热处理展-工业炉展-2025第二十五届广州国际热处理、工业炉展览会-巨浪展览—The 25th China(Guangzhou) Heat Treatment,Industrial Furnace Expo

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中国兵器行业燃气工业炉发展现状及节能趋势分析热处理展-工业炉展-2014第十五届广州国际热处理、工业炉展览会-中国效果最好的热处理工业炉展--巨浪展览—The 15th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment,Industrial Furnace Exhibition
2014年2月28日热处理展-工业炉展

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    兵器行业是国家战略性产业，是国防事业的基础。根据兵器行业所承担的国防军工任务和生产企业专业特点，可分为装甲车辆、火炮、弹药、火炸药、火工药剂、光电等多种专业生产领域。燃气工业炉是我国兵行业工业加热的主要高能耗设备，占行业总能耗的1/5。随着西气东输工程的开展，天然气大量应用于工业炉窑，近几年兵器工业集团公司以此为契机，对行业内的部分工业炉窑进行了局部适应性改造，但在采用节能新技术和新材料上受到了一定的制约，部分炉型结构仍为苏联老式结构，燃烧系统与炉型结构不匹配，炉子不能发挥其最佳性能，能耗较高。
       我国兵器行业工业炉，按炉型结构分：台车炉、环形炉、室式炉、缝式炉、推杆炉、步进炉、悬挂炉、辊底炉、干燥炉、烘干室等十多个种类。按用途主要分为五大类：热处理、加热、焙烧、喷涂烘干、烤包。其中热处理炉和加热炉是工业炉的主要组成部分，分别占行业燃气工业炉总比例的55.10%和18.13%。
     1 存在的主要问题
     对设备、运行管理两大方面存在的主要问题进行阐述。
     设备
      1.1.1 燃烧装置耗能高
      燃气工业炉目前大多采用高速或亚高速烧嘴，该结构的燃烧器主要采用对流方式进行传热，升温速度快、通用性强。随着天然气在我国的推广，曾广泛用于中、低温等热处理炉以替代原苏式结构的低压涡流烧嘴。但高速烧嘴也存在一些不足之处，烧嘴自身的燃烧效率有限，燃烧产生的烟气余热不能充分用于炉膛内的热交换。对于高温锻造加热炉来说，炉膛容积较小，但炉温却在1 300℃以上，炉膛内的热交换主要以辐射传热为主，采用高速烧嘴会延长升温时间，增加燃气消耗，而且高速烧嘴用于小型高温炉膛会增加炉压调节的难度，间接降低炉温均匀性。随着蓄热式烧嘴、自身预热式烧嘴、低 NOX烧嘴、富氧燃烧器等众多新型燃烧器的出现，该结构烧嘴目前已趋于落后。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com
     1.1.2 炉衬结构不合理
     在对兵器行业的能源审计中发现，大部分工业炉仍沿用传统的砖砌筑结构，炉衬采用重质耐火黏土砖加硅藻土保温砖砌筑。这种炉型结构为 20 世纪 50 年代苏联设计，在此后的建造中，该结构在行业内多数企业一直沿用至今。由于炉衬耐火材料不合理，体积笨重，炉体散热、蓄热损失大，由热平衡计算，炉衬散热、蓄热损失占总供热量的 30%～ 45%，炉体外表面温度偏高，炉壁温度接近甚至超出现行国家行业标准的上限要求，保温效果极差，燃气消耗量高，能源浪费较大。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com

      1.1.3 炉体密封性差
