我国热处理燃料炉的发展历程

我国热处理燃料炉的发展历程

1以燃料为主的燃料政策热处理是提高木材和工艺质量的重要过程。有种种不同的热处理工艺,但其共同特点是尽量使炉内温度分布均匀,炉子升温及冷却制度准确、工件不变形或少变形,表面不氧化脱碳或少氧化脱碳。因此热处理炉是工业炉中对其性能要求最高的一类炉子。热处理燃料炉由于其火焰流动场变化的瞬时性和不可重复性,对确定它的热工组织带来了艰难性。80年代以前,由于受到历史上的重冷轻热,高档燃料短缺的影响,我国对工业炉窑的燃料政策以燃煤为主,我国燃料炉中以油气为燃料的仅占30%,其中燃油也必须燃重油或渣油。燃煤所占的比重为世界平均值的2.7倍,以燃煤为主的热处理燃料炉决定了我国热处理燃料炉水平低下,热处理工艺得不到保证,并带来了一系列社会经济问题,主要体现在:炉型落后,能源利用率低,经济效益不高,环境污染严重,热处理产品质量得不到保证。自70年代初期开始,我国燃料炉工作者就着眼于提高燃料炉技术的研究、原机械部于1978年和1984年前后两次组织工业炉考察组赴西欧进行工业炉考察,以国外工业发达国家先进的工业炉为追求目标,开展了全面的研制,经过20余年的努力,一批先进的热处理燃料炉相继研制成功,效果显著,综合技术性能达到80年代国际先进水平,具有代表性的产品如机械部二院为上海锅炉厂设计研制的30m全纤维台车式大型热处理炉,获得了国家科技进步一等奖。当前对热处理燃料炉而言,除了以高性能来满足热处理工艺的要求外,高效节能和减少环境污染是重要的追求目标。2先进的燃料炉技术2.1我国热处理燃料炉的应用“二高一轻”是指高温、高强和轻质。原机械电子部于1989年在“节能设计技术规定”中明确指出:对热处理炉要尽量采用耐火纤维、轻质或超轻质高温、高强度耐火材料炉衬。硅酸铝耐火纤维是1942年由美国BW公司首先制成,1953年相继投放市场,1965年开始在中温炉上推广应用,节能效果显著。1973年北京耐火材料厂首次将普通耐火纤维投入市场,1974年机械部二院首先将普通耐火纤维在我国热处理燃料炉上进行试应用,并取得成功。研究应用证明,在对耐火纤维材质选择正确的前提下,燃料炉的炉衬耐火砖完全可由耐火纤维代替,在合理的炉衬结构下,热效率可以提高到30%～40%。由于炉衬轻,无拱顶推力,炉门轻,故骨架负荷大为减少,可节约建炉钢材1/3左右,同时可简化炉体基础。由于炉壁轻,热容量小,炉子升温快,有利操作周期缩短,炉子作业率和热效率提高,使炉子同时获得节能、增产的效果。(1)采用的工艺参数推荐使用温度是选材的最重要条件,应该以纤维制品长期(或持续)使用温度作为材料实际使用温度,对纤维材质选用推荐如下:炉温<1000℃,选用Al2O3≥45%的普通硅酸铝纤维制品;炉温为1100～1100℃,选用Al2O3≥47%的高纯硅酸铝纤维制品;炉温为1100～1200℃,选用Al2O3≥54%的高铝硅酸铝纤维制品;炉温为1200～1300℃,选用Al2O3≥72%的多晶莫来石纤维制品。(2)叠板式炉衬技术一般有贴面和全纤维炉衬两种基本类型:贴面炉衬。适用旧炉改造,简单易行,施工快,投资少,贴面厚度以50mm为宜。全纤维炉衬。它能充分显示纤维制品优良特性,实现高效率,低能耗,轻型化炉体结构,其结构大致分为:层铺式结构可根据各层不同温度,合理选择不同的合适材质,降低炉子造价,但由于国产陶瓷紧固件易断裂,耐热钢紧固件价格昂贵,此法在国内使用受到了限制。