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工業爐窯分類、節能及污染

作者:艾米  發布日期:2016-11-25

    一、工業爐窯歷史、現狀、分類

    作為將物料或工件進行冶煉、焙燒、燒結、熔化、加熱等工序的熱工設備,工業爐窯中國早在商代就已經出現了較為完善的煉銅爐,其爐溫可達1200℃。在春秋時期,伴隨著提高爐溫技術的發展,在當時出現了鑄鐵。

    1794年,世界上出現了熔煉鑄鐵的直筒形沖天爐。之后,在1864年,在西門子(英)的蓄熱式爐原理基礎之上,馬?。ǚǎ┙ㄔ炝说谝慌_用氣體燃料加熱的煉鋼平爐。通過使空氣和煤氣在蓄熱室所進行的高溫預熱,他使爐溫達到了煉鋼所要求的1600℃以上的溫度。

    到20世紀20年代,電能供應逐漸充足,開始使用各種電阻爐、電弧爐和有芯感應爐在工業上達到了廣泛的應用。與此同時機械化和自動化爐型的出現,在一定程度上提高了爐子生產率并改善了勞動條件。二十世紀50年代,無芯感應爐得到迅速發展。后來又出現了電子束爐,利用電子束來沖擊固態燃料,能強化表面加熱和熔化高熔點的材料。

    目前,我國約有13萬臺工業爐窯,其中主要分布在冶金、建材、機械和化工等四個部分,約占爐窯總數的85%以上。年總能耗量為全國總能耗量的25%,燃料爐與電爐比例相當。燃燒方式較為原始,勞動強度大,環境污染,重燃耗高,爐子熱效率低,自動監測與控制手段差為我國工業爐窯現階段主要問題。

    工業爐的分類主要可根據、工藝特點、工作溫度、熱工操作特點、工作制度進行分類。在工業中常用爐窯主要有一下幾大類:熔煉爐、熔化爐、加熱爐、石化用爐、熱處理爐、燒結爐、化工作爐、燒成爐、燒成窯、干燥爐(窯)、熔煅燒爐(窯)、電弧爐、感應爐(高溫冶煉)、煉焦爐、焚燒爐、其他工業爐窯。

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    二、工業爐窯節能現狀

    工業爐的能耗受許多方面因素的影響,但在目前節能主要措施一般都離不開優化設計、改進設備、回收余熱利用、加強檢測控制和生產管理等幾個方面。

    1、 熱工測試

    在我國,部分工業爐窯所采用技術與世界先機技術相比,存在許多不足。同時加之更換成本高等方面因素,在很大程度上增加了能源消耗。因此,科學技改就十分重要。

    進行節能技術改造,全面地了解工業爐的熱工過程,分析、診斷加熱爐的“病情”,找出其“病因”便離不開科學的測試方法。目前所采用的熱工測試方法中,熱平衡測試是受到公認的測試方法。

    通過對工業爐的熱工測定,使加熱爐的熱效率進一步提高,單耗下降,并獲得加熱爐運行經濟技術性能指標的各項參數,分析加熱爐運行情況,及時調整加熱爐工況,使其達到運行的最佳狀態,從而找出節約能源的有效途徑和方向。這便是熱工測試的主要目標。

    但是,熱工測試方法在使用過程中存在一些問題,例如測試繁雜、模擬生產穩定工況易失實,這使測試在一定程度上與實際產生了不小的差距。因此,在測試技術方面在未來的發展中將會成為部分專家、學者等研究的方向。

    2、 爐型結構、筑爐材料、燃燒技術

    通過測試后,對爐窯便有了初步了解,也為技術改造提供了改進的依據。

    在設計爐窯時,首先應盡量采用符合生產工藝要求的新型節能爐窯。在實踐中通??紤]的通常有爐型、材料、密封、熱傳遞(燃燒)過程、溫度分布等。根據相關資料,主要有以下幾種節能措施:

    (1)采用圓形爐膛替代箱形爐膛,可強化爐膛對工件均勻傳熱的效果,減少爐壁散熱量,使爐膛形成一個熱交換系統,在加熱元件,爐襯和工件3者之間進行熱交換。通過采用合理的爐膛空間和在不增大爐膛空間容積的前提下,加大爐內壁面積,以增大熱交換面積的方式提高爐膛熱交換從而提高熱效率。