      大部分燃气工业炉的炉门缺少可靠、有效的压紧机构，炉体密封性不理想，散热损失较大。多数台车密封结构仍采用老式的砂封结构，车体进炉前需在砂封槽中充满砂子，利用砂封槽和砂封刀迷宫式结构将炉膛高温热量加以阻隔。这种结构密封效果很差，尤其是砂封槽高温变形后，加之车体笨重，填充砂子后很难将台车拉出炉外，密封结构形同虚设，高温炉气沿侧部传递，台车边框大部分烧损开裂，传动系统故障频发。
      1.1.4 炉压控制不好
      燃气工业炉必须根据炉子供热负荷的变化，及时调节炉膛压力，以尽量减少逸气和吸入冷空气。兵器行业的锻造加热炉和绝大多数的热处理炉均无炉压监测和调控装置，现场实际情况是，炉膛压力控制过高，炉口护板烧损变形向外凸出，炉门变形严重，无法和炉口护板紧密贴合，加之缺少可靠的压紧装置，烟道多年未清理，排烟不畅通，炉口大量向外窜火，炉门残缺不齐。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com
       1.1.5 炉温均匀性普遍不好
       军、民品热处理工艺多数要求炉温均匀性为±10 ℃，部分高强度装甲板工艺要求炉温均匀性为±5℃。由于炉型结构落后，热处理炉的炉温均匀性常常难以保证。不仅热处理炉要提高炉温的均匀性，对于锻造加热炉而言，也同样应重视炉温的均匀性。不少企业的锻造加热炉燃烧系统仍为手动控温，不仅在操作上存在很大的安全隐患，而且炉温的宽幅波动，会影响产品的加热质量，并造成能源的严重浪费。
      1.1.6 烟气余热回收率低
      加热炉排烟热损失约占炉子总供热负荷的 50%～65%，热处理炉的排烟热损失约占炉子总供热负荷的40%～ 50%，通过能源审计调查了解，61.11%的热处理炉和68.75%的加热炉采用下排烟，炉子大量的烟气热量被烟道吸收。锻造加热炉炉温1 350℃时，离炉烟气温度约1250 ～ 1 300 ℃，经烟道吸收热量降至 950 ～ 1 000 ℃，经预热器后烟气温度仍可达600℃。热处理炉炉温950℃时，离炉烟气温度约900℃，经烟道吸收热量降至700℃，经预热器后烟气温度约 450 ～ 500 ℃。由此可见，除烟道无效吸收热量外，烟气排放温度仍然较高，热能不能得到充分利用，热能回收率低，造成能源的浪费。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com
运行管理
       1.2.1 工业炉窑维护不到位
      兵器行业的燃气工业炉主要以锻件加热和工件热处理生产为主，多数企业工业炉窑的维护、修理没有统一制订规范的制度和检修计划。炉子出现损坏时难以得到及时修理，由于超期服役，加之维护、修理不到位，使一些炉子的能耗逐年增加，后期故障频出。
      1.2.2 工业炉窑未进行定额管理和合理使用评价
      多数企业按照能耗的总量进行考核，未能做到工业炉窑单耗的考核，因此不能摸清每台炉子的实际情况，给炉子的日常管理和今后的节能降耗带来较大影响。由于缺少三级计量，多数企业目前尚不具备按照工业炉分等分级标准对炉子进行评级的条件。
      2 工业炉节能的主要措施燃烧装置与燃烧技术
       燃烧装置是炉子的心脏部分，必须要实现高效化、节能化、自动化。近年来，国内出现多种新型的燃烧技术，较为前沿的是蓄热式燃烧技术和富氧燃烧技术。其中蓄热式燃烧技术已在兵器行业内的北重集团、晋西集团得到成功应用，并取得了较好的节能效果。
      2.1.1 蓄热式燃烧技术
      蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧（HTAC）技术，是 20 世纪 90 年代发展起来的一项燃烧技术。目前国内的蓄热燃烧技术已比较成熟：在蓄热体材质、构造、蓄热性能等方面都得到了许多提升；单位体积的传热面积由过去的10～40m2/m3提高到200 ～1 300m2/m3，因而体积显著减小；换向阀和控制系统可靠性也得到改善，换向时间由过去的30min左右缩短至0.5～3min，带来的效果是排烟温度 < 200 ℃，空气预热温度仅比炉温低100～150℃。炉子废气余热得到了接近极限的回收，其燃烧热效率可高达80%。蓄热燃烧技术在大型的、耗气量较高的加热炉和间断式热处理炉中能够获得极佳的节能效果。但蓄热式燃烧的投资和维护成本相对较高，蓄热体安装对周边空间有一定要求，在小型的室式加热炉和耗气量较小的热处理炉应用，投资回收期较长，值得商榷。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com
      2.1.2 富氧燃烧技术
      采用氧气体积分数高于21%的气体参与燃烧的技术，叫富氧燃烧技术。其基本原理是通过增加助燃空气中的O2体积分数，相应降低燃烧生成气中惰性气体中 N2的体积分数，从而可增加燃料的热量利用率，达到节约燃料的目的。
富氧助燃技术具有减少炉子排烟的热损失、提高火焰温度、延长炉窑寿命、提高炉子产量、缩小设备尺寸、清洁生产、利于CO2和SO2的回收综合利用等优点。但富氧燃烧含氧量的增加导致温度的急剧升高，使NO 增加，这是严重制约富氧燃烧技术进入工业加热领域的因素之一。另外在工业炉窑上设计采用富氧空气助燃时，应该避免炉内温度场不均匀。
       2.2.1 采用连续式炉替代间断式炉
       在工艺许可的条件下，尽量采用连续式炉代替间断式炉。间断式加热的热处理设备无法形成连续性生产，在工作时每装一批料，炉子都要经过升温、降温的过程，造成了大量的能源浪费，热效率低，炉体寿命短。而连续式炉是不间断工作的，生产率比较高，而且炉子始终处于稳定状态，没有周期式炉的炉墙蓄热损失，热效率比间断式炉高。行业内的一机集团成功的实施了连续悬挂热处理生产线替代传统的台车热处理炉，用于铁路车辆铸件的热处理生产，铸件单耗用煤量由 211.4 kg/t 降至112 kg/t，单耗下降率47.02%，年节能用煤量达1 264.78 t。
       2.2.2 采用新型炉用材料，优化炉衬结构。
       炉衬采用全纤维结构或纤维模块化结构是工业炉节能的一项重要措施。耐火纤维有良好的耐火和隔热性能，热导率＝0.09 ～ 0.15 W· （m·K）1，与传统的耐火砖相比，导热系数和容重分别只有传统耐火砖的 1/10 和1/15，用于炉衬结构能大幅度降低炉体散、蓄热损失，缩短升温时间，节约能源消耗。在耐火纤维表面喷涂高温增强涂料，能增加炉衬表面黑度，提高辐射率，热工性能还会有所增加。
       2.2.3 改进炉体密封结构
       炉体密封结构包括炉体、炉门、台车等处的密封。根据炉温和炉子规格合理选择炉门压紧机构， ≥2m大型热处理炉炉门可选择气缸压紧，但气缸应布局于炉口两侧稍远位置，采用杠杆式将炉门锁紧；< 2m热处理炉炉门可采用四连杆压紧机构；对于高温锻造加热炉可采用自重压紧机构。热处理炉的台车密封可采用杠杆气缸式柔性密封，其密封效果远远好于砂封结构。
         2.3.1 计算集散控制
        采用先进的自动控制技术，特别是采用微机控制系统，已经成为工业炉自动控制的发展方向。先进的集散控制可以对炉群进行集中监控，集监视、控制、报表打印、历史数据、报警等与一体。在实现全方位自动化的同时，使得现场信息及时反馈，不仅减少了现场操作人员的工作强度，而且较大程度的保证了工业炉窑的安全性、操控性和监测性。
        2.3.2 炉压控制
        控制炉内压力不仅与节约燃料有关，而且能通过控制炉内压力分布，达到强化炉气循环和均匀炉温的作用。炉压的控制主要是通过控制烟道蝶阀来进行调节，采用炉压检测或烧嘴燃烧负荷与排烟蝶阀调节进行自动联锁，可实现炉压的精确控制。因烟气温度较高，排烟蝶阀应布置于预热器后稍远位置。
      2.3.3 合理控制空/燃比例
