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中國兵器行業燃氣工業爐發展現狀及節能趨勢分析熱處理展-工業爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業爐展--巨浪展覽—The 15th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment,Industrial Furnace Exhibition
2014年2月28日熱處理展-工業爐展

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    兵器行業是國家戰略性產業，是國防事業的基礎。根據兵器行業所承擔的國防軍工任務和生產企業專業特點，可分為裝甲車輛、火炮、彈藥、火炸藥、火工藥劑、光電等多種專業生產領域。燃氣工業爐是我國兵行業工業加熱的主要高能耗設備，占行業總能耗的1/5。隨著西氣東輸工程的開展，天然氣大量應用于工業爐窯，近幾年兵器工業集團公司以此為契機，對行業內的部分工業爐窯進行了局部適應性改造，但在采用節能新技術和新材料上受到了一定的制約，部分爐型結構仍為蘇聯老式結構，燃燒系統與爐型結構不匹配，爐子不能發揮其最佳性能，能耗較高。
       我國兵器行業工業爐，按爐型結構分：臺車爐、環形爐、室式爐、縫式爐、推桿爐、步進爐、懸掛爐、輥底爐、干燥爐、烘干室等十多個種類。按用途主要分為五大類：熱處理、加熱、焙燒、噴涂烘干、烤包。其中熱處理爐和加熱爐是工業爐的主要組成部分，分別占行業燃氣工業爐總比例的55.10%和18.13%。
     1 存在的主要問題
     對設備、運行管理兩大方面存在的主要問題進行闡述。
     設備
      1.1.1 燃燒裝置耗能高
      燃氣工業爐目前大多采用高速或亞高速燒嘴，該結構的燃燒器主要采用對流方式進行傳熱，升溫速度快、通用性強。隨著天然氣在我國的推廣，曾廣泛用于中、低溫等熱處理爐以替代原蘇式結構的低壓渦流燒嘴。但高速燒嘴也存在一些不足之處，燒嘴自身的燃燒效率有限，燃燒產生的煙氣余熱不能充分用于爐膛內的熱交換。對于高溫鍛造加熱爐來說，爐膛容積較小，但爐溫卻在1 300℃以上，爐膛內的熱交換主要以輻射傳熱為主，采用高速燒嘴會延長升溫時間，增加燃氣消耗，而且高速燒嘴用于小型高溫爐膛會增加爐壓調節的難度，間接降低爐溫均勻性。隨著蓄熱式燒嘴、自身預熱式燒嘴、低 NOX燒嘴、富氧燃燒器等眾多新型燃燒器的出現，該結構燒嘴目前已趨于落后。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com
     1.1.2 爐襯結構不合理
     在對兵器行業的能源審計中發現，大部分工業爐仍沿用傳統的磚砌筑結構，爐襯采用重質耐火黏土磚加硅藻土保溫磚砌筑。這種爐型結構為 20 世紀 50 年代蘇聯設計，在此后的建造中，該結構在行業內多數企業一直沿用至今。由于爐襯耐火材料不合理，體積笨重，爐體散熱、蓄熱損失大，由熱平衡計算，爐襯散熱、蓄熱損失占總供熱量的 30%～ 45%，爐體外表面溫度偏高，爐壁溫度接近甚至超出現行國家行業標準的上限要求，保溫效果極差，燃氣消耗量高，能源浪費較大。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com

      1.1.3 爐體密封性差
      大部分燃氣工業爐的爐門缺少可靠、有效的壓緊機構，爐體密封性不理想，散熱損失較大。多數臺車密封結構仍采用老式的砂封結構，車體進爐前需在砂封槽中充滿砂子，利用砂封槽和砂封刀迷宮式結構將爐膛高溫熱量加以阻隔。這種結構密封效果很差，尤其是砂封槽高溫變形后，加之車體笨重，填充砂子后很難將臺車拉出爐外，密封結構形同虛設，高溫爐氣沿側部傳遞，臺車邊框大部分燒損開裂，傳動系統故障頻發。
