電磁加熱設備與鍋爐的環境和能源效益淺析

王 冰

（中國空間技術研究院，北京 100094）

當前，國際社會越來越關注生態環境保護，習近平主席在G20提出中國堅持創新、協調、綠色、開放和共享的發展理念。其中，環境是經濟可持續發展的重要一環。推動節能技術的創新，加快節能環保設備和技術的應用，推行清潔能源的利用是每個企業承擔的社會責任。同時，隨著北京市環保壓力的持續增加，傳統生產用鍋爐的高耗能，低效率、高污染的問題更加突出。本文以電磁加熱設備和燃氣鍋爐在某企業表面處理生產中的應用進行分析，探討其環境和經濟效益變化。

1 企業燃氣鍋爐使用情況

該企業現有兩臺6 t天然氣鍋爐，主要為表面處理單元提供生產用蒸汽。2015年，全年燃氣費支出達165萬元，2016年1季度燃氣費支出45余萬元。同時，隨著燃氣、水等能源價格的不斷上漲，生產成本將持續增高。

根據實測，該天然氣鍋爐效率為83.82%，效率低于一般天然氣鍋爐的90%，且由于鍋爐房位置距生產車間較遠，蒸汽管線達1.7 km，使得大量蒸汽熱量消耗在管路的加溫、保溫上。用司爐工的話說“冬季十噸蒸汽九噸消耗在管路上”，造成能源浪費現象嚴重。同時,蒸汽管道維護難度大，跑、冒、滴、漏現象時有發生，管道維護費用較高，僅2016年上半年蒸汽管線維修費支出22余萬元，且隨著使用年限的增加，其將呈逐年增加趨勢。

2 電磁加熱設備運行情況

2.1 設備選型

由于表面處理工藝生產環境惡劣，處理槽中溶液多為腐蝕性酸堿溶液，在生產過程中，采用電熱管直接加熱方式存在安全風險，且加熱管使用壽命短、熱效率低（熱效率在35%左右）。經市場多次場調研，分析耗能對比、加熱方式（95℃熱水代替蒸汽）和自動化程度等，確定采用電磁變頻加熱技術和設備，替代現有的天然氣鍋爐加熱。

2.2 電磁加熱設備原理

電磁變頻感應電磁設備的加熱主機采用水冷干式短路變壓器類型的結構形式，實際是短路加熱、渦流加熱、短路漏磁加熱的“三位一體”加熱方式，加熱穩定高效。電磁變頻感應鍋爐具有以下特點。

2.2.1 高能效

三位一體式的加熱方式，不僅利用電流中的有功功率，還將感應電路的銅損、鐵損、雜散損耗及短路漏磁等無功功率轉化為水的熱能，在現階段國家規定的電加熱能效比等于產熱量/有功功率的前提下，經國家權威機構檢測得出能效比達到1.056。

2.2.2 安全

設備為常壓設備，不存在帶壓隱憂；同時，設備運行時，副邊外殼三相短路，其矢量之和等于0，外殼呈零電位，運行十分安全。

2.2.3 水質磁化不結垢

電設備的主機副邊外殼上的線圈與外殼之間形成磁化通道，水通過此通道加熱的同時被磁化，在電設備及燃氣設備的加熱腔體中均不結垢，設備發熱體的換熱效率不會衰減，保持長期穩定高效。

2.2.4 使用壽命長

電設備本身參照變壓器國標（GB）使用壽命標準設計，設計使用壽命20 a，在眾多已投入使用多的項目中均運行平衡，無故障。燃氣設備的一般使用壽命在10～15年，常規電加熱管式的電設備加熱管使用半年到一年后,效率衰減嚴重，一般兩到三年即需要更換電加熱管。

