淺談工業(yè)爐的技術(shù)與發(fā)展

淺談工業(yè)爐的技術(shù)與發(fā)展

0可持續(xù)發(fā)展是將大力發(fā)展工業(yè)爐,發(fā)展符合時(shí)代發(fā)展的根本要求工業(yè)爐是工業(yè)加熱的重要設(shè)備。廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各界。它體積大、面廣、品多、影響大。工業(yè)加熱是制造業(yè)的重要組成部分,制造業(yè)是工業(yè)的主體。我國(guó)制造業(yè)占GDP比重的1/3,占工業(yè)的78.2%。以鍛造生產(chǎn)為例,2003年年產(chǎn)鍛件約250萬(wàn)t,供制造業(yè)務(wù)部門(mén)使用,其水平直接影響到汽車等支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)爐加熱技術(shù)及裝備水平對(duì)滿足工藝要求,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,合理利用能源,保護(hù)環(huán)境,改善勞動(dòng)條件,實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)等都有很大的影響。上世紀(jì)末,聯(lián)合國(guó)會(huì)議提出了“可持續(xù)發(fā)展”的嶄新觀念。具體地說(shuō),是要建立信息意識(shí)、科技意識(shí)、市場(chǎng)意識(shí)、資源意識(shí)和環(huán)境意識(shí)。這是人類發(fā)展觀念的根本轉(zhuǎn)變?？沙掷m(xù)發(fā)展觀念不是權(quán)宜之計(jì),而應(yīng)成為每一個(gè)國(guó)家的國(guó)策。工業(yè)爐的發(fā)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(yè)的總需求同步前進(jìn)。工業(yè)加熱技術(shù),與人類文明的三大支柱——能源、材料、信息息息相關(guān),它是燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科交叉的科學(xué),可以說(shuō)工業(yè)爐是高技術(shù)的載體,從某種意義講,工業(yè)爐的技術(shù)水平反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)的綜合水平,工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不予以高度關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國(guó)12個(gè)行業(yè)縣以上企業(yè),工業(yè)爐裝備11萬(wàn)臺(tái)以上,機(jī)械行業(yè)占7.5萬(wàn)臺(tái)(占爐窯總數(shù)66%)。工業(yè)爐中燃料爐約6萬(wàn)臺(tái),占爐窯總數(shù)55%以上,電爐約5萬(wàn)臺(tái)。工業(yè)爐是耗能大戶,能耗占全國(guó)總能耗的1/4,占工業(yè)總能耗的60%。工業(yè)爐中燃料爐能耗占工業(yè)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(tái)數(shù)計(jì)算占45%,而能耗僅占工業(yè)爐總能耗的8%左右?？梢?jiàn)燃料爐在我國(guó)工業(yè)爐中起著舉足輕重的作用。它必須滿足高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、少污染的生產(chǎn)目標(biāo)。本文從以下幾個(gè)方面介紹燃料爐的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。1大力發(fā)展煤自動(dòng)燃燒技術(shù)加熱設(shè)備首先需要供給能源,選用何種燃料,影響工業(yè)爐的整體水平,是工業(yè)爐發(fā)展的基礎(chǔ)。能源是人類賴以生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)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(guó)所占的比例是90%以上?；茉词遣豢稍偕牟粷崈裟茉?按不潔凈程度排序,依次為煤炭、石油、天然氣。世界與中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。中國(guó)是煤炭資源豐富,而石油資源短缺的國(guó)家,從1993年起中國(guó)已成為石油進(jìn)口國(guó)。見(jiàn)表2。中國(guó)石油消耗已超過(guò)日本,僅次于美國(guó),成為全球第二大原油消耗國(guó)。到2004年,中國(guó)石油需求量將達(dá)3億t,而同期石油產(chǎn)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(jìn)口。我國(guó)常規(guī)能源的狀況見(jiàn)表3。從表3可知,我國(guó)煤炭可采儲(chǔ)量占全球的11.6%,是優(yōu)勢(shì)之一,因此,我國(guó)以煤為主的能源政策將會(huì)長(zhǎng)期存在下去。煤直接燃燒,加熱質(zhì)量差,污染嚴(yán)重,將煤轉(zhuǎn)化成電或煤氣使用,是工業(yè)爐用煤的方向。目前,我國(guó)電力較緊張,2001~2005年的“十五”計(jì)劃低估了用電需求,嚴(yán)重影響了工業(yè)發(fā)展。