国内使用叠板式结构较多,机械部二院研制成的全纤维大板块结构,已在国内广泛应用,它与炉架施工同步进行,可缩短建炉周期,粘贴剂成本低,叠纤维进行过预压缩,板块大,接缝少又减少热短路损失并且耐火流冲刷,在炉温状态下层铺纤维最高允许气流冲刷速度为15m/s,而叠板炉衬可耐60m/s高速冲刷,从而提高了炉衬使用寿命。此外折毯制模块在燃料炉上用得也很普遍,由于它需要用相当数量的耐热钢锚固件,从价格上相比较,制造成本要比叠板式粘贴结构贵。近年来,耐火纤维喷涂施工方法在国内也见增多,它是将散棉由高压喷枪喷出,结合剂通过泵与纤维棉混合后喷涂在工作面上,此方法可消除其它方法产生的接缝,炉衬密封性好,施工速度快,增加了节能效果,延长了炉子寿命,但由于施工需要专用的喷涂设备,影响了推广使用,此方法目前在化工系统用得较多。2.2高速烧前气流的运行效果燃烧装置是热处理燃料炉的“心脏”,要求它高效、节能和高性能。进入90年代后,我国先后自行开发研制了多种燃烧器,其中有:有焰烧嘴、平焰烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴等。近年来又研制成蓄热式烧嘴。对热处理燃料炉而言,除了高效节能外,同时要求高性能,即能满足各种热处理炉工况的要求,首先是保证炉温均匀性达到工艺要求,为此在热处理燃烧炉中高速调温自控烧嘴被广泛选用。它给热处理燃料炉带来的好处是:(1)高速气流强化了炉内气流循环,提高了炉温均匀性。经测量高速烧嘴在出口速度为90m/s时,气流张角为19°12′,在距烧嘴8m,宽度2.8m范围内,气流速度仍具有8.2m/s的流速,它所控制的温度场比一般普通烧嘴大5～7倍,也就使炉内温度更均匀。(2)高速气流强化了炉内对流传热。采用高速烧嘴的炉子,工件升温显著加快,采用高速烧嘴后,除工件升温快以外,明显的不同是保温后期的工件温度与炉膛温度也趋一致,其原因是炉内对流热交换占了主导地位,约占35%～85%。(3)可实现自控供热。烧嘴本身配有自动点火、火焰保护和自动调节等装置。针对高速烧嘴的特性——高速气流强制循环,控制上可采用国外先进的脉冲控制方法,根据热处理工艺在各温度控制范围内的供热需求量,控制各个烧嘴大、小火交替变化频率,既保持了高速气流强制循环效果,又保证了控温精度。(4)可使炉内结构简单化。根据高速烧嘴气流特性,烧嘴布置间距可达3000mm(一般普通烧嘴布置间距不宜大于1500mm),这样高速烧嘴可设计成单只大容量的,也就减少了烧嘴数量,而不影响炉内温度均匀性。高速气流充满了炉内各处,排烟口对炉内温度场影响很小,设计中可把排烟口设置在炉体结构允许的任一处,且可以用大排烟孔替代数量众多的小排烟孔,从而使炉体结构简单化,也就可节约炉子造价约10%～12%。高速烧嘴强化了炉内气流循环,提高了炉温均匀性,保证了热处理工件质量,而它的燃烧完全和强化对流传热可提高炉子热效率,一般周期操作热处理炉平均节能达8%～12%。对炉膛尺寸较小或有其它特殊要求的炉子,在不宜选用高速烧嘴的情况下,应选用其它高效、节能和性能好的燃烧装置。2.3稳定网络场景的各种技术(1)炉压控制回路一般情况下,当燃料消耗量增大时,炉内压力会增大,当烟囱抽力增大时,炉内压力会减小,反之,炉压会反向变化。实现炉压控制的方法有多种,完善的方法是在炉内合适位置,设置取压元件,通过微差压变送器,将压力信号转换成电信号,使执行机构动作,改变烟阀开度,把炉内压力调整到设定值,经以上回路形成炉压自动调节系统,有效、正确地控制炉内压力变化,其调节灵敏度在±0.98Pa以内。据测试,正确控制好炉压,将可节约能源近10%。