淺談黑體技術(shù)在某鋼廠加熱爐上的應(yīng)用

上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司 楊文濱 孔令斌 黃 立 陳志良

淺談黑體技術(shù)在某鋼廠加熱爐上的應(yīng)用

上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司 楊文濱 孔令斌 黃 立 陳志良

對(duì)軋鋼加熱爐爐膛內(nèi)的熱射線可采用黑體技術(shù)，在爐膛內(nèi)布置一定數(shù)量的黑體元件，這樣既增大傳熱面積，又提高爐膛的發(fā)射率，更能對(duì)爐膛內(nèi)的熱射線進(jìn)行有效的調(diào)控，使之從漫射的無序狀態(tài)調(diào)控到有序，直接射向鋼坯，提高對(duì)鋼坯的輻照度和熱射線的到位率，強(qiáng)化輻射傳熱，可取得顯著的節(jié)能效果。

黑體；加熱爐；節(jié)能

1 概述

鋼鐵行業(yè)是高耗能行業(yè)之一，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排工作備受關(guān)注。軋鋼加熱爐作為鋼鐵生產(chǎn)過程中的主要耗能設(shè)備之一，加熱爐熱效率提升一直是軋鋼加熱爐節(jié)能減排研究熱點(diǎn)。

軋鋼加熱爐熱傳導(dǎo)方式以輻射為主，被加熱工件所吸收的熱輻射主要由三部分組成，一是爐膛內(nèi)壁，二是火焰，三是煙氣。被加熱工件所得到的熱量遵循以下傳熱原理[1]：

式中：Q-被加熱工件所得到的熱量；

Tq-爐氣的溫度；

Tw-爐體（爐頂、爐墻、爐底）的表面溫度；

εq-爐氣的輻射傳熱系數(shù)；

εw-爐體的輻射傳熱系數(shù)；

ε-被加熱工件輻射傳熱系數(shù)；

Fw-爐體的有效面積；

v-爐氣的流動(dòng)速度。

即工件吸收的熱量與爐體面積、爐體、爐氣的輻射系數(shù)（黑度）成正比，與爐體、爐氣溫度的4次方成正比，同時(shí)熱輻射是電磁波即熱射線的形式傳播的，但目前一般在中、高溫工業(yè)加熱爐的爐膛內(nèi)，均沒有對(duì)“漫反射”狀的熱射線采取調(diào)控措施，也就是說，熱源發(fā)出的輻射能沒有完全直接被工件吸收，造成熱能大量浪費(fèi)。

通過研究增大爐體面積Fw和提高爐襯黑度εw會(huì)強(qiáng)化爐氣與爐襯之間的輻射傳熱，使?fàn)t襯內(nèi)表面的溫度升高，從而也就強(qiáng)化了爐襯與工件之間的輻射傳熱。

2 黑體技術(shù)節(jié)能原理[2]

黑體技術(shù)，是根據(jù)紅外物理的黑體理論，制成集“增大爐膛面積、提高爐膛發(fā)射率和增加輻射照度”三項(xiàng)功能于一體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)黑體，將眾多的黑體元件安裝于爐膛內(nèi)壁適當(dāng)部位，既增大傳熱面積，又提高爐膛的發(fā)射率，并且基本不老化，更能對(duì)爐膛內(nèi)的熱射線進(jìn)行有效的調(diào)控，使之從漫射的無序狀態(tài)調(diào)控到有序，直接射向鋼坯，提高對(duì)鋼坯的輻照度和熱射線的到位率，強(qiáng)化輻射傳熱，取得顯著的節(jié)能效果，節(jié)能原理見圖1所示。

黑體元件具有三大功能：

○增大了爐膛的傳熱面積。爐膛內(nèi)設(shè)置眾多黑體輻射元件可增大爐膛傳熱面積一倍左右。

○提高了爐膛的發(fā)射率。黑體輻射元件根據(jù)加熱爐傳熱原理及紅外物理的黑體理論，采用合理的黑體空腔形腔比及材料配置制作，發(fā)射率0.95。黑體元件的高發(fā)射率由其幾何參數(shù)及表面特性獲得，具有很高的穩(wěn)定性，在不超過1790℃的高溫狀態(tài)下基本不老化。。

○增加了對(duì)工件的輻照度。黑體輻射元件將漫射狀的熱射線從無序調(diào)控到有序，定向射向被加熱工件，提高了熱射線的到位率，使工件單位面積上的輻射能增加，即輻照度增大。

圖1 節(jié)能原理示意圖

3 案例分析

以某鋼廠棒線加熱爐為例進(jìn)行黑體技術(shù)節(jié)能改造。

3.1 加熱爐基本參數(shù)

