中国工业炉现状及展望

中国工业炉现状及展望工业炉是能源消耗的直接载体，肩负着国家节能减排战略的重要使命。报告仅从工业炉节能角度讨论工业炉的能源利用现状及发展中面临的问题。【引言】二、我国工业炉的发展趋势一、我国工业炉的现状1.2国内工业炉的能源消耗情况1.1国内工业炉的构成概况1.3国内工业炉的技术情况一、我国工业炉的现状主要内容：1.1国内工业炉的概况工业炉是在工业生产中，利用燃料燃烧或电能转化的热量，将物料或工件加热的热工设备。一般地，钢铁冶金、有色金属、机电行业、化工行业称为工业炉,而在耐火材料、玻璃、水泥、搪瓷等行业则称为工业窑炉。工业炉按供热方式分为两类：一类是火焰炉(或称燃料炉)，第二类是电炉。工业炉的定义及分类：各行业工业炉名称及数量：

工业炉是工业加热的关键设备，广泛应用于机械、冶金、化工及陶瓷等国民经济的各行各业，量大面广，品种繁多。（1）冶金行业：高炉热风炉、焦炉及各类烧结炉窑；加热炉、均热炉等轧钢用炉；各类热处理炉及烘烤设备。（2）机械行业：铸造车间有熔炼金属的冲天炉等；锻压车间有各种加热炉以及热处理炉；焊接车间有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉等。

（3）其他行业：石油工业的蒸馏炉和裂化炉；煤气工业的发生炉；耐火制品行业的隧道窑、梭式窑；硅酸盐工业的水泥窑和玻璃熔化、玻璃退火炉；食品工业的烘烤炉等。从工业炉的产量和拥有量来看，在世界上我国堪称“工业炉大国”。我国共有各类工业炉约12万台。工业炉中燃料炉约6.6万台，占炉窑总数的55%以上，电炉约5万台。机械行业炉窑约7.5万台，占炉窑总数的66%；冶金行业拥有各类工业炉1万余台，约占总数10%左右；陶瓷、建材、耐材行业拥有各类炉窑15000台，约占总数的12%左右。石油化工行业有各类工业炉窑4000台以上，约占总数的4%左右。

工业炉是我国的能耗大户，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%，位居发电、供热之后第三位。工业炉中燃料炉能耗占工业炉总能耗的92%，其中固体燃料约70%左右，其它为气体和液体燃料。电炉按台数计算占45%，而能耗仅占工业炉总能耗的8%左右。

1.2

我国工业炉能耗情况

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70-80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。我国是世界上第一钢铁大国，冶金工业炉的能量利用水平参差不齐。以连续轧钢加热炉为例，大型钢铁联合企业的炉子热效率达到40%以上，部分炉子已达到甚至超过了国外发达国家水平，但非钢铁联合企业的加热炉效率均在40%以下，发生炉煤气加热炉的热效率在35%左右，直燃煤炉的热效率仅为10%-20%。我国是世界上机械制造大国，但机械行业各类工业炉的热效率的平均水平与发达国家相比差距甚大。我国机械行业中，先进的炉型所占比重不大，绝大多数为上世纪50-60年代的结构形式，例如数以万计的锻造加热炉，大多数烧煤，且室式炉居多，炉温波动较大，加热质量差，热效率低。如我国锻造加热炉的单耗高达0.7kg标煤/kg，热效率只有3%～10%；而日本、英国等发达国家的锻造加热炉的单耗只有0.15kg标煤/kg，热效率可达20%以上。

1.3

国内工业炉的技术现状2.2大力推进工业炉先进节能技术，促进工业炉技术进步2.1调整工业炉能源结构，燃气取代燃煤，将使工业炉节能减排获重大突破2.3着力推广蓄热式燃烧技术等先进的节能技术，促进工业炉节能减排2.4中国工业炉产业化发展历程及现存问题二、中国工业炉的发展趋势主要内容：

