工业炉窑分类、节能及污染

作者：艾米  发布日期：2016-11-25

    一、工业炉窑历史、现状、分类

    作为将物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等工序的热工设备，工业炉窑中国早在商代就已经出现了较为完善的炼铜炉，其炉温可达1200℃。在春秋时期，伴随着提高炉温技术的发展，在当时出现了铸铁。

    1794年，世界上出现了熔炼铸铁的直筒形冲天炉。之后，在1864年，在西门子（英）的蓄热式炉原理基础之上，马丁（法）建造了第一台用气体燃料加热的炼钢平炉。通过使空气和煤气在蓄热室所进行的高温预热，他使炉温达到了炼钢所要求的1600℃以上的温度。

    到20世纪20年代，电能供应逐渐充足，开始使用各种电阻炉、电弧炉和有芯感应炉在工业上达到了广泛的应用。与此同时机械化和自动化炉型的出现，在一定程度上提高了炉子生产率并改善了劳动条件。二十世纪50年代，无芯感应炉得到迅速发展。后来又出现了电子束炉，利用电子束来冲击固态燃料，能强化表面加热和熔化高熔点的材料。

    目前，我国约有13万台工业炉窑，其中主要分布在冶金、建材、机械和化工等四个部分，约占炉窑总数的85%以上。年总能耗量为全国总能耗量的25%，燃料炉与电炉比例相当。燃烧方式较为原始，劳动强度大，环境污染，重燃耗高，炉子热效率低，自动监测与控制手段差为我国工业炉窑现阶段主要问题。

    工业炉的分类主要可根据、工艺特点、工作温度、热工操作特点、工作制度进行分类。在工业中常用炉窑主要有一下几大类：熔炼炉、熔化炉、加热炉、石化用炉、热处理炉、烧结炉、化工作炉、烧成炉、烧成窑、干燥炉（窑）、熔煅烧炉（窑）、电弧炉、感应炉（高温冶炼）、炼焦炉、焚烧炉、其他工业炉窑。

    二、工业炉窑节能现状

    工业炉的能耗受许多方面因素的影响，但在目前节能主要措施一般都离不开优化设计、改进设备、回收余热利用、加强检测控制和生产管理等几个方面。

    1、 热工测试

    在我国，部分工业炉窑所采用技术与世界先机技术相比，存在许多不足。同时加之更换成本高等方面因素，在很大程度上增加了能源消耗。因此，科学技改就十分重要。

    进行节能技术改造，全面地了解工业炉的热工过程，分析、诊断加热炉的“病情”，找出其“病因”便离不开科学的测试方法。目前所采用的热工测试方法中，热平衡测试是受到公认的测试方法。

    通过对工业炉的热工测定，使加热炉的热效率进一步提高，单耗下降，并获得加热炉运行经济技术性能指标的各项参数，分析加热炉运行情况，及时调整加热炉工况，使其达到运行的最佳状态，从而找出节约能源的有效途径和方向。这便是热工测试的主要目标。

    但是，热工测试方法在使用过程中存在一些问题，例如测试繁杂、模拟生产稳定工况易失实，这使测试在一定程度上与实际产生了不小的差距。因此，在测试技术方面在未来的发展中将会成为部分专家、学者等研究的方向。

    2、 炉型结构、筑炉材料、燃烧技术

    通过测试后，对炉窑便有了初步了解，也为技术改造提供了改进的依据。

    在设计炉窑时，首先应尽量采用符合生产工艺要求的新型节能炉窑。在实践中通常考虑的通常有炉型、材料、密封、热传递（燃烧）过程、温度分布等。根据相关资料，主要有以下几种节能措施:

    （1）采用圆形炉膛替代箱形炉膛，可强化炉膛对工件均匀传热的效果，减少炉壁散热量，使炉膛形成一个热交换系统，在加热元件，炉衬和工件3者之间进行热交换。通过采用合理的炉膛空间和在不增大炉膛空间容积的前提下，加大炉内壁面积，以增大热交换面积的方式提高炉膛热交换从而提高热效率。

    （2）在炉膛内安设风扇，加强炉内对流传热。特别是小型加热炉，高速气流可破坏停滞在工件表面阻碍传热和界面反应炉气边界底层，起到缩短加热时间和加快提高工件温度的作用。

    （3）炉体密封，包括炉膛内各引出构件，炉壳，炉门等处的密封。炉体密封不严，将会造成到处跑火、漏火，造成能源大量浪费、设备烧坏、环境恶劣等状况，因此炉体密封直接影响工件品质和能耗，同时密封也是炉内气氛控制的关键。而耐火纤维制品的出现，为解决炉体密封创造了条件，实现了软密封。

    （4）采用耐火浇注料整体浇注的加热炉具有强度高、整体性、气密性好、寿命长等优点。

    （5）采用新型炉用材料，优化炉衬结构。炉衬在保证炉子的结构强度和耐热度的前提下，应尽量提高保温能力和减少储蓄热。单纯依靠增加炉衬厚度来降低炉外壁温度不仅会增加炉衬储蓄热和成本，而且相应地减少了炉底面积的有效利用率。选用耐火纤维、岩棉等作为保温层，用轻质砖作为炉体的内衬，减少炉体的蓄热损失，增强炉子的隔热保温，减少炉墙的散热损失。