○爐型：步進(jìn)梁加熱爐；

○裝爐方式：側(cè)進(jìn)側(cè)出；

○裝出料懸臂輥道中心線距離：25m；

○爐膛內(nèi)寬：12.8m；

○上爐膛高度：1.4m（均熱段），1.7m（加熱段），0.95m（預(yù)熱段）；

○下爐膛高度：2.2m；

○燃料種類：高焦轉(zhuǎn)混合煤氣；

○混合煤氣熱值：7500kJ/m3；

○加熱爐額定小時(shí)產(chǎn)量160t/h。

3.2 黑體元件布置范圍及分布設(shè)計(jì)

根據(jù)加熱爐具體狀況在爐膛內(nèi)布置黑體元件，詳見表1。

（1）黑體元件布置范圍：

爐頂：35～55個(gè)/m2；

爐墻：40～60個(gè)/m2；

隔墻：35～50個(gè)/m2。

（2）黑體元件分布設(shè)計(jì)

可在加熱爐爐膛溫度大于800℃處設(shè)置15432個(gè)黑體輻射元件。

（3）布置說明：

○預(yù)熱段從溫度＞800℃處開始設(shè)置黑體輻射元件；

○兩側(cè)墻離爐底0.7m，離爐頂0.2m區(qū)域內(nèi)不設(shè)置黑體輻射元件；

○在燒嘴磚和收縮縫處不設(shè)置黑體輻射元件。3.3節(jié)能效果分析

該加熱爐于2014年4月26日至5月1日進(jìn)行了黑體技術(shù)改造，歷時(shí)6天。為計(jì)算節(jié)能效果，在被加熱鋼坯的材質(zhì)、規(guī)格、加熱工藝、爐子狀況等基本一致，且爐子在正常運(yùn)行情況下，對(duì)該加熱爐做了改造前后的能耗測(cè)試。

其對(duì)比結(jié)果為：該爐子在冷裝情況下改造前噸鋼能耗1.2GJ/t鋼；改造后噸鋼能耗1.1GJ/t鋼，節(jié)能率10%，全年可節(jié)標(biāo)煤1500tce?；旌希ǜ摺⒔?、轉(zhuǎn)）煤氣價(jià)格按58元/GJ計(jì)算，全年創(chuàng)效在250萬元以上。

表1 爐膛內(nèi)元件布置方案

4 結(jié)論

黑體技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在不改變爐體的任何結(jié)構(gòu)以及任何生產(chǎn)工藝的情況下，能夠提高爐子的生產(chǎn)力，使?fàn)t溫均勻性增強(qiáng)，爐襯的使用壽命延長(zhǎng)，節(jié)約能源，減少排放。既符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策，也給使用單位帶來很明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]曾祥模．熱處理爐．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989年

[2]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄（第四批）．2011年12月

金山區(qū)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整助推節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)升級(jí)

近年來，金山區(qū)穩(wěn)步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，取得了較好成績(jī)。

2006-2013年全區(qū)累計(jì)調(diào)整“三高一低”項(xiàng)目超過390項(xiàng)，完成了皮革鞣制染整行業(yè)、鉛蓄電池行業(yè)整體退出，完成了金山衛(wèi)化工集中區(qū)域21家與產(chǎn)業(yè)布局不匹配的偏小偏差企業(yè)的調(diào)整工作。8年調(diào)整累計(jì)共節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤26.98萬噸，調(diào)整涉及土地約4405畝，分流職工2.29萬人，有力助推了節(jié)能減排，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型騰出了空間，為深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整打下了基礎(chǔ)。

2014年，金山區(qū)分行業(yè)、分階段推進(jìn)實(shí)施重點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。年內(nèi)實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整項(xiàng)目55項(xiàng)以上，淘汰高能耗、高污染、高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)，壓減低技術(shù)勞動(dòng)密集型、加工貿(mào)易型、低效用地型等一般制造業(yè)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)污染排放物、安全隱患點(diǎn)、能源消耗量持續(xù)減少，同時(shí)不斷釋放存量資源。

該區(qū)計(jì)劃到2015年底，將著力實(shí)現(xiàn)工業(yè)區(qū)塊外化工，包括危化企業(yè)的調(diào)整淘汰，完成非法或違規(guī)產(chǎn)能整治工作。

（金山區(qū)）

The Application of Black-body Technology in the Heating Furnace

Yang Wenbin,Kong Linbin,Huang Li,Chen Zhiliang

Black body technology could be used in manage the heat rays in the firing space of furnace.The black body installed in the firing space could enlarge the heat transfer area and increase the emissivity of firing space.In the meantime,black body could help effectively control the heat rays from randomly diffusion into orderly onto the steel billet. This will help increase the irradiation of steel billet and the arrival rate of heat ray,therefore strengthen the heat transfer by radiation and save energy significantly.

black body,heating furnace,Energy saving

楊文濱75年生，2005年博士研究生畢業(yè)，多年從事工業(yè)尤其冶金行業(yè)的節(jié)能研究及實(shí)際應(yīng)用，發(fā)表節(jié)能相關(guān)論文多篇。