      1.1.4 爐壓控制不好
      燃氣工業爐必須根據爐子供熱負荷的變化，及時調節爐膛壓力，以盡量減少逸氣和吸入冷空氣。兵器行業的鍛造加熱爐和絕大多數的熱處理爐均無爐壓監測和調控裝置，現場實際情況是，爐膛壓力控制過高，爐口護板燒損變形向外凸出，爐門變形嚴重，無法和爐口護板緊密貼合，加之缺少可靠的壓緊裝置，煙道多年未清理，排煙不暢通，爐口大量向外竄火，爐門殘缺不齊。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com
       1.1.5 爐溫均勻性普遍不好
       軍、民品熱處理工藝多數要求爐溫均勻性為±10 ℃，部分高強度裝甲板工藝要求爐溫均勻性為±5℃。由于爐型結構落后，熱處理爐的爐溫均勻性常常難以保證。不僅熱處理爐要提高爐溫的均勻性，對于鍛造加熱爐而言，也同樣應重視爐溫的均勻性。不少企業的鍛造加熱爐燃燒系統仍為手動控溫，不僅在操作上存在很大的安全隱患，而且爐溫的寬幅波動，會影響產品的加熱質量，并造成能源的嚴重浪費。
      1.1.6 煙氣余熱回收率低
      加熱爐排煙熱損失約占爐子總供熱負荷的 50%～65%，熱處理爐的排煙熱損失約占爐子總供熱負荷的40%～ 50%，通過能源審計調查了解，61.11%的熱處理爐和68.75%的加熱爐采用下排煙，爐子大量的煙氣熱量被煙道吸收。鍛造加熱爐爐溫1 350℃時，離爐煙氣溫度約1250 ～ 1 300 ℃，經煙道吸收熱量降至 950 ～ 1 000 ℃，經預熱器后煙氣溫度仍可達600℃。熱處理爐爐溫950℃時，離爐煙氣溫度約900℃，經煙道吸收熱量降至700℃，經預熱器后煙氣溫度約 450 ～ 500 ℃。由此可見，除煙道無效吸收熱量外，煙氣排放溫度仍然較高，熱能不能得到充分利用，熱能回收率低，造成能源的浪費。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com
運行管理
       1.2.1 工業爐窯維護不到位
      兵器行業的燃氣工業爐主要以鍛件加熱和工件熱處理生產為主，多數企業工業爐窯的維護、修理沒有統一制訂規范的制度和檢修計劃。爐子出現損壞時難以得到及時修理，由于超期服役，加之維護、修理不到位，使一些爐子的能耗逐年增加，后期故障頻出。
      1.2.2 工業爐窯未進行定額管理和合理使用評價
      多數企業按照能耗的總量進行考核，未能做到工業爐窯單耗的考核，因此不能摸清每臺爐子的實際情況，給爐子的日常管理和今后的節能降耗帶來較大影響。由于缺少三級計量，多數企業目前尚不具備按照工業爐分等分級標準對爐子進行評級的條件。
      2 工業爐節能的主要措施燃燒裝置與燃燒技術
       燃燒裝置是爐子的心臟部分，必須要實現高效化、節能化、自動化。近年來，國內出現多種新型的燃燒技術，較為前沿的是蓄熱式燃燒技術和富氧燃燒技術。其中蓄熱式燃燒技術已在兵器行業內的北重集團、晉西集團得到成功應用，并取得了較好的節能效果。
      2.1.1 蓄熱式燃燒技術
      蓄熱式燃燒技術，又稱高溫空氣燃燒（HTAC）技術，是 20 世紀 90 年代發展起來的一項燃燒技術。目前國內的蓄熱燃燒技術已比較成熟：在蓄熱體材質、構造、蓄熱性能等方面都得到了許多提升；單位體積的傳熱面積由過去的10～40m2/m3提高到200 ～1 300m2/m3，因而體積顯著減小；換向閥和控制系統可靠性也得到改善，換向時間由過去的30min左右縮短至0.5～3min，帶來的效果是排煙溫度 < 200 ℃，空氣預熱溫度僅比爐溫低100～150℃。爐子廢氣余熱得到了接近極限的回收，其燃燒熱效率可高達80%。蓄熱燃燒技術在大型的、耗氣量較高的加熱爐和間斷式熱處理爐中能夠獲得極佳的節能效果。但蓄熱式燃燒的投資和維護成本相對較高，蓄熱體安裝對周邊空間有一定要求，在小型的室式加熱爐和耗氣量較小的熱處理爐應用，投資回收期較長，值得商榷。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com
