浅谈工业炉的技术与发展

浅谈工业炉的技术与发展

0可持续发展是将大力发展工业炉,发展符合时代发展的根本要求工业炉是工业加热的重要设备。广泛应用于经济和社会各界。它体积大、面广、品多、影响大。工业加热是制造业的重要组成部分,制造业是工业的主体。我国制造业占GDP比重的1/3,占工业的78.2%。以锻造生产为例,2003年年产锻件约250万t,供制造业务部门使用,其水平直接影响到汽车等支柱产业的发展。工业炉加热技术及装备水平对满足工艺要求,提高产品质量,降低生产成本,合理利用能源,保护环境,改善劳动条件,实现文明生产等都有很大的影响。上世纪末,联合国会议提出了“可持续发展”的崭新观念。具体地说,是要建立信息意识、科技意识、市场意识、资源意识和环境意识。这是人类发展观念的根本转变。可持续发展观念不是权宜之计,而应成为每一个国家的国策。工业炉的发展也必须服从这一观念,它必须与全球化、信息化、绿色化,提升制造业的总需求同步前进。工业加热技术,与人类文明的三大支柱——能源、材料、信息息息相关,它是燃烧学、传热学、流体力学等学科交叉的科学,可以说工业炉是高技术的载体,从某种意义讲,工业炉的技术水平反映了一个国家工业的综合水平,工业发达国家无不予以高度关注。据不完全统计,全国12个行业县以上企业,工业炉装备11万台以上,机械行业占7.5万台(占炉窑总数66%)。工业炉中燃料炉约6万台,占炉窑总数55%以上,电炉约5万台。工业炉是耗能大户,能耗占全国总能耗的1/4,占工业总能耗的60%。工业炉中燃料炉能耗占工业炉总能耗的92%,其中固体燃料约占70%,液体燃料约占20%,气体燃料约占10%,电炉按台数计算占45%,而能耗仅占工业炉总能耗的8%左右。可见燃料炉在我国工业炉中起着举足轻重的作用。它必须满足高产、优质、低耗、少污染的生产目标。本文从以下几个方面介绍燃料炉的现状、特点及发展趋势。1大力发展煤自动燃烧技术加热设备首先需要供给能源,选用何种燃料,影响工业炉的整体水平,是工业炉发展的基础。能源是人类赖以生存、经济发展和社会进步的重要物质基础。当今世界,使用的一次能源主要是化石能源(煤炭、石油和天然气),在中国所占的比例是90%以上。化石能源是不可再生的不洁净能源,按不洁净程度排序,依次为煤炭、石油、天然气。世界与中国一次能源消费结构见表1。中国是煤炭资源丰富,而石油资源短缺的国家,从1993年起中国已成为石油进口国。见表2。中国石油消耗已超过日本,仅次于美国,成为全球第二大原油消耗国。到2004年,中国石油需求量将达3亿t,而同期石油产量只能维持在1.6亿t,供需缺口很大。液化石油气也大量进口。我国常规能源的状况见表3。从表3可知,我国煤炭可采储量占全球的11.6%,是优势之一,因此,我国以煤为主的能源政策将会长期存在下去。煤直接燃烧,加热质量差,污染严重,将煤转化成电或煤气使用,是工业炉用煤的方向。目前,我国电力较紧张,2001~2005年的“十五”计划低估了用电需求,严重影响了工业发展。因此,除了一些特殊工艺和设备必须用电外,很多企业仍在用煤或用煤制气生产。限制了加热装备水平的提高和与国际接轨。建议:(1)合理组织工业炉的气体燃料。我国有近800万t标准煤的可燃气体未充分利用,如:放散的高炉煤气,未回收的转炉煤气,油田伴生气等应合理组织,变废为宝。(2)西气东输工程给东部、中部地区送来可观的天然气,应合理使用。(3)水电资源丰富,应大力开采、应用这种可再生的绿色能源,有效地优化我国的能源结构。(4)大力实施洁净煤技术。煤的气化是洁净煤燃烧的核心技术。煤的气化方法很多,国内多用固定床气化方法。机械行业的大型企业的煤气化炉多是建国初期苏联援建或仿制苏式的固定床气化方法,如一重、洛拖、长汽等企业。现在有的厂改烧天然气,一些中、小型企业用清洁冷煤气少,多用热脏煤气,生产出来的煤气不净化、不冷却,直接供工业炉窑燃烧用。热脏煤气热值低,煤气压力低,不能远距离输送,内含焦油、粉尘,不能实现自控,使用受到一定限制。但近期鉴于有些地区明令不许直接烧煤,而热脏煤气投资少、占地小、易上马,受到一些企业的青睐。2我国能源相对失衡工业炉是耗能大户,能源形势严峻,节能是工业炉发展的关键。在商品经济占主导地位的国家和社会里,能耗的高低直接反映在产品的成本和价值上,直接影响到产品的竞争能力和销路,甚至影响到企业的发展和生存。我国能源的紧张与短缺已成定局,严重影响了经济的发展。能源问题不但影响现在,而且影响将来。节约能源是实现可持续发展战略目标的重要组成部分。