因此,除了一些特殊工藝和設(shè)備必須用電外,很多企業(yè)仍在用煤或用煤制氣生產(chǎn)。限制了加熱裝備水平的提高和與國(guó)際接軌。建議:(1)合理組織工業(yè)爐的氣體燃料。我國(guó)有近800萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的可燃?xì)怏w未充分利用,如:放散的高爐煤氣,未回收的轉(zhuǎn)爐煤氣,油田伴生氣等應(yīng)合理組織,變廢為寶。(2)西氣東輸工程給東部、中部地區(qū)送來(lái)可觀的天然氣,應(yīng)合理使用。(3)水電資源豐富,應(yīng)大力開(kāi)采、應(yīng)用這種可再生的綠色能源,有效地優(yōu)化我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)。(4)大力實(shí)施潔凈煤技術(shù)。煤的氣化是潔凈煤燃燒的核心技術(shù)。煤的氣化方法很多,國(guó)內(nèi)多用固定床氣化方法。機(jī)械行業(yè)的大型企業(yè)的煤氣化爐多是建國(guó)初期蘇聯(lián)援建或仿制蘇式的固定床氣化方法,如一重、洛拖、長(zhǎng)汽等企業(yè)?，F(xiàn)在有的廠改燒天然氣,一些中、小型企業(yè)用清潔冷煤氣少,多用熱臟煤氣,生產(chǎn)出來(lái)的煤氣不凈化、不冷卻,直接供工業(yè)爐窯燃燒用。熱臟煤氣熱值低,煤氣壓力低,不能遠(yuǎn)距離輸送,內(nèi)含焦油、粉塵,不能實(shí)現(xiàn)自控,使用受到一定限制。但近期鑒于有些地區(qū)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(yè)的青睞。2我國(guó)能源相對(duì)失衡工業(yè)爐是耗能大戶,能源形勢(shì)嚴(yán)峻,節(jié)能是工業(yè)爐發(fā)展的關(guān)鍵。在商品經(jīng)濟(jì)占主導(dǎo)地位的國(guó)家和社會(huì)里,能耗的高低直接反映在產(chǎn)品的成本和價(jià)值上,直接影響到產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力和銷路,甚至影響到企業(yè)的發(fā)展和生存。我國(guó)能源的緊張與短缺已成定局,嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。能源問(wèn)題不但影響現(xiàn)在,而且影響將來(lái)。節(jié)約能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的重要組成部分。目前,我國(guó)能源總量是世界第三大國(guó),消費(fèi)是世界第二大國(guó)。我國(guó)的能源消費(fèi)已占世界總消費(fèi)量的10%左右,而我國(guó)的經(jīng)濟(jì)總量(GDP)只占全球的3.7%。日本、美國(guó)、德國(guó)的能源利用率分別高達(dá)57%、50%、40%,而我國(guó)只有32%。我國(guó)節(jié)能工作的統(tǒng)計(jì)值及計(jì)劃值見(jiàn)表4。以機(jī)械工業(yè)鍛造爐為例,熱效率很低,節(jié)能潛力很大,見(jiàn)表5。解決能源短缺靠?jī)墒?一手是開(kāi)源,一手是節(jié)流。根據(jù)我國(guó)的能源形勢(shì),工業(yè)爐節(jié)能勢(shì)在必行。3環(huán)保環(huán)保措施環(huán)境保護(hù)是全人類都關(guān)心的話題,只有保護(hù)環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。隨著環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,我國(guó)從法律上進(jìn)行規(guī)范化,實(shí)行“一票否決制”,生產(chǎn)中環(huán)保不達(dá)標(biāo),實(shí)行限期改造、停產(chǎn),甚至搬遷,因此在工業(yè)爐改造中環(huán)保是焦點(diǎn)。燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的煙塵、CO2、SO2、NOx等污染物,對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染。大氣中的SO2,2/3來(lái)自煤的燃燒,1/5來(lái)自石油燃燒;NOx的90%來(lái)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(guó)達(dá)30億t,占世界排放量的13.6%,其中,85%是燃煤的結(jié)果。世界CO2排放量的排行榜,見(jiàn)表6。CO2氣體的“溫室效應(yīng)”造成地球氣溫升高,海平面升高,土地荒漠面積擴(kuò)大,全球性的大面積干旱或洪澇災(zāi)害,酷熱、嚴(yán)寒等災(zāi)難性氣候發(fā)展率加快等等,嚴(yán)重威脅人類的發(fā)展和生存。SO2等污染物形成酸雨,對(duì)鋼制建筑物及森林、農(nóng)作物等均有嚴(yán)重?fù)p害。做好環(huán)境保護(hù)的措施:3.1調(diào)整燃料結(jié)構(gòu)不同燃料燃燒所生成的CO2數(shù)量不同,燃燒1kg煤炭產(chǎn)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(wàn)t,SO220萬(wàn)t,NOx12萬(wàn)t。所以應(yīng)盡可能選用天然氣、油或煤轉(zhuǎn)化成氣作燃料,淘汰直接燃煤。