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)濟和社會各界。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t,供制造業(yè)務(wù)部門使用,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,保護環(huán)境,改善勞動條件,實現(xiàn)文明生產(chǎn)等都有很大的影響。上世紀末,聯(lián)合國會議提出了“可持續(xù)發(fā)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(huán)境意識。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,而應(yīng)成為每一個國家的國策。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。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、傳熱學、流體力學等學科交叉的科學,可以說工業(yè)爐是高技術(shù)的載體,從某種意義講,工業(yè)爐的技術(shù)水平反映了一個國家工業(yè)的綜合水平,工業(yè)發(fā)達國家無不予以高度關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國12個行業(yè)縣以上企業(yè),工業(yè)爐裝備11萬臺以上,機械行業(yè)占7.5萬臺(占爐窯總數(shù)66%)。工業(yè)爐中燃料爐約6萬臺,占爐窯總數(shù)55%以上,電爐約5萬臺。工業(yè)爐是耗能大戶,能耗占全國總能耗的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%,電爐按臺數(shù)計算占45%,而能耗僅占工業(yè)爐總能耗的8%左右?？梢娙剂蠣t在我國工業(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。本文從以下幾個方面介紹燃料爐的現(xiàn)狀、特點及發(fā)展趨勢。1大力發(fā)展煤自動燃燒技術(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)濟發(fā)展和社會進步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。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?；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。世界與中國一次能源消費結(jié)構(gòu)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(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口。我國常規(guī)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(yōu)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(zhì)量差,污染嚴重,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(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際接軌。建議:(1)合理組織工業(yè)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(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)送來可觀的天然氣,應(yīng)合理使用。(3)水電資源豐富,應(yīng)大力開采、應(yīng)用這種可再生的綠色能源,有效地優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)。(4)大力實施潔凈煤技術(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,國內(nèi)多用固定床氣化方法。機械行業(yè)的大型企業(yè)的煤氣化爐多是建國初期蘇聯(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,不能遠距離輸送,內(nèi)含焦油、粉塵,不能實現(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我國能源相對失衡工業(yè)爐是耗能大戶,能源形勢嚴峻,節(jié)能是工業(yè)爐發(fā)展的關(guān)鍵。在商品經(jīng)濟占主導地位的國家和社會里,能耗的高低直接反映在產(chǎn)品的成本和價值上,直接影響到產(chǎn)品的競爭能力和銷路,甚至影響到企業(yè)的發(fā)展和生存。我國能源的緊張與短缺已成定局,嚴重影響了經(jīng)濟的發(fā)展。能源問題不但影響現(xiàn)在,而且影響將來。節(jié)約能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(jīng)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(jié)能工作的統(tǒng)計值及計劃值見表4。以機械工業(yè)鍛造爐為例,熱效率很低,節(jié)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(jié)流。根據(jù)我國的能源形勢,工業(yè)爐節(jié)能勢在必行。3環(huán)保環(huán)保措施環(huán)境保護是全人類都關(guān)心的話題,只有保護環(huán)境才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。隨著環(huán)境污染的日趨嚴重,我國從法律上進行規(guī)范化,實行“一票否決制”,生產(chǎn)中環(huán)保不達標,實行限期改造、停產(chǎn),甚至搬遷,因此在工業(yè)爐改造中環(huán)保是焦點。燃料燃燒過程中產(chǎn)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(jié)果。世界CO2排放量的排行榜,見表6。CO2氣體的“溫室效應(yīng)”造成地球氣溫升高,海平面升高,土地荒漠面積擴大,全球性的大面積干旱或洪澇災(zāi)害,酷熱、嚴寒等災(zāi)難性氣候發(fā)展率加快等等,嚴重威脅人類的發(fā)展和生存。SO2等污染物形成酸雨,對鋼制建筑物及森林、農(nóng)作物等均有嚴重損害。做好環(huán)境保護的措施: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t,SO220萬t,NOx12萬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。有些工廠因無科學的加熱制度,雖然生產(chǎn)的工件表面精度達到要求,但內(nèi)部金相組織卻不符合技術(shù)標準。一些工件加熱溫度不均,工件在爐內(nèi)停留時間過長,造成工件過燒、氧化脫碳等,嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。以熱處理為例,歐美等發(fā)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(shè)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(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,必須提高整個工業(yè)爐的溫度水平,重點是爐子的加熱段(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(zhì)量,減少表面與中心的溫差和提高整體的溫度均勻性,必須延長均熱段的長度或均熱的時間(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,其它指標才有意義。5技術(shù)安全工業(yè)爐設(shè)備是各項技術(shù)的載體,其水平是完成各項技術(shù)經(jīng)濟指標的保證。5.1爐溫波動大、加熱質(zhì)量差、加熱時間小的不能收放在機械行業(yè)中,先進的爐型所占比重不大,絕大多數(shù)為上世紀50~60年代的結(jié)構(gòu)形式,例如數(shù)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(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、開啟爐門等,因此應(yīng)積極提高工業(yè)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(jié)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(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(diào)式燃煤燒嘴。從上世紀80年代至今,我國成功地自行開發(fā)、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(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,同時實現(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(nèi)溫度場影響很小,爐膛結(jié)構(gòu)簡單,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,達到節(jié)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(guān)控制系統(tǒng)組成,一個燒嘴和一個蓄熱體為一組,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,在整個爐膛中進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,我國研制和推廣了一系列“二高一輕”即高溫、高強和輕質(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,無拱頂推力,爐門輕,爐子骨架負荷大為減少,可節(jié)約建爐鋼材1/3左右,同時可簡化爐體基礎(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,使爐子同時獲得節(jié)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(zhì)的最重要條件,當然也應(yīng)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(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,具有強度高、容重小、隔熱性能好等優(yōu)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(yōu)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(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工業(yè)爐在完成工藝任務(wù)時,產(chǎn)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(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(yù)熱助燃空氣,能提高爐子熱效率,且能與爐子生產(chǎn)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(shù)高,即在同樣換熱條件下,當預(yù)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(yù)熱介質(zhì)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(shè)備重量輕。這4項性能要求是有矛盾的,但設(shè)計得好可以統(tǒng)一起來,高效、長壽、低阻、緊湊是可以實現(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。機械工業(yè)第五設(shè)計研究院對此進行過系統(tǒng)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(jīng)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(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(yōu)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(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,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(shù),降低換