目前,我国能源总量是世界第三大国,消费是世界第二大国。我国的能源消费已占世界总消费量的10%左右,而我国的经济总量(GDP)只占全球的3.7%。日本、美国、德国的能源利用率分别高达57%、50%、40%,而我国只有32%。我国节能工作的统计值及计划值见表4。以机械工业锻造炉为例,热效率很低,节能潜力很大,见表5。解决能源短缺靠两手,一手是开源,一手是节流。根据我国的能源形势,工业炉节能势在必行。3环保环保措施环境保护是全人类都关心的话题,只有保护环境才能实现可持续发展。随着环境污染的日趋严重,我国从法律上进行规范化,实行“一票否决制”,生产中环保不达标,实行限期改造、停产,甚至搬迁,因此在工业炉改造中环保是焦点。燃料燃烧过程中产生大量的烟尘、CO2、SO2、NOx等污染物,对大气造成严重污染。大气中的SO2,2/3来自煤的燃烧,1/5来自石油燃烧;NOx的90%来自燃料燃烧。燃料燃烧每年向大气中排放上百亿t的CO2,我国达30亿t,占世界排放量的13.6%,其中,85%是燃煤的结果。世界CO2排放量的排行榜,见表6。CO2气体的“温室效应”造成地球气温升高,海平面升高,土地荒漠面积扩大,全球性的大面积干旱或洪涝灾害,酷热、严寒等灾难性气候发展率加快等等,严重威胁人类的发展和生存。SO2等污染物形成酸雨,对钢制建筑物及森林、农作物等均有严重损害。做好环境保护的措施:3.1调整燃料结构不同燃料燃烧所生成的CO2数量不同,燃烧1kg煤炭产生的CO2,是天然气的近2倍,是油的1.5倍。燃烧100亿m3天然气与烧同热量煤炭比,减少CO22500万t,SO220万t,NOx12万t。所以应尽可能选用天然气、油或煤转化成气作燃料,淘汰直接燃煤。3.2采用先进燃烧技术NOx是在高温燃烧条件下产生的,因此要:(1)组织好炉内燃烧,避免局部高温;(2)采用高温低氧燃烧技术。3.3节约能源、减少燃耗工业炉排放的污染物数量与燃烧的燃料量成正比,因此减少工业炉的燃料消耗量也就减少污染物的排放量。4原料质量与消耗的矛盾满足工艺要求,保证加热工件质量是工业加热的根本。有些工厂因无科学的加热制度,虽然生产的工件表面精度达到要求,但内部金相组织却不符合技术标准。一些工件加热温度不均,工件在炉内停留时间过长,造成工件过烧、氧化脱碳等,严重影响产品质量。以热处理为例,欧美等发达国家普及少无氧化加热,而我国空气加热炉约占热处理设备的90%以上。由于大量工件在空气中加热,氧化脱碳严重,不但每年浪费百万t以上钢材,而且影响产品质量,尤其是表面质量。有些工厂产量、质量、消耗之间常发生矛盾,例如:要提高产量,必须提高整个工业炉的温度水平,重点是炉子的加热段(连续炉为加热段,间歇炉为加热期)的温度水平,这就易产生质量问题,如氧化烧损增加,形成过热过烧,甚至烧化和烧毁;从另一角度谈,为提高加热质量,减少表面与中心的温差和提高整体的温度均匀性,必须延长均热段的长度或均热的时间(间歇炉),这就减少了产量,造成质量与产量的矛盾。同时燃耗增加,质量与消耗也发生矛盾。在诸矛盾中,质量是第一位的,只有在保证质量的前提下,其它指标才有意义。5技术安全工业炉设备是各项技术的载体,其水平是完成各项技术经济指标的保证。5.1炉温波动大、加热质量差、加热时间小的不能收放在机械行业中,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,大多烧煤,且室式炉居多,炉温波动较大,加热质量差,热效率低,一般低于5%。目前,不少工业炉手工操作很多,包括加煤、装出料、开启炉门等,因此应积极提高工业炉的机械化水平。5.2煤粉燃烧装置燃烧装置是燃料炉的“心脏”,要求它高效、节能和高性能。燃气燃烧装置中,上世纪70年代以前多为高压喷射式烧嘴,约占50%以上,其余多为低压涡流式,新型烧嘴只占6%。燃油燃烧装置中,多采用低压空气雾化油嘴,如R型、RK型,后来的F型自动比例调节烧嘴,新型燃烧装置有平焰、高速、自身预热等烧嘴。固体燃料的燃烧装置,人工加煤:简易燃烧室,层状燃烧。机械加煤:往复炉排、链条炉排、下饲式、蠕动式炉排等燃煤机。煤粉燃烧装置,有磨煤机和可调式燃煤烧嘴。从上世纪80年代至今,我国成功地自行开发、研制了多种适合国情的燃烧装置,如:平焰烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴、蓄热式烧嘴等。