步獎,已形成系列,成功地用于上千臺爐子上,獲得很好的經濟效益。噴流換熱器:以對流傳熱為主,主要用于中溫爐上,是將被預熱介質高速噴吹到換熱器換熱管壁上,因而提高了傳熱系數,換熱效率高,但阻力損失大。板式換熱器:以對流傳熱為主,主要用于中溫爐上。其結構是將耐熱鋼板沖壓成型,兩塊鋼板焊接成一個換熱單元,由多個換熱單元組成換熱器。具有單位體積小、換熱面大、阻力損失小等優點。管式換熱器:是以對流換熱為主的換熱器,適用于煙氣溫度1000℃以下,管子材質根據不同煙氣溫度可選用耐熱鋼、不銹鋼、滲鋁鋼管和普通鋼管。管式換熱器形式很多,現有一種“附壁流管式換熱器”,預熱介質流股與管壁平行流動,中心流速低,管壁附近流速高,將附面層大面積清掃掉,大大提高了氣流對流給熱系數,降低換