3.2采用先進(jìn)燃燒技術(shù)NOx是在高溫燃燒條件下產(chǎn)生的,因此要:(1)組織好爐內(nèi)燃燒,避免局部高溫;(2)采用高溫低氧燃燒技術(shù)。3.3節(jié)約能源、減少燃耗工業(yè)爐排放的污染物數(shù)量與燃燒的燃料量成正比,因此減少工業(yè)爐的燃料消耗量也就減少污染物的排放量。4原料質(zhì)量與消耗的矛盾滿足工藝要求,保證加熱工件質(zhì)量是工業(yè)加熱的根本。有些工廠因無(wú)科學(xué)的加熱制度,雖然生產(chǎn)的工件表面精度達(dá)到要求,但內(nèi)部金相組織卻不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一些工件加熱溫度不均,工件在爐內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成工件過(guò)燒、氧化脫碳等,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。以熱處理為例,歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家普及少無(wú)氧化加熱,而我國(guó)空氣加熱爐約占熱處理設(shè)備的90%以上。由于大量工件在空氣中加熱,氧化脫碳嚴(yán)重,不但每年浪費(fèi)百萬(wàn)t以上鋼材,而且影響產(chǎn)品質(zhì)量,尤其是表面質(zhì)量。有些工廠產(chǎn)量、質(zhì)量、消耗之間常發(fā)生矛盾,例如:要提高產(chǎn)量,必須提高整個(gè)工業(yè)爐的溫度水平,重點(diǎn)是爐子的加熱段(連續(xù)爐為加熱段,間歇爐為加熱期)的溫度水平,這就易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題,如氧化燒損增加,形成過(guò)熱過(guò)燒,甚至燒化和燒毀;從另一角度談,為提高加熱質(zhì)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(zhǎng)均熱段的長(zhǎng)度或均熱的時(shí)間(間歇爐),這就減少了產(chǎn)量,造成質(zhì)量與產(chǎn)量的矛盾。同時(shí)燃耗增加,質(zhì)量與消耗也發(fā)生矛盾。在諸矛盾中,質(zhì)量是第一位的,只有在保證質(zhì)量的前提下,其它指標(biāo)才有意義。5技術(shù)安全工業(yè)爐設(shè)備是各項(xiàng)技術(shù)的載體,其水平是完成各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的保證。5.1爐溫波動(dòng)大、加熱質(zhì)量差、加熱時(shí)間小的不能收放在機(jī)械行業(yè)中,先進(jìn)的爐型所占比重不大,絕大多數(shù)為上世紀(jì)50~60年代的結(jié)構(gòu)形式,例如數(shù)以萬(wàn)計(jì)的鍛造加熱爐,大多燒煤,且室式爐居多,爐溫波動(dòng)較大,加熱質(zhì)量差,熱效率低,一般低于5%。目前,不少工業(yè)爐手工操作很多,包括加煤、裝出料、開(kāi)啟爐門(mén)等,因此應(yīng)積極提高工業(yè)爐的機(jī)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(jié)能和高性能。燃?xì)馊紵b置中,上世紀(jì)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(lái)的F型自動(dòng)比例調(diào)節(jié)燒嘴,新型燃燒裝置有平焰、高速、自身預(yù)熱等燒嘴。固體燃料的燃燒裝置,人工加煤:簡(jiǎn)易燃燒室,層狀燃燒。機(jī)械加煤:往復(fù)爐排、鏈條爐排、下飼式、蠕動(dòng)式爐排等燃煤機(jī)。煤粉燃燒裝置,有磨煤機(jī)和可調(diào)式燃煤燒嘴。從上世紀(jì)80年代至今,我國(guó)成功地自行開(kāi)發(fā)、研制了多種適合國(guó)情的燃燒裝置,如:平焰燒嘴、高速燒嘴、自身預(yù)熱燒嘴、低氧化氮燒嘴、蓄熱式燒嘴等。除了高效節(jié)能外,同時(shí)要求高性能,即能滿足多種工藝要求,保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)低污染,保證溫度均勻性,滿足加熱溫度曲線,控制爐內(nèi)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(pán)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(dòng),升溫快,爐溫均勻,排煙口對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)影響很小,爐膛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合中低溫爐。自身預(yù)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(dá)到節(jié)能的目的。蓄熱式燒嘴:它由一對(duì)燒嘴、一對(duì)蓄熱體、切換閥和相關(guān)控制系統(tǒng)組成,一個(gè)燒嘴和一個(gè)蓄熱體為一組,兩組輪換使用,空氣預(yù)熱溫度高,節(jié)能。高溫低氧燃燒,近年來(lái)得到一定的研究和應(yīng)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(gè)爐膛中進(jìn)行迷漫性的空間燃燒,不形成傳統(tǒng)的矩形火焰,燃燒完全,溫度均勻,加熱質(zhì)量好,煙氣中NOx含量很低。