表1 電磁鍋爐與傳統燃氣蒸汽鍋爐加熱方式的優勢比較

2.3 電磁加熱設備運行效果及數據分析

為有效驗證電磁加熱設備替代鍋爐的可能性，該企業確定了采用使用率高、加熱時間長、溫度要求嚴格和容積較大的化學工藝槽進行試點。

2.3.1 電磁變頻加熱設備安裝、調試

磷酸陽極氧化生產線承擔著鋁合金產品磷酸陽極氧化生產任務，目前線上設有堿洗槽2個，槽內溶液容積分別為4480 L和800 L，工藝規定溶液溫度范圍為70～95℃。2016年6月7日完成對2個化學除油槽電磁加熱設備的安裝，并開始為槽內溶液加溫。兩臺電加熱設備功率分別為85 kW和15 kW，設備啟動時間分別設置為凌晨4：00和5：00開始加熱，加熱至早8：00槽內溶液溫度至設定溫度（80℃），達到生產工藝要求，8：00至17：00設備采用變頻模式持續加溫，使槽內溶液維持在設定溫度80±1℃。

2.3.2 電磁加熱設備數據分析

兩臺電磁加熱設備分別安裝獨立電能表，由專人每日對設備用電量進行記錄。經查該設備用電量記錄，兩臺電加熱設備6月7日至7月6日消耗電量分別為：4503 kW·h和1886 kW·h，電費按1元/（kW·h）計算，兩臺電加熱設備6月份產生電費6389元，如表2所示。

在安裝該電磁加熱設備后，經核算，6月份燃動費成本核算中蒸汽費較5月份減少17萬余元（見表3），其中燃氣消耗量較5月份減少31387 m3，蒸汽消耗量較5月份減少488 t。電磁加熱設備對部門降低燃動成本初見效果。

表2 堿洗槽耗電量統計

表3 熱表中心2016年5、6月份蒸汽能源消耗量及費用對比

3 電磁加熱設備運行效果及綜合評價

通過兩個月的試用，兩臺電磁加熱設備運行穩定，化學槽內溶液溫度準確，滿足生產工藝要求。該設備操作簡單，可由車間人員自行對該設備設定起停時間，調節、控制槽內溶液溫度，電磁加熱設備以熱水為加熱介質，確保了科研生產過程中的安全性和可靠性，并且設備安裝方便，可利用蒸汽管道現有接口，不用對槽體做改動。2016年7月25日，經北京節能環保中心現場測試，電磁加熱設備（85 kW）能效比達99.15%，屬于高效節能類電加熱設備，電磁輻射＜0.5 v/m（北京市標準為＜10 v/m）,與手機輻射相當，功率因數及諧波均符合北京市電力標準，對電網供電質量無影響。

3.1 環境效益分析

方案實施后可完全取代天然氣鍋爐，天然氣鍋爐2015年消耗天然氣43萬m3。1 m3天然氣燃燒可產生10.5 m3廢氣，根據2015年鍋爐監測報告中NOx監測數據（148 mg/m3），方案實施后減排NOx668 kg。由于減少管路長度，可降低蒸汽及冷凝水損失，每年可節水6000 t。年耗電量189.76萬kW·h，年間接排放CO2排放1884.3 t。

3.2 經濟效益分析

現有天然氣鍋爐平均每月運行費用約18萬元，每年運行費用216萬元。改為電磁鍋爐加熱后，電磁鍋爐功率總計2372 kW。鍋爐采用谷電進行升溫，生產時進入保溫狀態，按照運行時間折算平均電價為0.7元/kW·h。該表面處理生產線為間歇性生產，平均每天生產4 h，全年生產200 d，因此計算全年電費為：2372 kW×4 h×200 d×0.7元/（kW·h）=132.8萬元。因此，改造后年可節約運行費用83.2萬元。

3.3 經濟效益核算

表4 方案經濟效益分析表

4 結語

通過上述分析可得出，電磁加熱設備替代傳統鍋爐可行，且能夠有效降低企業的運行成本，提高企業的環保和經濟效益，實現節能減排降耗的目的。