除了高效节能外,同时要求高性能,即能满足多种工艺要求,保证产品质量,同时实现低污染,保证温度均匀性,满足加热温度曲线,控制炉内气氛等。这些高性能烧嘴得到推广使用。平焰烧嘴:火焰呈圆盘形状,利用火焰的大面积直接辐射,升温速度快,炉温高,炉子热惰性小,特别适合在高(中)温炉上使用,在周期炉上使用更有特殊意义。高速烧嘴:利用出口气流的高速(>100m/s)搅动,升温快,炉温均匀,排烟口对炉内温度场影响很小,炉膛结构简单,适合中低温炉。自身预热烧嘴:是一种把燃烧器、换热器、排烟装置合为一体的燃烧装置,它不但供给炉子热量,而且利用烟气余热,达到节能的目的。蓄热式烧嘴:它由一对烧嘴、一对蓄热体、切换阀和相关控制系统组成,一个烧嘴和一个蓄热体为一组,两组轮换使用,空气预热温度高,节能。高温低氧燃烧,近年来得到一定的研究和应用。高温低氧燃烧,就是在高温条件下,炉膛中的氧含量大大少于空气中正常含氧量,在整个炉膛中进行迷漫性的空间燃烧,不形成传统的矩形火焰,燃烧完全,温度均匀,加热质量好,烟气中NOx含量很低。5.3提高炉体质量近几十年来,我国研制和推广了一系列“二高一轻”即高温、高强和轻质的炉用材料。如:耐火纤维、轻质或超轻质高温、高强度耐火材料。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。(1)炉温对制品的性能要求长期使用温度,是选择材质的最重要条件,当然也应注意气氛。耐火纤维:目前我国已有适用于1000℃、1100℃、1200℃、1250℃不同炉温的制品。这些耐火纤维可以根据需要,制成不同形状和规格,如纤维毡、毯、板等。轻质硅钙板:是一种优质轻型保温材料,具有强度高、容重小、隔热性能好等优点。耐火浇注料:是不定形耐火材料,也称散状料,具有浇注后炉体整体性能好,耐火性能高,施工方便,寿命长等优点。是替代普通耐火砖,提高炉子砌体水平的新型耐火材料。目前高温炉使用较多。(2)双组分纤维网炉衬根据需要采用不同炉衬结构。耐火纤维炉衬结构一般有两种:一种是在原耐火砖炉衬结构表面粘贴50mm左右耐火纤维;另一种是炉衬全部采用耐火纤维,称作全耐火纤维炉衬结构。全耐火纤维炉衬施工有层铺式结构和叠板式结构,还可在耐火纤维表面喷涂耐高温涂料等提高抗冲刷能力。国内使用叠板式结构较多,可消除其它方法产生的接缝,施工速度快。5.4余热回收的主要特点工业炉在完成工艺任务时,产生大量余热,如不即时回收利用,马上“烟消热散”,不可再利用。燃料炉中烟气带走的热量占总供热量的30%~70%,充分回收余热,节约燃料,是炉子节能的重要途径。一般助燃空气温度每提高100℃,可节约燃料5%。据调查(1亿t耗能基数)可回收的余热资源占工业炉能耗量的12.5%。目前,余热回收存在“五多五少”现象:(1)资源多,回收少,余热回收率仅25%;(2)烟气余热资源多,占80%,其它形态载体资源少;(3)高温烟气的余热资源多,中温烟气的余热资源少;(4)余热回收自身利用的多,其它利用的少;(5)余热回收装置一般的多,高效的少。回收余热的方法很多,其中采用换热器预热助燃空气,能提高炉子热效率,且能与炉子生产时间同步,因而被广泛采用。衡量换热器性能的好坏,要看综合指标,主要性能要求是:(1)传热系数高,即在同样换热条件下,当预热温度一样时,其换热面积大,体积小,成本低,价格便宜;(2)壁温低,使用寿命长;(3)预热介质和烟气的流动压力损失小;(4)单位体积的传热面积大,单位体积的设备重量轻。这4项性能要求是有矛盾的,但设计得好可以统一起来,高效、长寿、低阻、紧凑是可以实现的。目前用得较多的换热器有:辐射换热器:以辐射传热为主,用于排出的烟气温度>800℃的炉子。机械工业第五设计研究院对此进行过系统研究,获得机械部科技进步奖,已形成系列,成功地用于上千台炉子上,获得很好的经济效益。喷流换热器:以对流传热为主,主要用于中温炉上,是将被预热介质高速喷吹到换热器换热管壁上,因而提高了传热系数,换热效率高,但阻力损失大。板式换热器:以对流传热为主,主要用于中温炉上。其结构是将耐热钢板冲压成型,两块钢板焊接成一个换热单元,由多个换热单元组成换热器。具有单位体积小、换热面大、阻力损失小等优点。管式换热器:是以对流换热为主的换热器,适用于烟气温度1000℃以下,管子材质根据不同烟气温度可选用耐热钢、不锈钢、渗铝钢管和普通钢管。管式换热器形式很多,现有一种“附壁流管式换热器”,预热介质流股与管壁平行流动,中心流速低,管壁附近流速高,将附面层大面积清扫掉,大大提高了气流对流给热系数,降低换