2.1调整工业炉能源结构，燃气取代燃煤，将使工业炉节能减排获重大突破图2.1中国与世界能源消费比例对比图

我国工业炉的能源结构是以煤为主的，燃煤工业炉占工业炉总能耗的70%，燃油、燃气炉仅为20%左右。目前绝大部分燃煤炉的炉型落后，污染严重，热效率低，不利于先进节能技术的应用，严重制约我国工业炉节能减排的总体水平，成为瓶颈性问题。要想工业炉节能减排战略目标实现，调整工业炉能源结构势在必行，它是实现我国工业炉从“蒸汽机”向“内燃机”转变的引擎。国家或地区储量（世界天然气储量约145万亿m3）产量（或消耗量）（世界天然气产量约23388亿m3）在各种能源中比重分布美国4.7万亿m37075亿m325.5%占世界的3.24%日本约800亿m330%俄罗斯36.3万亿m3除供本国使用外，还向欧洲、日本等国出口约25%中国约38万亿m3238亿m3（1999年）3.6%（在机械行业中<1%）天然气田83个，占世界储量的25%左右。陆地气田储量28万亿，海洋气田储量10万亿，东部11.5%，中部30.3%，西部28.2%，近海21.4%，南方8.6%（西部开发53%）

表2.1几个主要国家天然气能源发展概况

我国天然气发展应用前景分析

天然气能源是一种一次能源，天然气在给用户供气之前已经过净化处理，因而天然气是一种优质、清洁的燃料能源。目前，天然气1/3作为化工原料，2/3作为燃料使用。近来，我国的天然气资源的发现有了重大突破，已多处发现大型天然气田构造，总储量约达38亿万m3

以上，占世界储量的25%左右。天然气消费增长2010年，我国天然气表观消费量突破千亿立方米大关，达到1070.3亿立方米，同比增长22.57%。专家预计，“十二五”期间，随着气化率的提高，我国天然气消费量将继续呈快速增长趋势。

天然气供应提升

天然气供气格局预计，“十二五”末我国天然气总供应量将在2220立米到2400亿立方米之间。根据“十二五”规划，到2015年我国天然气产量达到1500亿立方米，再加上进口天然气作为补充，基本可以保持供需平衡格局。未来我国将逐渐形成国产气为主，进口气为辅的多气源资源保障体系，初步形成页岩气、天然气、煤层气、煤制气协调发展的供气格局。

十二五末我国天然气供需以及发展趋势

积极采用天然气能源，综合利用和开发天然气资源，将促进我国工业炉产品结构调整，建立新型的工业炉技术体系，促进我国工业炉行业的发展，有着良好的经济效益和社会效益，意义重大。天然气工业炉技术开发的前景十分广阔。按国家“十一五”节能减排规划，年单位GDP能耗减少4%，“十一五”期间节能目标20%。如果按此比例，工业炉年节能目标为0.52亿tce。而燃煤工业炉年总耗能为1.82亿tce，如果用先进的蓄热式高温空气燃烧技术改造这类炉窑，按节能50%计算，可实现年节能0.91亿tce，超额完成国家节能减排的战略目标。燃气加热炉的发展前景

2.2大力推进工业炉先进节能技术，促进工业炉技术

进步。主要措施：

（1）强化炉内传热为核心，优化工业炉整体设计

（2）推广蓄热式高温空气燃烧技术等先进的节能技术，扩大技术应用领域

（3）采用轻型炉衬材料，优化炉衬结构

（4）注重炉子结构与操作的和谐统一，实现工业炉科学操作1.强化炉内传热为核心，优化工业炉整体设计

（1）炉子的核心问题是炉内传热问题，强化炉内热交换是根本的节能途径。美国金属学会热处理分会近期公布了“热处理技术发展路线图”，提出了美国热处理2020年设想和远期目标：能源消耗减少80%，工艺周期缩短50%，生产成本降低75%，热处理实现零畸变，加热炉价格降低50%，实现生产零污染。这些目标的核心是研究炉内传热问题，如炉内定向辐射代替漫反射及控制实现等。