      2.1.2 富氧燃燒技術
      采用氧氣體積分數高于21%的氣體參與燃燒的技術，叫富氧燃燒技術。其基本原理是通過增加助燃空氣中的O2體積分數，相應降低燃燒生成氣中惰性氣體中 N2的體積分數，從而可增加燃料的熱量利用率，達到節約燃料的目的。
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、清潔生產、利于CO2和SO2的回收綜合利用等優點。但富氧燃燒含氧量的增加導致溫度的急劇升高，使NO 增加，這是嚴重制約富氧燃燒技術進入工業加熱領域的因素之一。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。
       2.2.1 采用連續式爐替代間斷式爐
       在工藝許可的條件下，盡量采用連續式爐代替間斷式爐。間斷式加熱的熱處理設備無法形成連續性生產，在工作時每裝一批料，爐子都要經過升溫、降溫的過程，造成了大量的能源浪費，熱效率低，爐體壽命短。而連續式爐是不間斷工作的，生產率比較高，而且爐子始終處于穩定狀態，沒有周期式爐的爐墻蓄熱損失，熱效率比間斷式爐高。行業內的一機集團成功的實施了連續懸掛熱處理生產線替代傳統的臺車熱處理爐，用于鐵路車輛鑄件的熱處理生產，鑄件單耗用煤量由 211.4 kg/t 降至112 kg/t，單耗下降率47.02%，年節能用煤量達1 264.78 t。
       2.2.2 采用新型爐用材料，優化爐襯結構。
       爐襯采用全纖維結構或纖維模塊化結構是工業爐節能的一項重要措施。耐火纖維有良好的耐火和隔熱性能，熱導率＝0.09 ～ 0.15 W· （m·K）1，與傳統的耐火磚相比，導熱系數和容重分別只有傳統耐火磚的 1/10 和1/15，用于爐襯結構能大幅度降低爐體散、蓄熱損失，縮短升溫時間，節約能源消耗。在耐火纖維表面噴涂高溫增強涂料，能增加爐襯表面黑度，提高輻射率，熱工性能還會有所增加。
       2.2.3 改進爐體密封結構
       爐體密封結構包括爐體、爐門、臺車等處的密封。根據爐溫和爐子規格合理選擇爐門壓緊機構， ≥2m大型熱處理爐爐門可選擇氣缸壓緊，但氣缸應布局于爐口兩側稍遠位置，采用杠桿式將爐門鎖緊；< 2m熱處理爐爐門可采用四連桿壓緊機構；對于高溫鍛造加熱爐可采用自重壓緊機構。熱處理爐的臺車密封可采用杠桿氣缸式柔性密封，其密封效果遠遠好于砂封結構。
         2.3.1 計算集散控制
        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。先進的集散控制可以對爐群進行集中監控，集監視、控制、報表打印、歷史數據、報警等與一體。在實現全方位自動化的同時，使得現場信息及時反饋，不僅減少了現場操作人員的工作強度，而且較大程度的保證了工業爐窯的安全性、操控性和監測性。
        2.3.2 爐壓控制
        控制爐內壓力不僅與節約燃料有關，而且能通過控制爐內壓力分布，達到強化爐氣循環和均勻爐溫的作用。爐壓的控制主要是通過控制煙道蝶閥來進行調節，采用爐壓檢測或燒嘴燃燒負荷與排煙蝶閥調節進行自動聯鎖，可實現爐壓的精確控制。因煙氣溫度較高，排煙蝶閥應布置于預熱器后稍遠位置。
      2.3.3 合理控制空/燃比例
