工業爐節能技術措施初探

上海燃氣浦東銷售有限公司 張方涌

隨著我國國民經濟的快速增長和工業化建設步伐的加快，對能源的消耗也大幅度的增加。目前我國已成為世界第二大能源消費國，從我國的能源儲量和可開采量來看，能源的供給和需求形勢嚴峻，能源緊張的局面日趨嚴重，但是與此同時我國能源的利用率卻處在較低的水平。

工業爐能源消耗占全國工業能源消耗量的四分之一，是工業生產部門的主要耗能設備，是一個能源消費大戶，由工業爐的能源構成可知，在能源總耗量中化石燃料耗量占 90%以上，燃料爐平均熱效率僅為 20%左右，而世界發達國家為 40%以上，可見我國能源利用率方面存在著明顯的差距，所以，有必要利用先進節能技術對我國各種工業爐，尤其是燃料爐進行改造，提高能源利用效率和經濟效益。

節能一般有兩種方式：直接節能和間接節能。直接節能是指通過提高工業爐能源利用率、降低產品單耗，從而直接減少能源消耗量；間接節能則是通過降低原材料消耗、減少廢品率、延長設備使用壽命等途徑而實現節能。本文介紹了工業爐直接節能的各種先進技術，重點分析了燃氣加熱爐的能源效率提高的途徑。

1 工業爐節能措施

工業爐節能的措施主要分為：燃料的高效清潔燃燒、爐內強化傳熱、減少工業爐散熱損失和強化余熱回收利用。

1.1 工業爐設計上的措施

從工業爐的設計來說，需要統籌考慮工業爐的使用要求，重點從爐型結構設計、燃燒器選擇和爐體選材等方面進行優化設計。一般應盡量做到：

(1)根據所加熱的物料性質和加熱要求，選擇合理的爐膛結構，配備數量合理的燃燒器(或燒嘴)，盡可能使用先進工業爐窯自動化控制系統和機械傳動設備。

(2)選擇合理爐型和合適的爐膛尺寸；工業爐爐襯的蓄熱和散熱一般占總能耗的20%～45%，選用耐高溫、容重小、導熱系數低的耐火纖維代替耐火磚做爐襯，可減少爐體的蓄熱和散熱損失，尤其是對間歇加熱爐來說，減少爐體蓄熱損失對提高能源利用效率至關重要，平均節約能源35%左右。

(3)強化爐內傳熱過程可以保證被加熱物料的合理升溫過程，促進爐內溫度均勻性。

目前，采用加熱爐爐壁噴涂高溫紅外涂料技術，可提高火焰輻射到爐壁的反射率，增強火焰對被加熱物料的傳熱過程，同時可減少爐壁散熱損失。不過，需要注意涂層的老化現象。

另外，在爐壁上加裝突出、凸起物等能夠有效增加爐壁的反射面積，促進爐內各個方向和角落的溫度均勻性。

(4)采用高效清潔燃燒技術，不僅要求燃料釋放出最高的燃料化學能，而且力求使燃料在接近于 1的過量空氣系數下完全燃燒，減少污染物的生成。因為過量空氣系數過小將導致燃料不完全燃燒，而過量空氣系數過大容易生成過多的氮氧化物或使火焰溫度不能滿足加熱要求，都會造成很大的浪費，故燃氣燃燒器最好應選用空燃比例能自動調節的閥門。經驗表明過量空氣系數每增加 0.1，排煙熱損失就要增加0.5%左右。對燃氣燃燒器來說，過剩空氣系數為1.05時，效率最高。

(5)高效回收排煙余熱，對提高工業爐能源利用率至關重要。在工業窯爐領域，尤其是高溫加熱爐，由煙氣帶走的熱量損失占爐子供熱量的40%～60%以上。降低排煙溫度，減少煙氣帶走的熱量損失，最有效的方式是充分利用煙氣余熱對助燃空氣、燃氣和爐料進行預熱。一般助燃空氣溫度每提高100℃，可節約燃料5%。目前，高溫空氣燃燒技術已經在我國幾百座工業爐上得到使用，盡管節能效果明顯，但也帶來了一些負面作用，例如蓄熱體破損頻繁、煙道堵塞、爐壓波動大等。故對中小型工業加熱爐來說，亟待研制高溫煙氣余熱回收裝置以及煙氣余熱的深度利用裝置。

1.2 工業爐運行管理上的措施

從工業爐的運行管理方面來講，提高操作工的技術水平，優化加熱制度，完善加熱工藝，合理高效組織生產，認真、定期進行設備維護，則可以在不付出額外投資的情況下獲得顯著的節能效果。例如：

(1)定期對在用加熱爐的單位產品能耗水平及現狀進行調查，加強節能監測力度，以確定加熱爐達標的實施方案。建立健全必要的熱工測量和控制儀表，制定司爐工操作規程，提高操作技術水平，加強維護保養，延長爐體壽命等都對節約燃料有重要的影響。