（2）强化炉内传热的技术：富氧燃烧技术、脉冲燃烧技术、蓄热式燃烧技术及强化传热技术。

强化炉内传热技术永远是工业炉节能前瞻性主题。②采用富氧燃烧技术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、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。①采用高温空气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%，接近极限地回收烟气余热。2.推广蓄热式高温空气燃烧技术等先进的节能技术，扩大技术应用领域③采用脉冲燃烧技术。脉冲燃烧技术是高速气流燃烧技术与脉冲控制技术的联合应用，可使燃烧器在燃烧过程始终在最佳状态下工作，通过控制实现炉内强烈的气体循环，增加炉内对流传热量和炉温均匀温度，尤其适合中低热处理炉子的应用。三大主体技术与国外相比仍存在较大差距。

工业炉炉衬的蓄热和散热，一般占炉子总能耗的20%～45%，选用耐高温、容重小、导热系数低的耐火纤维代替耐火砖做炉衬，可减少炉体的蓄热和散热损失，提高热效率，节约能源35%左右。同时，无拱顶推力，炉门轻，炉子骨架负荷大为减少，可节约建炉钢材1/3左右，同时可简化炉体基础。由于炉衬热容量小，炉子升温快，有利操作周期的缩短，炉子作业率和热效率的提高，使炉子同时获得节能、增效的目的。

目前，国外轻质炉衬已普遍使用，国内仅在低温热处理炉上获得应用，在加热炉上的全纤维炉衬加热炉不足5%。

轻质炉体节能显著，应给予高度重视。3.采用轻型炉衬材料，优化炉衬结构4.注重炉子结构与操作的和谐统一，实现工业炉科学操作

根据工业炉的热工特性，工业炉节能包括结构节能与操作节能。操作因素的影响占有相当的比重。要注意三个层面的操作节能问题：（1）对于人工操作的炉子，要注意炉子工作的经济点，减少空烧。（2）对于已具基础控制的炉子，动态过程的温度设定，空燃比调整十分重要。（3）实现炉子动态过程的数学模型化，即计算机二级最佳控制，达到真正意义的工业炉过程科学操作。工业炉自动化水平有待提高，尤其关键性应用技术。炉子结构参数热工操作参数热工过程参数炉子生产指标1.蓄热式高温燃烧技术的主要优势和取得的成绩

2.3着力推广蓄热式燃烧技术，促进工业炉节能减排

蓄热式高温燃烧技术的主要特点是烟气接近极限的余热回收和较高的换热温度效率，从而与传统的热换热器相比可实现20%-50%的节能效果，同时具有下列优点：•

节能潜力大，燃耗低；•炉温均匀，加热质量好；•

燃烧噪音低；•

氧化烧损少；•

烟气中NOx含量低，环境污染小；•使高炉煤气等低热值燃料可以用于各种工业炉。

自1997年开始，蓄热式燃烧技术开始在我国轧钢加热炉等加热设备上推广使用，并且发展迅速，目前据不完全统计，已在400多座加热炉上获得应用。尤其是空煤气双蓄热技术（中国创造）的使用，取得了节能、减排显著成果。2.蓄热式燃烧技术国内发展特点（1）冶金行业是该项技术应用的先行者。轧钢连续加热炉

