火焰炉在工业炉窑中的节能潜力

火焰炉在工业炉窑中的节能潜力

1炉窑能耗及运行效率在冶金、化工、机械工程等部门，按照燃料燃烧火焰作为燃料燃烧火焰的源，统称为火炉。火焰炉广泛应用于物料(工件)的焙烧、干燥、熔化、熔炼、加热和热处理等生产环节,在上述各工业部门的生产中都占有重要地位,对产品的产量、质量、消耗、成本和环境污染等都有重大影响1。可见,火焰炉在我国工业炉窑中起着举足轻重的作用,它必须满足高产、优质、低消耗和少污染的生产目标。据不完全统计,全国县以上企业工业炉窑约十几万台,能耗占全国总能耗的25%,占工业总能耗的60%。其中火焰炉约6万台,占工业炉窑总数的55%以上,能耗占工业炉总能耗的92%,占全国总能耗的23%。其中固体燃料约占70%,液体燃料约占20%,气体燃料约占10%2。燃料结构不合理,多数炉窑仍以煤为燃料,炉窑总体水平较低,近10年来,火焰炉的生产和节能技术进步成绩显著,虽有部分炉子达到国外当代先进水平,但尚属少数。炉窑单位能耗及运行热效率与国际平均水平差距很大,产品单位能耗锻造炉是0.6～2.0t标准煤,为世界先进指标的2～6倍;热处理炉是0.5～0.8t标准煤,为世界先进指标的4～7倍3。火焰炉的热效率平均为30%,而国际上火焰炉的热效率平均在50%以上4,可见我国火焰炉节能还存在很大潜力,必须大力推广生产上行之有效的成熟技术。本文从以下几个方面介绍火焰炉的节能技术和发展方向。2燃料炉的节能2.1大力推进洁净煤技术炉用燃料的选择对组织炉内火焰的合理、稳定、高效燃烧起着决定性的作用,所以应根据加热工艺要求、燃料资源和火焰炉的种类,选择合适的燃料。火焰炉的最佳燃料是气体燃料,特别是高热值的天然气、戊烷合成气、混合煤气等,其次是液体燃料,再其次是烧煤。我国以煤为燃料的火焰炉所占比例很大,与发达国家相比,燃料结构不合理。受燃料的限制,燃煤火焰炉炉体庞大、燃烧过程不稳定、炉温波动大、气氛很难控制、加热质量差、热效率低、能耗远高于燃油和燃气炉。因此将煤分级使用或转化为煤气使用,是火焰炉用煤的方向,即应大力实施洁净煤技术。煤的气化是洁净煤燃烧的核心技术,生产工业燃料气的煤气化技术以前一直是以常压固定床煤气发生炉为主。只有少数要求加热温度较高的企业采用常压固定床水煤气炉。近年来,随着建材行业的迅速发展和一批建筑陶瓷与卫生洁具生产线的引进,有些建材企业相继采用了常压固定床发生炉两段炉,现在已有几十台这样的气化炉在运行。目前,我国开发了许多实验室规模的高新煤气化技术,如高温气化5、内循环流化床煤气化6、粉煤加压气化7等,由于产业化方面缺乏完整的支撑体系,工业化开发进展缓慢。希望国家有关部门和有实力的企业应投入资金和力量加快技术开发力度,从而在不远的将来,使我国自行开发的高效、先进、实用的煤气化技术能在国内得到广泛应用。随着我国对能源和环保的重视,逐步以液体、气体燃料代替固体燃料,优化燃料结构应是我国火焰炉节能的重要战略。2.2燃煤烧圆的发展燃料燃烧是通过安装在火焰炉上的燃烧器完成,其性能的好坏直接影响炉子燃料的消耗量。要求燃烧器高效、节能和高性能。根据炉子生产目的、工作形式、结构形式等,比较不同燃烧器的特征,正确设计,选择及合理安装使用燃烧器可以节能5%以上。燃气烧嘴中,20世纪70年代以前多为高压喷射式烧嘴,约占50%以上,其余多为低压涡流式,新型烧嘴只占6%。燃油烧嘴中,多采用低压空气雾化油嘴,如R型、RK型,后来的F型自动比例调节烧嘴。固体燃料燃烧装置中,人工加煤的采用简易燃烧室,机械加煤的采用各种炉排燃煤机,粉煤燃烧则采用可调式燃煤烧嘴。从20世纪80年代至今,我国成功地自行开发研制了多种适合国情的新型燃烧器,如低NOX烧嘴、高速烧嘴、平焰烧嘴、自身预热烧嘴、蓄热式烧嘴等。这些烧嘴既能满足工艺要求,保证产品质量,同时又实现低污染,保证温度均匀性,满足加热温度曲线,控制炉内气氛等,得到了推广使用。