(2)炉体密封难以实现炉体密封是实现炉压控制的先决条件,在密封性好的炉子内,控制系统才能使炉压恒定在最佳点。过去由于密封材料得不到解决,炉体密封得不到实现。破坏炉体密封性的要害部分是炉门和台车对炉体的结合面,此两处泄漏最厉害,也难以解决。当今,由于硅酸铝耐火纤维制品的出现,为解决炉体的密封创造了条件。耐火纤维质轻柔软,富有弹性,用它制成刚性和柔性的密封面,再配以弹簧或汽缸压紧,可有效地解决各处的密封问题。它也避免了密封面之间的磨擦,提高了密封部件的使用寿命。2.4设备选择的影响烟气带走的热量占燃料炉总供热量的30%～70%,充分回收从炉内排出的烟气热量,加以充分利用,是降低炉子能耗,提高炉子系统热效率的重要措施,在燃料炉上回收烟气余热最有效和应用最广的是换热器。我国近年来开发和推广应用的高效换热器有喷流辐射换热器,波纹管插入件管式换热器,传输对流换热器等,他们的特点是综合传热系数高。一般而言,预热风温每提高100℃,可节约燃料5%,预热温度在350℃以上才是合理的。由于热处理工艺的独特性,周期间歇式操作较多,当预热风温到达最高值时,炉子马上转入了保温、降温阶段,预热器真正的效益体现不充分。随着燃料炉自动控制技术的发展,自动控制和调节阀的采用,气体介质的温度受到限制,也限制了预热风温的提高。因此如何选择合理的性能价格比高的预热器,应视不同炉子及不同工艺而决定。近期国内研制的蓄热式换热器,可将炉子排出的800～1200℃烟温降到150℃左右排放,同时可将预热介质预热到700～1100℃,余热利用率高达90%以上,节能效益可达30%以上,其应用前景宽广。3人类的自然环境的保护是国际社会共同关心的问题,是国际社会共同关注的问题,国际社会共同关注的问题,国外对人类自然环境自20世纪中、后期开始,人类社会进入加速发展的新时期,人类社会的发展与环境保护之间的矛盾日益突出,保护人类的生存环境,成为国际社会共同关心的问题。矿物燃料(煤、石油、燃气)燃烧后产生的CO2、SO2、ROX、NOX对大气、水质造成严重污染,这对燃料炉工作者提出了严峻的课题,既要炉子是高效节能的,又必须是清洁无污染的“绿色工业炉”。3.1提高国内先进的75.节能技术工业炉的热效率平均为30%,而热处理炉只有8%～25%,机械部在JBJ14-86《机械工业节能设计技术规定》中要求达到国内先进的炉子热效率如表1。这与国际先进水平相比差得很多。如果我国热处理燃料热效率提高10%,每年可少向大气排放CO2几亿t,同时亦可减少SO2、NOX、ROX等有害燃烧产物的排放。3.2燃料的性能要求80年代以前,我国对工业炉窑的燃料政策基本是以煤为主,这便带来了一系列社会经济问题,主要是:(1)热能利用率低。(2)加热质量差。燃煤炉炉膛温差大,造成工件加热不均,影响到热处理质量。另外是工件氧化严重。燃劣质燃料,一般需要较大的空气过剩系数,过氧燃烧造成工件大量氧化。(3)环境污染严重。随着国家经济的发展,为满足产品质量、节能和环保日益提高的要求,应该以高级燃料替代低档燃料,“绿色工业炉”是社会对燃料炉工作者提出的新的要求。近年来,由于先进燃料炉技术的开发研制成功,同时在控制技术上采用各种先进的炉温集散和微机智能控制等技术,使我国的工业炉面貌焕然一新,热处理燃料炉整体水平有了相当提高,有的已达到国际先进水平,炉子热能利用率达到40%以上,因此我国长期以来“以煤为主”的能源结构应该代之以多燃料共存共用的结构,为热处理燃料炉早日实现“绿色工业炉”创造条件。4燃料炉的性能保障经过燃料炉工作者几十