(2)加強加熱爐基礎數據的管理，加強加熱爐的日常管理，對在用加熱爐進行挖潛增效。注重改善燃料結構，準確控制空燃比，保證完全燃燒。

(3)嚴格各項規章制度的執行，定期或不定期組織檢查規章制度的執行情況，發現問題及時整改，使加熱爐各部件始終處于良好的使用狀態。

(4)定期對一線操作人員、管理人員、設計人員有計劃地組織學習、培訓與研討，提高操作和管理水平。

(5)積極采用加熱爐節能新技術，尤其要加強各項節能技術的匹配與整合，使每項技術的使用始終保持在最佳的使用條件。

2 燃氣工業爐節能措施

在2010年首屆中國國際氣體能源峰會暨生物天然氣產業國際高峰論壇上，相關專家學者紛紛表示“中國將走入氣體能源時代”。作為清潔能源的重要組成部分，“氣體能源”將逐步成為21世紀用能主流已成共識。尤其是在經濟高速發展的中國，一次能源消費比例嚴重失調、對石油進口高度依賴的不斷攀升、碳排放居高不下，已經成為阻礙中國經濟繼續高速發展的巨大桎梏。為此從國家到地方，都正在加速推動“氣體能源”的發展。其中，燃氣工業爐是指應用氣體燃料的加熱爐、熱處理爐，由于氣體燃料燃燒特性不同于固體燃料或液體燃料，因此，燃氣工業爐的節能措施與固體燃料、液體燃料的工業爐不完全相同。

在工業爐窯中，物體通過傳導、對流和輻射傳熱得到熱量，然而對燃氣工業爐來說，在物體獲得的總熱量中，有60%～70%是來自爐襯的輻射傳熱，而不是火焰的輻射。由此可見，爐窯內襯發射輻射的性能對物體加熱過程有重要影響。由于燃氣燃燒不像煤粉燃燒，能夠通過煤粉固體粒子向外輻射能量，也不像燃油燃燒產生炭黑向外輻射能量。燃氣燃燒的主要產物中只有CO2、H2O等三原子氣體的輻射性能相對好一些，而且輻射光譜還不連續。因此，如何加強爐內高溫傳熱過程是燃氣工業爐必須考慮的問題。

目前，有廠家采用黑體強化輻射傳熱技術，即多功能爐襯。該技術主要是通過火焰以輻射、對流傳熱過程加熱這些黑體元件，即讓燃氣工業爐內襯盡可能多地通過輻射和對流傳熱過程吸收高溫火焰的熱量，再由這些黑體元件向被加熱物料輻射傳熱，從而間接提高燃氣火焰對物體的加熱強度。

黑體元件是多功能爐襯工業爐的技術關鍵。黑體元件在燃氣火焰的對流、輻射傳熱作用下獲得熱量，提高溫度，同時向爐膛空間其它方向輻射能量，使得爐內傳熱過程重新分配。黑體元件的輻射強度與其發射率的大小和溫度高低有關。而普通爐膛內襯的發射率低，不能有效將燃氣火焰的熱量傳遞給被加熱物體，而燃氣火焰對流傳熱又沒有強化的話，則排煙溫度將比較高，引起高溫排煙損失。從這個角度來分析，在爐膛內襯上安裝黑體元件能夠有效增加被加熱物體的吸熱量。目前，一種錐形多孔陶瓷空腔形式的黑體元件能夠不僅增大爐膛內襯的傳熱面積，而且提高了爐膛內襯的黑度，強化爐膛內襯向物體的輻射傳熱能力，已有相關的工程應用，效果較好。

另外，工業爐排煙溫度普遍在200 ℃以上，煙氣中的水蒸氣仍處于過熱狀態，其中的水蒸氣汽化潛熱不可能得到應用。如果開展煙氣余熱的深度利用，即把煙氣溫度降低至100 ℃以下，可以充分回收煙氣中水蒸氣的汽化潛熱，提高能源利用效率10個百分點，在某些特定條件下甚至可以出現能源利用效率高于100%的情況(因為輸入能量時是按照低位發熱值計算的，未考慮煙氣中的水蒸氣汽化潛熱)。不過，此時低溫腐蝕是需要特別關注的問題。

目前，能夠抵抗低溫腐蝕的鋼材或工藝措施已經研制出來，可保證在一個檢修期內不會銹蝕，影響正常操作。如果由于回收了煙氣余熱而帶來的經濟價值高于更換、維護這種換熱器的話，則可以推廣應用這種煙氣余熱深度利用的技術。

3 總結

工業爐節能技術的探討，對實現節能減排目標至關重要。目前，要推廣應用新型高效清潔燃燒裝置，使用富氧燃燒技術，合理應用高溫空氣燃燒技術，減少氧化燒損，加強工業爐操作管理，合理調度生產計劃。針對具體的某個工業爐來說，準確控制空燃比，減少爐墻散熱損失，降低排煙溫度，甚至使用煙氣冷凝技術等，都可以增加工業爐的熱效率。對燃氣工業爐來說，使用黑體強化輻射傳熱技術能夠強化爐膛內襯輻射傳熱能力，增加燃氣火焰對物體的加熱，從而降低爐膛排煙溫度。