     對于工業爐來說，如何提高燃燒裝置的燃燒效率、確定最佳燃燒點，是令人關注的問題。爐子在運行中正確控制空/燃比，是合理組織燃燒過程的重要內容，在保證燃料完全燃燒的條件下，使空氣燃燒系數盡可能降低。較為先進的手段是使用煙氣分析儀器連續監測煙道氣體成分，分析煙氣中O2和CO 的體積分數，自動調節助燃空氣和燃料的流量，確定最佳的空氣消耗系數，可以取得可觀的節能效果。
        余熱回收與利用煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的 30%～ 70%，充分回收煙氣余熱是節約能源的重要途徑。大型熱處理爐和加熱爐可考慮蓄熱燃燒技術，將煙氣溫度降低至150℃，使煙氣余熱進行極限回收。中、小型加熱爐和熱處理爐可對排放的煙氣，采取分級回收的方法。高溫煙氣→噴流空氣預熱器→預熱爐料→熱風幕采暖或余熱鍋爐→低溫煙氣。
中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com
       實行定額管理，開展工業爐窯能效監測與評價
       對行業的工業爐窯進行能耗分類，將設計耗氣量≥100m3/h 的燃氣工業爐列入重點考核目錄，實行單耗定額管理，定期評比獎懲。
       以精細化管理為導向，完善工業爐窯監測體系。采用對企業爐窯單耗指標進行分析、現場診斷、設備測試等三種方法，分析工業爐能源利用狀況，尋找節能潛力，提出節能降耗的整改措施。
        強化過程監管，創建工業爐窯合理用能平臺
        加強生產過程控制，減少爐子空爐待料和工件在爐內空燒待鍛的時間，加強計劃調試，科學合理排產，提高裝載率，實現均衡連續生產。對發現的不合理用能現象，嚴格監管。
        3 工業爐節能的發展趨勢
     （1）爐型結構按照傳熱學和對金屬輻射的最佳角度系數進行數學優化設計，用球形、半球形爐膛和接近圓形的爐膛代替傳統的矩形截面爐膛，減少爐體體積，降低造價，強化傳熱，爐溫均勻性好、燃料消耗極低。
     （2）大力完善和推廣蓄熱式燃燒技術仍是當前工業爐節能發展的方向。在保證高溫、高效火焰的基礎上提高爐膛溫度的技術，使爐膛溫度均勻分布的技術，以及NOX控制技術，是推動富氧燃燒的核心技術，也是未來的發展方向。
     （3）砌筑將向整體化和輕型化方向發展。爐襯采用超輕型纖維材料，并將紅外物理中黑體的概念加以技術化，制作成工業標準的黑體元件安裝在爐膛內，用以調控熱射線，能大幅度提高爐子的熱效率。
    （4）控制方式在脈沖控制的基礎上普遍采用數學模型優化控制來代替傳統的 PID比例調節，燃燒氣氛穩定、溫場均勻性好、燃燒熱效率高。中國熱加工網：http://www.hotwork-china.com

    （5）隨著國家和社會對環境要求的提高，隨著中國兵器工業集團公司節能減排工作的開展，在進行節能改造的同時，應進行污染治理，努力降低或消除工業爐有害廢氣和煙塵的排放。對企業來講，節能是最大的環保措施之一，應節能與環保并重，開發出適合兵器行業工業爐的節能新技術、新裝備。
        4 結論
       兵器行業的燃氣工業爐總體能效水平仍然較低，節能潛力十分巨大。大幅度地降低燃料消耗量，有效提高爐子系統本身熱效率是關鍵。很多企業使用的是優質的天然氣能源，首先要研究的是高品位的能效如何充分發揮，不能把著眼點放在從燃燒尾部找效益，應該先頭部再尾部，先抓效率再抓回收，要分清主次，合理匹配。應當積極開展技術創新，探尋新的節能機理和途徑，提升工業爐窯精細化管理水平，促進企業節能減排工作的開展，打造有抱負、負責任、受尊重的國家戰略團隊，努力建設與我國國際地位相適應的兵器工業。熱處理展-工業爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業爐展--巨浪展覽—The
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