     对于工业炉来说，如何提高燃烧装置的燃烧效率、确定最佳燃烧点，是令人关注的问题。炉子在运行中正确控制空/燃比，是合理组织燃烧过程的重要内容，在保证燃料完全燃烧的条件下，使空气燃烧系数尽可能降低。较为先进的手段是使用烟气分析仪器连续监测烟道气体成分，分析烟气中O2和CO 的体积分数，自动调节助燃空气和燃料的流量，确定最佳的空气消耗系数，可以取得可观的节能效果。
        余热回收与利用烟气带走的热量占燃料炉总供热量的 30%～ 70%，充分回收烟气余热是节约能源的重要途径。大型热处理炉和加热炉可考虑蓄热燃烧技术，将烟气温度降低至150℃，使烟气余热进行极限回收。中、小型加热炉和热处理炉可对排放的烟气，采取分级回收的方法。高温烟气→喷流空气预热器→预热炉料→热风幕采暖或余热锅炉→低温烟气。
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       实行定额管理，开展工业炉窑能效监测与评价
       对行业的工业炉窑进行能耗分类，将设计耗气量≥100m3/h 的燃气工业炉列入重点考核目录，实行单耗定额管理，定期评比奖惩。
       以精细化管理为导向，完善工业炉窑监测体系。采用对企业炉窑单耗指标进行分析、现场诊断、设备测试等三种方法，分析工业炉能源利用状况，寻找节能潜力，提出节能降耗的整改措施。
        强化过程监管，创建工业炉窑合理用能平台
        加强生产过程控制，减少炉子空炉待料和工件在炉内空烧待锻的时间，加强计划调试，科学合理排产，提高装载率，实现均衡连续生产。对发现的不合理用能现象，严格监管。
        3 工业炉节能的发展趋势
     （1）炉型结构按照传热学和对金属辐射的最佳角度系数进行数学优化设计，用球形、半球形炉膛和接近圆形的炉膛代替传统的矩形截面炉膛，减少炉体体积，降低造价，强化传热，炉温均匀性好、燃料消耗极低。
     （2）大力完善和推广蓄热式燃烧技术仍是当前工业炉节能发展的方向。在保证高温、高效火焰的基础上提高炉膛温度的技术，使炉膛温度均匀分布的技术，以及NOX控制技术，是推动富氧燃烧的核心技术，也是未来的发展方向。
     （3）砌筑将向整体化和轻型化方向发展。炉衬采用超轻型纤维材料，并将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，用以调控热射线，能大幅度提高炉子的热效率。
    （4）控制方式在脉冲控制的基础上普遍采用数学模型优化控制来代替传统的 PID比例调节，燃烧气氛稳定、温场均匀性好、燃烧热效率高。中国热加工网：http://www.hotwork-china.com

    （5）随着国家和社会对环境要求的提高，随着中国兵器工业集团公司节能减排工作的开展，在进行节能改造的同时，应进行污染治理，努力降低或消除工业炉有害废气和烟尘的排放。对企业来讲，节能是最大的环保措施之一，应节能与环保并重，开发出适合兵器行业工业炉的节能新技术、新装备。
        4 结论
       兵器行业的燃气工业炉总体能效水平仍然较低，节能潜力十分巨大。大幅度地降低燃料消耗量，有效提高炉子系统本身热效率是关键。很多企业使用的是优质的天然气能源，首先要研究的是高品位的能效如何充分发挥，不能把着眼点放在从燃烧尾部找效益，应该先头部再尾部，先抓效率再抓回收，要分清主次，合理匹配。应当积极开展技术创新，探寻新的节能机理和途径，提升工业炉窑精细化管理水平，促进企业节能减排工作的开展，打造有抱负、负责任、受尊重的国家战略团队，努力建设与我国国际地位相适应的兵器工业。热处理展-工业炉展-2014第十五届广州国际热处理、工业炉展览会-中国效果最好的热处理工业炉展--巨浪展览—The
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