    （6）在炉围内壁涂高温高辐射涂料，强化炉内的辐射传热，有助于热能的充分利用，其节能效果为3％～5％，是近期较先进的节能方法。

    （7）根据不同工况，采用不同烧嘴。例如，调焰烧嘴、平焰烧嘴、高速喷嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴以及近来研制成的蓄热式烧嘴，为适应煤气和柴油的使用提供了多种先进的燃烧器。正确地使用高效先进燃烧器一般可以节能5％以上。平焰烧嘴最适合在加热炉上使用，高速烧嘴适用于各类热处理炉和加热炉，自身预热烧嘴是一种把燃烧器、换热器、排烟装置组合为一体的燃烧装置，适用于加热熔化、热处理等各类工业炉。

    （8）根据燃料种类，选择性能良好的节能型燃烧装置和与之相配套的风机、油泵、阀件以及热工检测与自动控制系统，保证良好的燃烧条件和控制调节功能也是行之有效的节能措施。

    在燃烧技术方面，常规的节能燃烧技术有：高温空气燃烧技术，富氧燃烧技术，重油掺水乳化技术、高炉富氧喷粉煤技术、普通炉窑燃料入炉前的磁化处理技术等。其中应用广泛的有：高温空气燃烧技术和富氧燃烧技术。

    高温空气燃烧技术是90年代发展起来的一项燃烧技术。高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气回收，可使空气预热温度达烟气温度的95％，炉温均匀性≤±5℃，其燃烧热效率可高达80％。该技术具有高效节能、环保、低污染、燃烧稳定性好、燃烧区域大、燃料适应性广、便于燃烧控制、设备投资降低、炉子寿命延长、操作方便等诸多优点。但高温空气燃烧还存在诸如各热工参数间和设计结构间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，燃气质量和蓄热体之间的关系，蓄热体的寿命和蓄热式加热炉的寿命的提高等一些问题，有待进一步去探索。

    采用氧气浓度高于21％的气体参与燃烧的技术，叫富氧燃烧技术。富氧燃烧的技术主要是研制适合工业炉窑实用的燃烧器。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、清清生产、利于CO2和SO2的回收综合利用和封存等优点。但富氧燃烧含氧量的增加导致温度的急剧升高，使NOx增加，这是严重制约富氧燃烧技术进入更多领域的因素之一。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。

    3、 余热回收与利用

    余热包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60％。

    烟气带走的热量占燃料炉总供热量的30％～70％，因此，将烟气中的余热回收利用将会是节约能源的又重点。通常烟气余热利用途径有：

    （1）装设预热器，利用烟气预热助燃空气和燃料。

    （2）装设余热锅炉，产生热水或蒸汽，以供生产或生活用。

    （3）利用烟气作为低温炉的热源或用来预热冷的工件或炉料。

    我国从五十年代开始在工业炉窑上采用预热空气的预热器，其中主要形式为管式、圆筒辐射式和铸铁块状等形式换热器，但交换效率较低。八十年代，国内先后研制了喷流式，喷流辐射式，复台式等换热器，主要解决中低温的余热回收。在100度以下烟气余热回收中取得了显着的效果，提高了换热效率。但在高温下仍因换热器的材质所限，使用寿命低，维修工作量大或固造价昂贵而影响推广使用。

    21世纪初国内研制出了陶瓷换热器。其生产工艺与窑具的生产工艺基本相同，导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷换热器放置在烟道出口较近，温度较高的地方，不需要掺冷风及高温保护，当窑炉温度1250-1450℃时，烟道出口的温度应是1000-1300℃，陶瓷换热器回收余热可达到450-750℃，将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧，可节约能源35%－55%，这样直接降低生产成本，增加经济效益。

    陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展，因为它较好地解决了耐腐蚀，耐高温等课题，成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践，表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是：导热性能好，高温强度高，抗氧化、抗热震性能好。寿命长，维修量小，性能可靠稳定，操作简便。是目前回收高温烟气余热的最佳装置。目前，陶瓷换热器可以用于冶金、有色、耐材、化工、建材等行业主要热工窑炉。

    回收烟气余热的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片状换热器，各种喷流换热器，各种插入件管式换热器，旋流管式换热器，麻花管式换热器，各种组合式换热器，煤气管状换热器和蓄热式换热器等。蓄热式换热器是今后技术发展趋势，其余热利用后的废气排放温度在200℃以下，节能效益可达30％以上。

    超导热管是余热回收装置的主要热传导元件，与普通的热交换器有着本质的不同。热管余热回收装置的换热效率可达98％以上，这是任何一种普通热交换器无法达到的。热管余热回收装置体积小，只是普通热交换器的1／3。

    4、热工检测与控制

    目前我国工业炉的能源消耗大，浪费严重，普遍存在空气过剩系数过大的问题，这主要是由于调节手段的落后，工人的劳动强度较大，难以保证理想的燃烧工况。因此提高热工检测与控制水平，具有很大的节能潜力。

    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。通过设置自动控制系统，以各相关系统的及时精确配合和控制来实现节能。诸如加热炉各主要过程变量的定量控制，炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制以及烟道废气的含氧量控制等。

    三、结束语

    综上所述，在未来的几年中，炉窑在节能、热工检测方法、余热回收方面还有很大的发展空间。客观切实的热工检测方法，在今后的一段时间内，将会沿用平衡法，但有很大必要进行新方法的快速探索。

    同时，如何快速的以清洁、可再生能源替代矿石燃料成为工业炉窑的主要能源，并减少污染物的排放必将成为今后一段时间的研究课题。