工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)措施初探

上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 張方涌

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長和工業(yè)化建設(shè)步伐的加快，對能源的消耗也大幅度的增加。目前我國已成為世界第二大能源消費(fèi)國，從我國的能源儲(chǔ)量和可開采量來看，能源的供給和需求形勢嚴(yán)峻，能源緊張的局面日趨嚴(yán)重，但是與此同時(shí)我國能源的利用率卻處在較低的水平。

工業(yè)爐能源消耗占全國工業(yè)能源消耗量的四分之一，是工業(yè)生產(chǎn)部門的主要耗能設(shè)備，是一個(gè)能源消費(fèi)大戶，由工業(yè)爐的能源構(gòu)成可知，在能源總耗量中化石燃料耗量占 90%以上，燃料爐平均熱效率僅為 20%左右，而世界發(fā)達(dá)國家為 40%以上，可見我國能源利用率方面存在著明顯的差距，所以，有必要利用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)對我國各種工業(yè)爐，尤其是燃料爐進(jìn)行改造，提高能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

節(jié)能一般有兩種方式：直接節(jié)能和間接節(jié)能。直接節(jié)能是指通過提高工業(yè)爐能源利用率、降低產(chǎn)品單耗，從而直接減少能源消耗量；間接節(jié)能則是通過降低原材料消耗、減少廢品率、延長設(shè)備使用壽命等途徑而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本文介紹了工業(yè)爐直接節(jié)能的各種先進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)分析了燃?xì)饧訜釥t的能源效率提高的途徑。

1 工業(yè)爐節(jié)能措施

工業(yè)爐節(jié)能的措施主要分為：燃料的高效清潔燃燒、爐內(nèi)強(qiáng)化傳熱、減少工業(yè)爐散熱損失和強(qiáng)化余熱回收利用。

1.1 工業(yè)爐設(shè)計(jì)上的措施

從工業(yè)爐的設(shè)計(jì)來說，需要統(tǒng)籌考慮工業(yè)爐的使用要求，重點(diǎn)從爐型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃燒器選擇和爐體選材等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般應(yīng)盡量做到：

(1)根據(jù)所加熱的物料性質(zhì)和加熱要求，選擇合理的爐膛結(jié)構(gòu)，配備數(shù)量合理的燃燒器(或燒嘴)，盡可能使用先進(jìn)工業(yè)爐窯自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備。

(2)選擇合理爐型和合適的爐膛尺寸；工業(yè)爐爐襯的蓄熱和散熱一般占總能耗的20%～45%，選用耐高溫、容重小、導(dǎo)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，尤其是對間歇加熱爐來說，減少爐體蓄熱損失對提高能源利用效率至關(guān)重要，平均節(jié)約能源35%左右。

(3)強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱過程可以保證被加熱物料的合理升溫過程，促進(jìn)爐內(nèi)溫度均勻性。

目前，采用加熱爐爐壁噴涂高溫紅外涂料技術(shù)，可提高火焰輻射到爐壁的反射率，增強(qiáng)火焰對被加熱物料的傳熱過程，同時(shí)可減少爐壁散熱損失。不過，需要注意涂層的老化現(xiàn)象。

另外，在爐壁上加裝突出、凸起物等能夠有效增加爐壁的反射面積，促進(jìn)爐內(nèi)各個(gè)方向和角落的溫度均勻性。

(4)采用高效清潔燃燒技術(shù)，不僅要求燃料釋放出最高的燃料化學(xué)能，而且力求使燃料在接近于 1的過量空氣系數(shù)下完全燃燒，減少污染物的生成。因?yàn)檫^量空氣系數(shù)過小將導(dǎo)致燃料不完全燃燒，而過量空氣系數(shù)過大容易生成過多的氮氧化物或使火焰溫度不能滿足加熱要求，都會(huì)造成很大的浪費(fèi)，故燃?xì)馊紵髯詈脩?yīng)選用空燃比例能自動(dòng)調(diào)節(jié)的閥門。經(jīng)驗(yàn)表明過量空氣系數(shù)每增加 0.1，排煙熱損失就要增加0.5%左右。對燃?xì)馊紵鱽碚f，過?？諝庀禂?shù)為1.05時(shí)，效率最高。

