火焰爐在工業爐窯中的節能潛力

1爐窯能耗及運行效率在冶金、化工、機械工程等部門，按照燃料燃燒火焰作為燃料燃燒火焰的源，統稱為火爐?；鹧鏍t廣泛應用于物料(工件)的焙燒、干燥、熔化、熔煉、加熱和熱處理等生產環節,在上述各工業部門的生產中都占有重要地位,對產品的產量、質量、消耗、成本和環境污染等都有重大影響1?？梢?火焰爐在我國工業爐窯中起著舉足輕重的作用,它必須滿足高產、優質、低消耗和少污染的生產目標。據不完全統計,全國縣以上企業工業爐窯約十幾萬臺,能耗占全國總能耗的25%,占工業總能耗的60%。其中火焰爐約6萬臺,占工業爐窯總數的55%以上,能耗占工業爐總能耗的92%,占全國總能耗的23%。其中固體燃料約占70%,液體燃料約占20%,氣體燃料約占10%2。燃料結構不合理,多數爐窯仍以煤為燃料,爐窯總體水平較低,近10年來,火焰爐的生產和節能技術進步成績顯著,雖有部分爐子達到國外當代先進水平,但尚屬少數。爐窯單位能耗及運行熱效率與國際平均水平差距很大,產品單位能耗鍛造爐是0.6～2.0t標準煤,為世界先進指標的2～6倍;熱處理爐是0.5～0.8t標準煤,為世界先進指標的4～7倍3。火焰爐的熱效率平均為30%,而國際上火焰爐的熱效率平均在50%以上4,可見我國火焰爐節能還存在很大潛力,必須大力推廣生產上行之有效的成熟技術。本文從以下幾個方面介紹火焰爐的節能技術和發展方向。2燃料爐的節能2.1大力推進潔凈煤技術爐用燃料的選擇對組織爐內火焰的合理、穩定、高效燃燒起著決定性的作用,所以應根據加熱工藝要求、燃料資源和火焰爐的種類,選擇合適的燃料。火焰爐的最佳燃料是氣體燃料,特別是高熱值的天然氣、戊烷合成氣、混合煤氣等,其次是液體燃料,再其次是燒煤。我國以煤為燃料的火焰爐所占比例很大,與發達國家相比,燃料結構不合理。受燃料的限制,燃煤火焰爐爐體龐大、燃燒過程不穩定、爐溫波動大、氣氛很難控制、加熱質量差、熱效率低、能耗遠高于燃油和燃氣爐。因此將煤分級使用或轉化為煤氣使用,是火焰爐用煤的方向,即應大力實施潔凈煤技術。煤的氣化是潔凈煤燃燒的核心技術,生產工業燃料氣的煤氣化技術以前一直是以常壓固定床煤氣發生爐為主。只有少數要求加熱溫度較高的企業采用常壓固定床水煤氣爐。近年來,隨著建材行業的迅速發展和一批建筑陶瓷與衛生潔具生產線的引進,有些建材企業相繼采用了常壓固定床發生爐兩段爐,現在已有幾十臺這樣的氣化爐在運行。目前,我國開發了許多實驗室規模的高新煤氣化技術,如高溫氣化5、內循環流化床煤氣化6、粉煤加壓氣化7等,由于產業化方面缺乏完整的支撐體系,工業化開發進展緩慢。希望國家有關部門和有實力的企業應投入資金和力量加快技術開發力度,從而在不遠的將來,使我國自行開發的高效、先進、實用的煤氣化技術能在國內得到廣泛應用。隨著我國對能源和環保的重視,逐步以液體、氣體燃料代替固體燃料,優化燃料結構應是我國火焰爐節能的重要戰略。2.2燃煤燒圓的發展燃料燃燒是通過安裝在火焰爐上的燃燒器完成,其性能的好壞直接影響爐子燃料的消耗量。要求燃燒器高效、節能和高性能。根據爐子生產目的、工作形式、結構形式等,比較不同燃燒器的特征,正確設計,選擇及合理安裝使用燃燒器可以節能5%以上。燃氣燒嘴中,20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%。燃油燒嘴中,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。固體燃料燃燒裝置中,人工加煤的采用簡易燃燒室,機械加煤的采用各種爐排燃煤機,粉煤燃燒則采用可調式燃煤燒嘴。從20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新型燃燒器,如低NOX燒嘴、高速燒嘴、平焰燒嘴、自身預熱燒嘴、蓄熱式燒嘴等。這些燒嘴既能滿足工藝要求,保證產品質量,同時又實現低污染,保證溫度均勻性,滿足加熱溫度曲線,控制爐內氣氛等,得到了推廣使用。