为最早的应用对象。（2）民营公司和民营企业成为了该项技术推广和使用的先

行者。如北岛、神雾、力通、嘉德等民营工业炉企业，

萍乡、唐山国丰等民营钢铁企业。（3）大型国有企业反应迟钝。如国内几个大型的工业炉公司，大型国有钢铁企业。（4）在机械、建材等其他行业起步略晚，推广应用程度不高。用户炉型燃料燃烧方式烧嘴型式蓄热体设计单位使用情况及问题宝钢热轧厂步进炉混合煤气平焰烧嘴+单蓄热烧嘴美国套筒式小球单耗1.4GJ/t问题：①煤气热值低，蓄热式效果不明显②均热段大量平焰烧嘴马钢中板厂推钢炉高炉煤气双蓄热左右喷口布置小球较好问题：设副烟道，炉压高，有爆燃现象济钢推钢炉混合煤气双蓄热左右喷口布置小球问题较多，单耗不清问题：①喷口过大，混合不好，排烟含碳量高②蓄热室排烟不足首钢推钢炉混合煤气单蓄热自制套筒式小球问题较多，单耗不清问题：①蓄热室排烟不足②有副烟道，炉压大③炉况较差首秦步进炉高炉煤气双蓄热上下喷口布置蜂窝体单耗高2.4GJ/t问题：①炉压大②副烟道不灵③操作不当④蓄热室排烟不足蓄热式燃烧技术在国内获得迅猛的发展，同时也带来了诸多负面问题。为了深入了解国内蓄热燃烧技术的使用情况，对宝钢、马钢、济钢、首钢、首秦5家企业的蓄热式炉进行了调研。总体情况：由于设计和操作上的原因，使五家的蓄热式加热炉均未收到应有节能效果，致使有些钢铁企业对蓄热式技术达到了谈虎色变的程度。3.蓄热式燃烧技术存在的问题（1）蓄热式技术的推广是在民营企业开始的，由于研发能力的不足使理论研究和应用脱节。在缺乏大量中间实验的环节下，使蓄热式技术“带病”投入应用。（2）由于市场条件下，各企业间的竞争激烈，忽视蓄热式技术关键性问题的研究和解决，只为市场寻找卖点，出现了诸如“内置式与外置式的争论”、“小球与蜂窝体的争论”、“分散换向与集中换向的争论”，最终引起了应用中的许多失误。（3）目前国内蓄热式加热炉普遍存在两个问题，一是炉压偏高，造成炉子窜火严重；二是蓄热不足，节能未到达预期效果。为了有效解决炉压偏高和蓄热室蓄热量问题，副烟道的设置是必不可少的调节措施，用于调节压力平衡和供排的能量平衡。（4）值得深入讨论的问题是对于连续式加热炉蓄热式技术的适应性问题，这里也有许多误区。如热装条件下蓄热燃烧技术的必要性，脉冲燃烧技术取代蓄热技术等。其结论是肯定的，就其回收烟气余热而言蓄热式燃烧技术是不可取代的。4.蓄热燃烧技术存在的问题及分析（1）蓄热式燃烧技术是一项有显著节能技术，应着力扩大HTAC技术的应用领域：机械、建材等行业、电厂锅炉、垃圾焚烧炉等。（2）用蓄热式燃烧技术改造燃煤工业炉节能潜力巨大，在国内应用前景广阔。（3）要求炉温均匀性较高的热处理炉的技术研发和应用，将成为蓄热式燃烧技术新的攻关点，蓄热式高速烧嘴技术将成为研发热点。（4）蓄热式燃烧技术的发展将使一批周期性工业炉取代连续炉，甚至可使周期性工作的炉子能耗水平优于连续性工作的炉子，从而改变周期炉与连续炉的应用比例。5.蓄热式燃烧技术的发展趋势

中国工业炉的发展经历了三个主要阶段：

50年代，随着冶金企业、大型机械与军事工程的上马，逐步形成以各工业部门所属设计院、研究所为主体的设计队伍和以几个骨干厂为主体的制造队伍，完成了一定数量的工业炉自建，奠定了我国工业炉的基础。1959年东北工学院的《冶金炉热工基础》问世。

60～90

年代初，国内的高校、科研、设计单位与工厂结合，开展了大量的试验研究工作，取得了一些成果。东北大学与许多钢铁企业合作，