对于重油雾化质量差的燃烧器可采用重油掺水乳化技术以改善乳化质量,提高燃烧效率,节约重油消耗和冒烟污染问题。2.3浇注料、炉窑和炉窑火焰炉炉衬的蓄热和散热,一般占炉子总能耗的20%～45%,选用节能型的耐火材料可减少炉体的蓄热和散热损失,提高热效率。筑炉材料的发展趋向是“两高一轻”,即高温、高强、轻质。20世纪80年代前,火焰炉都用耐火砖、隔热砖砌筑而成。80年代开始了捣打料、可塑料和浇注料不定型耐火材料的应用,使火焰炉的气密性得以进一步提高。近年来,发展较快的有快干浇注料和快干自流浇注料、高温耐火纤维、节能炉衬涂料和多功能炉衬。(1)浇注料的导热系数比砖体炉衬小,炉体气密性好,使用寿命长,将成为非金属炉用材料的主流材料。轻质莫来石浇注料是非常适合于火焰炉使用的浇注料。目前,浇注料正向微粉(0.1～10m)、超微粉(<0.1m)相结合的方向发展。用超微粉结合的低水泥浇注料是近期在我国出现的一种性能及其优越的高档浇注料。使用浇注料炉衬比砌砖炉子可节能2%～4%左右。(2)耐火纤维是一种超轻质耐火材料,它的基本性质是相对密度小、导热系数小、比热容低。用耐火纤维筑炉,在节能、省材、提高炉子生产能力和改善炉子热工性能等方面都具有明显的效果。对于使用温度为1000℃以下的炉窑如热处理炉,可以在炉窑内壁板贴一层耐火纤维,也可以全部用耐火纤维作炉衬。对于1300℃以上炉温使用的耐火纤维,尽管国内外已开发出来,但由于价格昂贵,限制了它的使用和推广。如果炉子全部用耐火纤维炉衬,炉体显著减轻,则炉体钢架等结构都可以轻型化,炉窑设计将有很大变化。对于高温炉窑,可以把耐火纤维贴在炉壁外层当作绝热材料使用也是经济合理的。使用耐火纤维炉衬比砖砌炉子可节能5%～8%。(3)炉窑内壁涂刷辐射率(黑度)大的涂料,可以强化炉内的辐射传热,有助于热能的充分利用。高温远红外节能涂料有很好的节能效果。它适用于炉温700～1800℃的各种火焰炉。将它刷涂或喷涂于炉衬内表面,形成2.5～3.0mm的涂层,利用涂层的红外辐射性能,不仅可加强辐射,防止热量流失,还可保护炉膛工作面,延长炉子寿命,起到保护炉体和节能降耗的作用。一般节能效果为5%～7%8。(4)多功能炉衬是利用《自带黑体筑炉材料及其加热炉窑》专利技术,把红外物理中黑体的概念加以技术化,制作成工业标准的黑体元件,安装在炉膛内,众多的黑体元件和炉衬共同组成的。黑体元件用以调控热射线,改变其漫反射状态,使之集中、有效地射向工件,增大了热射线的到位率,提高了对工件的辐射度,大幅度地提高了炉子的热效率。多功能炉衬适用于各种高、中、低温火焰炉,可节能20%～30%9。该技术实施方便,可在不改变原炉膛结构的基础上改造现有加热炉窑,见效快、效果大,是改造传统加热炉窑的关键技术。2.4高温空气燃烧技术火焰炉出炉烟气温度较高,排烟损失对炉窑热效率影响最大,烟气余热随炉温变化,约占总供给热的30%～70%不等,充分回收余热,节约燃料,是炉子节能的重要途径。一般都回收来预热助燃空气,助燃空气温度每提高100℃,可节约燃料5%,因此最大限度地回收烟气余热是火焰炉节能发展的主要方向。目前,工业炉窑的助燃空气预热90%是采用换热器,但是换热器受其固有结构的限制,效率不高,换热器的空气预热温度一般为400～600℃,废气排放温度仍有600～700℃,而且使用寿命短、维修时间长、费用高。大量的烟气余热得不到充分利用。此外,换热器满足不了某些热工设备高风温的预热要求,有些企业不得不花高价购买高热值燃料,而来源丰富、价格低廉的热值较低的燃料往往得不到充分利用,甚至被放散。由此,20世纪80年代末,日本学者田中良一等人提出一种全新概念的高温空气燃烧技术(HTAC),燃料在温度近1000℃,氧含量5%～8%的气氛中燃烧,燃烧非常安全、炉温非常均匀。由于炉内没有明显的火焰形状,消除了火焰局部高温,而产生的NOX低于100×106,较过去的高温火焰炉减少了5/6。