對于重油霧化質量差的燃燒器可采用重油摻水乳化技術以改善乳化質量,提高燃燒效率,節約重油消耗和冒煙污染問題。2.3澆注料、爐窯和爐窯火焰爐爐襯的蓄熱和散熱,一般占爐子總能耗的20%～45%,選用節能型的耐火材料可減少爐體的蓄熱和散熱損失,提高熱效率。筑爐材料的發展趨向是“兩高一輕”,即高溫、高強、輕質。20世紀80年代前,火焰爐都用耐火磚、隔熱磚砌筑而成。80年代開始了搗打料、可塑料和澆注料不定型耐火材料的應用,使火焰爐的氣密性得以進一步提高。近年來,發展較快的有快干澆注料和快干自流澆注料、高溫耐火纖維、節能爐襯涂料和多功能爐襯。(1)澆注料的導熱系數比磚體爐襯小,爐體氣密性好,使用壽命長,將成為非金屬爐用材料的主流材料。輕質莫來石澆注料是非常適合于火焰爐使用的澆注料。目前,澆注料正向微粉(0.1～10m)、超微粉(<0.1m)相結合的方向發展。用超微粉結合的低水泥澆注料是近期在我國出現的一種性能及其優越的高檔澆注料。使用澆注料爐襯比砌磚爐子可節能2%～4%左右。(2)耐火纖維是一種超輕質耐火材料,它的基本性質是相對密度小、導熱系數小、比熱容低。用耐火纖維筑爐,在節能、省材、提高爐子生產能力和改善爐子熱工性能等方面都具有明顯的效果。對于使用溫度為1000℃以下的爐窯如熱處理爐,可以在爐窯內壁板貼一層耐火纖維,也可以全部用耐火纖維作爐襯。對于1300℃以上爐溫使用的耐火纖維,盡管國內外已開發出來,但由于價格昂貴,限制了它的使用和推廣。如果爐子全部用耐火纖維爐襯,爐體顯著減輕,則爐體鋼架等結構都可以輕型化,爐窯設計將有很大變化。對于高溫爐窯,可以把耐火纖維貼在爐壁外層當作絕熱材料使用也是經濟合理的。使用耐火纖維爐襯比磚砌爐子可節能5%～8%。(3)爐窯內壁涂刷輻射率(黑度)大的涂料,可以強化爐內的輻射傳熱,有助于熱能的充分利用。高溫遠紅外節能涂料有很好的節能效果。它適用于爐溫700～1800℃的各種火焰爐。將它刷涂或噴涂于爐襯內表面,形成2.5～3.0mm的涂層,利用涂層的紅外輻射性能,不僅可加強輻射,防止熱量流失,還可保護爐膛工作面,延長爐子壽命,起到保護爐體和節能降耗的作用。一般節能效果為5%～7%8。(4)多功能爐襯是利用《自帶黑體筑爐材料及其加熱爐窯》專利技術,把紅外物理中黑體的概念加以技術化,制作成工業標準的黑體元件,安裝在爐膛內,眾多的黑體元件和爐襯共同組成的。黑體元件用以調控熱射線,改變其漫反射狀態,使之集中、有效地射向工件,增大了熱射線的到位率,提高了對工件的輻射度,大幅度地提高了爐子的熱效率。多功能爐襯適用于各種高、中、低溫火焰爐,可節能20%～30%9。該技術實施方便,可在不改變原爐膛結構的基礎上改造現有加熱爐窯,見效快、效果大,是改造傳統加熱爐窯的關鍵技術。2.4高溫空氣燃燒技術火焰爐出爐煙氣溫度較高,排煙損失對爐窯熱效率影響最大,煙氣余熱隨爐溫變化,約占總供給熱的30%～70%不等,充分回收余熱,節約燃料,是爐子節能的重要途徑。一般都回收來預熱助燃空氣,助燃空氣溫度每提高100℃,可節約燃料5%,因此最大限度地回收煙氣余熱是火焰爐節能發展的主要方向。目前,工業爐窯的助燃空氣預熱90%是采用換熱器,但是換熱器受其固有結構的限制,效率不高,換熱器的空氣預熱溫度一般為400～600℃,廢氣排放溫度仍有600～700℃,而且使用壽命短、維修時間長、費用高。大量的煙氣余熱得不到充分利用。此外,換熱器滿足不了某些熱工設備高風溫的預熱要求,有些企業不得不花高價購買高熱值燃料,而來源豐富、價格低廉的熱值較低的燃料往往得不到充分利用,甚至被放散。由此,20世紀80年代末,日本學者田中良一等人提出一種全新概念的高溫空氣燃燒技術(HTAC),燃料在溫度近1000℃,氧含量5%～8%的氣氛中燃燒,燃燒非常安全、爐溫非常均勻。由于爐內沒有明顯的火焰形狀,消除了火焰局部高溫,而產生的NOX低于100×106,較過去的高溫火焰爐減少了5/6。