    (2)在爐膛內安設風扇,加強爐內對流傳熱。特別是小型加熱爐,高速氣流可破壞停滯在工件表面阻礙傳熱和界面反應爐氣邊界底層,起到縮短加熱時間和加快提高工件溫度的作用。

    (3)爐體密封,包括爐膛內各引出構件,爐殼,爐門等處的密封。爐體密封不嚴,將會造成到處跑火、漏火,造成能源大量浪費、設備燒壞、環境惡劣等狀況,因此爐體密封直接影響工件品質和能耗,同時密封也是爐內氣氛控制的關鍵。而耐火纖維制品的出現,為解決爐體密封創造了條件,實現了軟密封。

    (4)采用耐火澆注料整體澆注的加熱爐具有強度高、整體性、氣密性好、壽命長等優點。

    (5)采用新型爐用材料,優化爐襯結構。爐襯在保證爐子的結構強度和耐熱度的前提下,應盡量提高保溫能力和減少儲蓄熱。單純依靠增加爐襯厚度來降低爐外壁溫度不僅會增加爐襯儲蓄熱和成本,而且相應地減少了爐底面積的有效利用率。選用耐火纖維、巖棉等作為保溫層,用輕質磚作為爐體的內襯,減少爐體的蓄熱損失,增強爐子的隔熱保溫,減少爐墻的散熱損失。

    (6)在爐圍內壁涂高溫高輻射涂料,強化爐內的輻射傳熱,有助于熱能的充分利用,其節能效果為3%~5%,是近期較先進的節能方法。

    (7)根據不同工況,采用不同燒嘴。例如,調焰燒嘴、平焰燒嘴、高速噴嘴、自身預熱燒嘴、低氧化氮燒嘴以及近來研制成的蓄熱式燒嘴,為適應煤氣和柴油的使用提供了多種先進的燃燒器。正確地使用高效先進燃燒器一般可以節能5%以上。平焰燒嘴最適合在加熱爐上使用,高速燒嘴適用于各類熱處理爐和加熱爐,自身預熱燒嘴是一種把燃燒器、換熱器、排煙裝置組合為一體的燃燒裝置,適用于加熱熔化、熱處理等各類工業爐。

    (8)根據燃料種類,選擇性能良好的節能型燃燒裝置和與之相配套的風機、油泵、閥件以及熱工檢測與自動控制系統,保證良好的燃燒條件和控制調節功能也是行之有效的節能措施。

    在燃燒技術方面,常規的節能燃燒技術有:高溫空氣燃燒技術,富氧燃燒技術,重油摻水乳化技術、高爐富氧噴粉煤技術、普通爐窯燃料入爐前的磁化處理技術等。其中應用廣泛的有:高溫空氣燃燒技術和富氧燃燒技術。

    高溫空氣燃燒技術是90年代發展起來的一項燃燒技術。高溫空氣燃燒技術通過蓄熱式煙氣回收,可使空氣預熱溫度達煙氣溫度的95%,爐溫均勻性≤±5℃,其燃燒熱效率可高達80%。該技術具有高效節能、環保、低污染、燃燒穩定性好、燃燒區域大、燃料適應性廣、便于燃燒控制、設備投資降低、爐子壽命延長、操作方便等諸多優點。但高溫空氣燃燒還存在諸如各熱工參數間和設計結構間的定量關系,控制系統和調節系統的最優化,燃氣質量和蓄熱體之間的關系,蓄熱體的壽命和蓄熱式加熱爐的壽命的提高等一些問題,有待進一步去探索。

    采用氧氣濃度高于21%的氣體參與燃燒的技術,叫富氧燃燒技術。富氧燃燒的技術主要是研制適合工業爐窯實用的燃燒器。富氧助燃技術具有減少爐子排煙的熱損失、提高火焰溫度、延長爐窯壽命、提高爐子產量、縮小設備尺寸、清清生產、利于CO2和SO2的回收綜合利用和封存等優點。但富氧燃燒含氧量的增加導致溫度的急劇升高,使NOx增加,這是嚴重制約富氧燃燒技術進入更多領域的因素之一。另外在工業爐窯上設計采用富氧空氣助燃時,應該避免爐內溫度場不均勻。