5.3提高爐體質(zhì)量近幾十年來(lái),我國(guó)研制和推廣了一系列“二高一輕”即高溫、高強(qiáng)和輕質(zhì)的爐用材料。如:耐火纖維、輕質(zhì)或超輕質(zhì)高溫、高強(qiáng)度耐火材料。工業(yè)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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)約能源35%左右。同時(shí),無(wú)拱頂推力,爐門(mén)輕,爐子骨架負(fù)荷大為減少,可節(jié)約建爐鋼材1/3左右,同時(shí)可簡(jiǎn)化爐體基礎(chǔ)。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(yè)率和熱效率的提高,使?fàn)t子同時(shí)獲得節(jié)能、增效的目的。(1)爐溫對(duì)制品的性能要求長(zhǎng)期使用溫度,是選擇材質(zhì)的最重要條件,當(dāng)然也應(yīng)注意氣氛。耐火纖維:目前我國(guó)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(jù)需要,制成不同形狀和規(guī)格,如纖維氈、毯、板等。輕質(zhì)硅鈣板:是一種優(yōu)質(zhì)輕型保溫材料,具有強(qiáng)度高、容重小、隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。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(wǎng)爐襯根據(jù)需要采用不同爐襯結(jié)構(gòu)。耐火纖維爐襯結(jié)構(gòu)一般有兩種:一種是在原耐火磚爐襯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。全耐火纖維爐襯施工有層鋪式結(jié)構(gòu)和疊板式結(jié)構(gòu),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(guó)內(nèi)使用疊板式結(jié)構(gòu)較多,可消除其它方法產(chǎn)生的接縫,施工速度快。5.4余熱回收的主要特點(diǎn)工業(yè)爐在完成工藝任務(wù)時(shí),產(chǎn)生大量余熱,如不即時(shí)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(jié)約燃料,是爐子節(jié)能的重要途徑。一般助燃空氣溫度每提高100℃,可節(jié)約燃料5%。據(jù)調(diào)查(1億t耗能基數(shù))可回收的余熱資源占工業(yè)爐能耗量的12.5%。目前,余熱回收存在“五多五少”現(xiàn)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(tài)載體資源少;(3)高溫?zé)煔獾挠酂豳Y源多,中溫?zé)煔獾挠酂豳Y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?；厥沼酂岬姆椒ê芏?其中采用換熱器預(yù)熱助燃空氣,能提高爐子熱效率,且能與爐子生產(chǎn)時(shí)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(biāo),主要性能要求是:(1)傳熱系數(shù)高,即在同樣換熱條件下,當(dāng)預(yù)熱溫度一樣時(shí),其換熱面積大,體積小,成本低,價(jià)格便宜;(2)壁溫低,使用壽命長(zhǎng);(3)預(yù)熱介質(zhì)和煙氣的流動(dòng)壓力損失小;(4)單位體積的傳熱面積大,單位體積的設(shè)備重量輕。這4項(xiàng)性能要求是有矛盾的,但設(shè)計(jì)得好可以統(tǒng)一起來(lái),高效、長(zhǎng)壽、低阻、緊湊是可以實(shí)現(xiàn)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(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院對(duì)此進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究,獲得機(jī)械部科技進(jìn)步獎(jiǎng),已形成系列,成功地用于上千臺(tái)爐子上,獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。噴流換熱器:以對(duì)流傳熱為主,主要用于中溫爐上,是將被預(yù)熱介質(zhì)高速噴吹到換熱器換熱管壁上,因而提高了傳熱系數(shù),換熱效率高,但阻力損失大。板式換熱器:以對(duì)流傳熱為主,主要用于中溫爐上。其結(jié)構(gòu)是將耐熱鋼板沖壓成型,兩塊鋼板焊接成一個(gè)換熱單元,由多個(gè)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(yōu)點(diǎn)。管式換熱器:是以對(duì)流換熱為主的換熱器,適用于煙氣溫度1000℃以下,管子材質(zhì)根據(jù)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(xiàn)有一種“附壁流管式換熱器”,預(yù)熱介質(zhì)流股與管壁平行流動(dòng),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(duì)流給熱系數(shù),降低換