燃燒產物中幾乎不含CO和H2等可燃物,CO2排放量降低近50%,完全達到環保要求,并因回收大量的煙氣余熱,節約燃料近50%10。我國高溫空氣燃燒技術的研究開發起步于20世紀90年代中期,近幾年在該技術領域已開發出數種蓄熱式燒嘴、燃燒器、輻射管及裝置系統,并成功應用于幾十家企業近130套裝置上,其中蓄熱式連續加熱爐50余座,蓄熱式鋼包烘烤裝置30余套,蓄熱式均熱爐40余座。高溫空氣燃燒技術在火焰爐上的應用,實現了火焰爐三高一低(高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低惰性)的要求。該技術主要的應用領域是燃用液體和氣體燃料的各種火焰爐,對使用固體燃料的窯爐,則可將固體燃料轉化為氣體燃料,再實施高溫空氣燃燒技術。目前將經過凈化處理的冷發生爐煤氣用于蓄熱式加熱爐已經有很多成功的實例,如太鋼三軋、江西洪都鋼廠、大冶特鋼等加熱爐都取得了比較好的經濟效益,另外由某公司設計施工的燃用熱臟發生爐煤氣的蓄熱式加熱爐在天津江天型鋼廠也順利投產,并取得了顯著的經濟效益11。由于高溫空氣燃燒技術的眾多優越性,其將成為火焰爐節能技術發展的重要方向。2.5脈沖燃燒控制技術應用前景展望對火焰爐而言,各種熱工參數的檢測與控制是改善燃燒、降低能耗、保證工藝要求、提高產品質量和產量的重要措施之一。目前國內有數以百計的爐窯進行計算機控制。(1)燃料燃燒控制:工業爐窯進行計算機控制的第一步是實現燃燒控制,即實現爐溫、供燃料量、燃料量與空氣量的配比以及爐壓的控制。目前,國內的火焰爐窯一般都采用連續比例(PID)燃燒控制的形式,即通過控制燃料和助燃空氣流量的大小來使溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。但由于這種連續燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調節和測量等環節的制約,在大多數工業窯爐中的控制效果不佳。近年來新發展起來一種工業窯爐控制技術——脈沖燃燒控制技術,在國內外已得到了一定程度的應用并取得了良好的效果。該技術與傳統的比例(PID)控制、限幅控制相比,具有以下優勢:對不同燃料有良好的適應性,不受燃料量的測量和調節這一關鍵性環節的制約,特別對于溫度上升與下降的滯后性十分嚴重的大型窯爐,它均能達到理想的溫度控制曲線。目前高檔工業窯爐產品對窯爐內溫度場的均勻性要求較高,對燃燒氣氛的穩定可控性也要求較高,使用傳統的連續比例調節控制方式無法實現。隨著寬斷面、大容量工業窯爐的不斷出現,必須采用脈沖燃燒控制技術才能有效地控制窯爐內溫度場的均勻性,從而提高窯爐的生產率和產品質量,降低能耗。采用脈沖燃燒控制技術后,燃燒熱效率可達45%以上,比未采用此技術的火焰爐的燃料消耗至少降低30%以上。脈沖燃燒控制技術作為一項新技術具有廣闊的應用前景,可廣泛應用于陶瓷、冶金、石化等行業,對提高產品質量、降低燃耗、減少污染將發揮重大作用,是今后火焰爐在自動控制領域的一個重要發展方向12。(2)數學模型優化控制:在實現燃燒控制的基礎上,進一步提高控制水平就要靠數學模型進行優化控制,主要內容是優化爐窯的熱制度。爐窯熱制度的核心是爐溫制度和供熱制度,因此可以是控制爐溫曲線為最佳,也可以是控制供熱曲線為最佳,即最佳供熱分配。數模優化控制在燃燒控制基礎上可進一步取得節能10%左右的效果。(3)生產優化控制:火焰爐窯是工廠或車間整體中的一個局部,其工作應放到整體中加以衡量,爐窯自身的燃燒控制、數模優化控制可能是最佳效果,但放在工廠和車間領域來衡量則不一定是最優,這當中涉及各設備的協調、調度和管理等問題。因此再提高一個層次就要進行管理優化控制,該管理優化控制的效果在數模控制的基礎上可再節能約5%。3社會主義新技術的進步(1)改變能源消費結構,以油、氣取代煤等固體燃料、將煤等固體燃料轉化為煤氣后使用,是我國火焰爐節能發展的戰略性方向。(2)根據爐子生產目的、工作形式、結構形式等,正確設計,選擇及合理安裝使用