(5)高效回收排煙余熱，對提高工業(yè)爐能源利用率至關(guān)重要。在工業(yè)窯爐領(lǐng)域，尤其是高溫加熱爐，由煙氣帶走的熱量損失占爐子供熱量的40%～60%以上。降低排煙溫度，減少煙氣帶走的熱量損失，最有效的方式是充分利用煙氣余熱對助燃空氣、燃?xì)夂蜖t料進(jìn)行預(yù)熱。一般助燃空氣溫度每提高100℃，可節(jié)約燃料5%。目前，高溫空氣燃燒技術(shù)已經(jīng)在我國幾百座工業(yè)爐上得到使用，盡管節(jié)能效果明顯，但也帶來了一些負(fù)面作用，例如蓄熱體破損頻繁、煙道堵塞、爐壓波動(dòng)大等。故對中小型工業(yè)加熱爐來說，亟待研制高溫?zé)煔庥酂峄厥昭b置以及煙氣余熱的深度利用裝置。

1.2 工業(yè)爐運(yùn)行管理上的措施

從工業(yè)爐的運(yùn)行管理方面來講，提高操作工的技術(shù)水平，優(yōu)化加熱制度，完善加熱工藝，合理高效組織生產(chǎn)，認(rèn)真、定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，則可以在不付出額外投資的情況下獲得顯著的節(jié)能效果。例如：

(1)定期對在用加熱爐的單位產(chǎn)品能耗水平及現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)測力度，以確定加熱爐達(dá)標(biāo)的實(shí)施方案。建立健全必要的熱工測量和控制儀表，制定司爐工操作規(guī)程，提高操作技術(shù)水平，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，延長爐體壽命等都對節(jié)約燃料有重要的影響。

(2)加強(qiáng)加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，加強(qiáng)加熱爐的日常管理，對在用加熱爐進(jìn)行挖潛增效。注重改善燃料結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確控制空燃比，保證完全燃燒。

(3)嚴(yán)格各項(xiàng)規(guī)章制度的執(zhí)行，定期或不定期組織檢查規(guī)章制度的執(zhí)行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改，使加熱爐各部件始終處于良好的使用狀態(tài)。

(4)定期對一線操作人員、管理人員、設(shè)計(jì)人員有計(jì)劃地組織學(xué)習(xí)、培訓(xùn)與研討，提高操作和管理水平。

(5)積極采用加熱爐節(jié)能新技術(shù)，尤其要加強(qiáng)各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的匹配與整合，使每項(xiàng)技術(shù)的使用始終保持在最佳的使用條件。

2 燃?xì)夤I(yè)爐節(jié)能措施

在2010年首屆中國國際氣體能源峰會(huì)暨生物天然氣產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇上，相關(guān)專家學(xué)者紛紛表示“中國將走入氣體能源時(shí)代”。作為清潔能源的重要組成部分，“氣體能源”將逐步成為21世紀(jì)用能主流已成共識。尤其是在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國，一次能源消費(fèi)比例嚴(yán)重失調(diào)、對石油進(jìn)口高度依賴的不斷攀升、碳排放居高不下，已經(jīng)成為阻礙中國經(jīng)濟(jì)繼續(xù)高速發(fā)展的巨大桎梏。為此從國家到地方，都正在加速推動(dòng)“氣體能源”的發(fā)展。其中，燃?xì)夤I(yè)爐是指應(yīng)用氣體燃料的加熱爐、熱處理爐，由于氣體燃料燃燒特性不同于固體燃料或液體燃料，因此，燃?xì)夤I(yè)爐的節(jié)能措施與固體燃料、液體燃料的工業(yè)爐不完全相同。