    3、 余熱回收與利用

    余熱包括高溫廢氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱、高溫產品和爐渣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓等七種。根據調查,各行業的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%~67%,可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。

    煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的30%~70%,因此,將煙氣中的余熱回收利用將會是節約能源的又重點。通常煙氣余熱利用途徑有:

    (1)裝設預熱器,利用煙氣預熱助燃空氣和燃料。

    (2)裝設余熱鍋爐,產生熱水或蒸汽,以供生產或生活用。

    (3)利用煙氣作為低溫爐的熱源或用來預熱冷的工件或爐料。

    我國從五十年代開始在工業爐窯上采用預熱空氣的預熱器,其中主要形式為管式、圓筒輻射式和鑄鐵塊狀等形式換熱器,但交換效率較低。八十年代,國內先后研制了噴流式,噴流輻射式,復臺式等換熱器,主要解決中低溫的余熱回收。在100度以下煙氣余熱回收中取得了顯著的效果,提高了換熱效率。但在高溫下仍因換熱器的材質所限,使用壽命低,維修工作量大或固造價昂貴而影響推廣使用。

    21世紀初國內研制出了陶瓷換熱器。其生產工藝與窯具的生產工藝基本相同,導熱性與抗氧化性能是材料的主要應用性能。它的原理是把陶瓷換熱器放置在煙道出口較近,溫度較高的地方,不需要摻冷風及高溫保護,當窯爐溫度1250-1450℃時,煙道出口的溫度應是1000-1300℃,陶瓷換熱器回收余熱可達到450-750℃,將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒,可節約能源35%-55%,這樣直接降低生產成本,增加經濟效益。

    陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發展,因為它較好地解決了耐腐蝕,耐高溫等課題,成為了回收高溫余熱的最佳換熱器。經過多年生產實踐,表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優點是:導熱性能好,高溫強度高,抗氧化、抗熱震性能好。壽命長,維修量小,性能可靠穩定,操作簡便。是目前回收高溫煙氣余熱的最佳裝置。目前,陶瓷換熱器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行業主要熱工窯爐。

    回收煙氣余熱的最有效和應用最廣的是換熱器。我國近年來開發和推廣應用的高效換熱器有片狀換熱器,各種噴流換熱器,各種插入件管式換熱器,旋流管式換熱器,麻花管式換熱器,各種組合式換熱器,煤氣管狀換熱器和蓄熱式換熱器等。蓄熱式換熱器是今后技術發展趨勢,其余熱利用后的廢氣排放溫度在200℃以下,節能效益可達30%以上。

    超導熱管是余熱回收裝置的主要熱傳導元件,與普通的熱交換器有著本質的不同。熱管余熱回收裝置的換熱效率可達98%以上,這是任何一種普通熱交換器無法達到的。熱管余熱回收裝置體積小,只是普通熱交換器的1/3。

    4、熱工檢測與控制

    目前我國工業爐的能源消耗大,浪費嚴重,普遍存在空氣過剩系數過大的問題,這主要是由于調節手段的落后,工人的勞動強度較大,難以保證理想的燃燒工況。因此提高熱工檢測與控制水平,具有很大的節能潛力。

    采用先進的自動控制技術,特別是采用微機控制系統,已經成為工業爐自動控制的發展方向。通過設置自動控制系統,以各相關系統的及時精確配合和控制來實現節能。諸如加熱爐各主要過程變量的定量控制,爐溫與燃料流量的串級控制,燃料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等。

    三、結束語

    綜上所述,在未來的幾年中,爐窯在節能、熱工檢測方法、余熱回收方面還有很大的發展空間??陀^切實的熱工檢測方法,在今后的一段時間內,將會沿用平衡法,但有很大必要進行新方法的快速探索。

    同時,如何快速的以清潔、可再生能源替代礦石燃料成為工業爐窯的主要能源,并減少污染物的排放必將成為今后一段時間的研究課題。

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