燃烧产物中几乎不含CO和H2等可燃物,CO2排放量降低近50%,完全达到环保要求,并因回收大量的烟气余热,节约燃料近50%10。我国高温空气燃烧技术的研究开发起步于20世纪90年代中期,近几年在该技术领域已开发出数种蓄热式烧嘴、燃烧器、辐射管及装置系统,并成功应用于几十家企业近130套装置上,其中蓄热式连续加热炉50余座,蓄热式钢包烘烤装置30余套,蓄热式均热炉40余座。高温空气燃烧技术在火焰炉上的应用,实现了火焰炉三高一低(高炉温、高烟温、高余热回收和低惰性)的要求。该技术主要的应用领域是燃用液体和气体燃料的各种火焰炉,对使用固体燃料的窑炉,则可将固体燃料转化为气体燃料,再实施高温空气燃烧技术。目前将经过净化处理的冷发生炉煤气用于蓄热式加热炉已经有很多成功的实例,如太钢三轧、江西洪都钢厂、大冶特钢等加热炉都取得了比较好的经济效益,另外由某公司设计施工的燃用热脏发生炉煤气的蓄热式加热炉在天津江天型钢厂也顺利投产,并取得了显著的经济效益11。由于高温空气燃烧技术的众多优越性,其将成为火焰炉节能技术发展的重要方向。2.5脉冲燃烧控制技术应用前景展望对火焰炉而言,各种热工参数的检测与控制是改善燃烧、降低能耗、保证工艺要求、提高产品质量和产量的重要措施之一。目前国内有数以百计的炉窑进行计算机控制。(1)燃料燃烧控制:工业炉窑进行计算机控制的第一步是实现燃烧控制,即实现炉温、供燃料量、燃料量与空气量的配比以及炉压的控制。目前,国内的火焰炉窑一般都采用连续比例(PID)燃烧控制的形式,即通过控制燃料和助燃空气流量的大小来使温度、燃烧气氛达到工艺要求。但由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约,在大多数工业窑炉中的控制效果不佳。近年来新发展起来一种工业窑炉控制技术——脉冲燃烧控制技术,在国内外已得到了一定程度的应用并取得了良好的效果。该技术与传统的比例(PID)控制、限幅控制相比,具有以下优势:对不同燃料有良好的适应性,不受燃料量的测量和调节这一关键性环节的制约,特别对于温度上升与下降的滞后性十分严重的大型窑炉,它均能达到理想的温度控制曲线。目前高档工业窑炉产品对窑炉内温度场的均匀性要求较高,对燃烧气氛的稳定可控性也要求较高,使用传统的连续比例调节控制方式无法实现。随着宽断面、大容量工业窑炉的不断出现,必须采用脉冲燃烧控制技术才能有效地控制窑炉内温度场的均匀性,从而提高窑炉的生产率和产品质量,降低能耗。采用脉冲燃烧控制技术后,燃烧热效率可达45%以上,比未采用此技术的火焰炉的燃料消耗至少降低30%以上。脉冲燃烧控制技术作为一项新技术具有广阔的应用前景,可广泛应用于陶瓷、冶金、石化等行业,对提高产品质量、降低燃耗、减少污染将发挥重大作用,是今后火焰炉在自动控制领域的一个重要发展方向12。(2)数学模型优化控制:在实现燃烧控制的基础上,进一步提高控制水平就要靠数学模型进行优化控制,主要内容是优化炉窑的热制度。炉窑热制度的核心是炉温制度和供热制度,因此可以是控制炉温曲线为最佳,也可以是控制供热曲线为最佳,即最佳供热分配。数模优化控制在燃烧控制基础上可进一步取得节能10%左右的效果。(3)生产优化控制:火焰炉窑是工厂或车间整体中的一个局部,其工作应放到整体中加以衡量,炉窑自身的燃烧控制、数模优化控制可能是最佳效果,但放在工厂和车间领域来衡量则不一定是最优,这当中涉及各设备的协调、调度和管理等问题。因此再提高一个层次就要进行管理优化控制,该管理优化控制的效果在数模控制的基础上可再节能约5%。3社会主义新技术的进步(1)改变能源消费结构,以油、气取代煤等固体燃料、将煤等固体燃料转化为煤气后使用,是我国火焰炉节能发展的战略性方向。(2)根据炉子生产目的、工作形式、结构形式等,正确设计,选择及合理安装使用