在工業(yè)爐窯中，物體通過傳導(dǎo)、對流和輻射傳熱得到熱量，然而對燃?xì)夤I(yè)爐來說，在物體獲得的總熱量中，有60%～70%是來自爐襯的輻射傳熱，而不是火焰的輻射。由此可見，爐窯內(nèi)襯發(fā)射輻射的性能對物體加熱過程有重要影響。由于燃?xì)馊紵幌衩悍廴紵?，能夠通過煤粉固體粒子向外輻射能量，也不像燃油燃燒產(chǎn)生炭黑向外輻射能量。燃?xì)馊紵闹饕a(chǎn)物中只有CO2、H2O等三原子氣體的輻射性能相對好一些，而且輻射光譜還不連續(xù)。因此，如何加強(qiáng)爐內(nèi)高溫傳熱過程是燃?xì)夤I(yè)爐必須考慮的問題。

目前，有廠家采用黑體強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)，即多功能爐襯。該技術(shù)主要是通過火焰以輻射、對流傳熱過程加熱這些黑體元件，即讓燃?xì)夤I(yè)爐內(nèi)襯盡可能多地通過輻射和對流傳熱過程吸收高溫火焰的熱量，再由這些黑體元件向被加熱物料輻射傳熱，從而間接提高燃?xì)饣鹧鎸ξ矬w的加熱強(qiáng)度。

黑體元件是多功能爐襯工業(yè)爐的技術(shù)關(guān)鍵。黑體元件在燃?xì)饣鹧娴膶α?、輻射傳熱作用下獲得熱量，提高溫度，同時(shí)向爐膛空間其它方向輻射能量，使得爐內(nèi)傳熱過程重新分配。黑體元件的輻射強(qiáng)度與其發(fā)射率的大小和溫度高低有關(guān)。而普通爐膛內(nèi)襯的發(fā)射率低，不能有效將燃?xì)饣鹧娴臒崃總鬟f給被加熱物體，而燃?xì)饣鹧鎸α鱾鳠嵊譀]有強(qiáng)化的話，則排煙溫度將比較高，引起高溫排煙損失。從這個(gè)角度來分析，在爐膛內(nèi)襯上安裝黑體元件能夠有效增加被加熱物體的吸熱量。目前，一種錐形多孔陶瓷空腔形式的黑體元件能夠不僅增大爐膛內(nèi)襯的傳熱面積，而且提高了爐膛內(nèi)襯的黑度，強(qiáng)化爐膛內(nèi)襯向物體的輻射傳熱能力，已有相關(guān)的工程應(yīng)用，效果較好。

另外，工業(yè)爐排煙溫度普遍在200 ℃以上，煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態(tài)，其中的水蒸氣汽化潛熱不可能得到應(yīng)用。如果開展煙氣余熱的深度利用，即把煙氣溫度降低至100 ℃以下，可以充分回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，提高能源利用效率10個(gè)百分點(diǎn)，在某些特定條件下甚至可以出現(xiàn)能源利用效率高于100%的情況(因?yàn)檩斎肽芰繒r(shí)是按照低位發(fā)熱值計(jì)算的，未考慮煙氣中的水蒸氣汽化潛熱)。不過，此時(shí)低溫腐蝕是需要特別關(guān)注的問題。

目前，能夠抵抗低溫腐蝕的鋼材或工藝措施已經(jīng)研制出來，可保證在一個(gè)檢修期內(nèi)不會(huì)銹蝕，影響正常操作。如果由于回收了煙氣余熱而帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高于更換、維護(hù)這種換熱器的話，則可以推廣應(yīng)用這種煙氣余熱深度利用的技術(shù)。

3 總結(jié)

工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)的探討，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)至關(guān)重要。目前，要推廣應(yīng)用新型高效清潔燃燒裝置，使用富氧燃燒技術(shù)，合理應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)，減少氧化燒損，加強(qiáng)工業(yè)爐操作管理，合理調(diào)度生產(chǎn)計(jì)劃。針對具體的某個(gè)工業(yè)爐來說，準(zhǔn)確控制空燃比，減少爐墻散熱損失，降低排煙溫度，甚至使用煙氣冷凝技術(shù)等，都可以增加工業(yè)爐的熱效率。對燃?xì)夤I(yè)爐來說，使用黑體強(qiáng)化輻射傳熱技術(shù)能夠強(qiáng)化爐膛內(nèi)襯輻射傳熱能力，增加燃?xì)饣鹧鎸ξ矬w的加熱，從而降低爐膛排煙溫度。