工业炉节能技术措施初探

上海燃气浦东销售有限公司 张方涌

随着我国国民经济的快速增长和工业化建设步伐的加快，对能源的消耗也大幅度的增加。目前我国已成为世界第二大能源消费国，从我国的能源储量和可开采量来看，能源的供给和需求形势严峻，能源紧张的局面日趋严重，但是与此同时我国能源的利用率却处在较低的水平。

工业炉能源消耗占全国工业能源消耗量的四分之一，是工业生产部门的主要耗能设备，是一个能源消费大户，由工业炉的能源构成可知，在能源总耗量中化石燃料耗量占 90%以上，燃料炉平均热效率仅为 20%左右，而世界发达国家为 40%以上，可见我国能源利用率方面存在着明显的差距，所以，有必要利用先进节能技术对我国各种工业炉，尤其是燃料炉进行改造，提高能源利用效率和经济效益。

节能一般有两种方式：直接节能和间接节能。直接节能是指通过提高工业炉能源利用率、降低产品单耗，从而直接减少能源消耗量；间接节能则是通过降低原材料消耗、减少废品率、延长设备使用寿命等途径而实现节能。本文介绍了工业炉直接节能的各种先进技术，重点分析了燃气加热炉的能源效率提高的途径。

1 工业炉节能措施

工业炉节能的措施主要分为：燃料的高效清洁燃烧、炉内强化传热、减少工业炉散热损失和强化余热回收利用。

1.1 工业炉设计上的措施

从工业炉的设计来说，需要统筹考虑工业炉的使用要求，重点从炉型结构设计、燃烧器选择和炉体选材等方面进行优化设计。一般应尽量做到：

(1)根据所加热的物料性质和加热要求，选择合理的炉膛结构，配备数量合理的燃烧器(或烧嘴)，尽可能使用先进工业炉窑自动化控制系统和机械传动设备。

(2)选择合理炉型和合适的炉膛尺寸；工业炉炉衬的蓄热和散热一般占总能耗的20%～45%，选用耐高温、容重小、导热系数低的耐火纤维代替耐火砖做炉衬，可减少炉体的蓄热和散热损失，尤其是对间歇加热炉来说，减少炉体蓄热损失对提高能源利用效率至关重要，平均节约能源35%左右。

(3)强化炉内传热过程可以保证被加热物料的合理升温过程，促进炉内温度均匀性。

目前，采用加热炉炉壁喷涂高温红外涂料技术，可提高火焰辐射到炉壁的反射率，增强火焰对被加热物料的传热过程，同时可减少炉壁散热损失。不过，需要注意涂层的老化现象。

另外，在炉壁上加装突出、凸起物等能够有效增加炉壁的反射面积，促进炉内各个方向和角落的温度均匀性。

(4)采用高效清洁燃烧技术，不仅要求燃料释放出最高的燃料化学能，而且力求使燃料在接近于 1的过量空气系数下完全燃烧，减少污染物的生成。因为过量空气系数过小将导致燃料不完全燃烧，而过量空气系数过大容易生成过多的氮氧化物或使火焰温度不能满足加热要求，都会造成很大的浪费，故燃气燃烧器最好应选用空燃比例能自动调节的阀门。经验表明过量空气系数每增加 0.1，排烟热损失就要增加0.5%左右。对燃气燃烧器来说，过剩空气系数为1.05时，效率最高。

(5)高效回收排烟余热，对提高工业炉能源利用率至关重要。在工业窑炉领域，尤其是高温加热炉，由烟气带走的热量损失占炉子供热量的40%～60%以上。降低排烟温度，减少烟气带走的热量损失，最有效的方式是充分利用烟气余热对助燃空气、燃气和炉料进行预热。一般助燃空气温度每提高100℃，可节约燃料5%。目前，高温空气燃烧技术已经在我国几百座工业炉上得到使用，尽管节能效果明显，但也带来了一些负面作用，例如蓄热体破损频繁、烟道堵塞、炉压波动大等。故对中小型工业加热炉来说，亟待研制高温烟气余热回收装置以及烟气余热的深度利用装置。

1.2 工业炉运行管理上的措施

从工业炉的运行管理方面来讲，提高操作工的技术水平，优化加热制度，完善加热工艺，合理高效组织生产，认真、定期进行设备维护，则可以在不付出额外投资的情况下获得显著的节能效果。例如：

(1)定期对在用加热炉的单位产品能耗水平及现状进行调查，加强节能监测力度，以确定加热炉达标的实施方案。建立健全必要的热工测量和控制仪表，制定司炉工操作规程，提高操作技术水平，加强维护保养，延长炉体寿命等都对节约燃料有重要的影响。

(2)加强加热炉基础数据的管理，加强加热炉的日常管理，对在用加热炉进行挖潜增效。注重改善燃料结构，准确控制空燃比，保证完全燃烧。

(3)严格各项规章制度的执行，定期或不定期组织检查规章制度的执行情况，发现问题及时整改，使加热炉各部件始终处于良好的使用状态。

(4)定期对一线操作人员、管理人员、设计人员有计划地组织学习、培训与研讨，提高操作和管理水平。

(5)积极采用加热炉节能新技术，尤其要加强各项节能技术的匹配与整合，使每项技术的使用始终保持在最佳的使用条件。

2 燃气工业炉节能措施

在2010年首届中国国际气体能源峰会暨生物天然气产业国际高峰论坛上，相关专家学者纷纷表示“中国将走入气体能源时代”。作为清洁能源的重要组成部分，“气体能源”将逐步成为21世纪用能主流已成共识。尤其是在经济高速发展的中国，一次能源消费比例严重失调、对石油进口高度依赖的不断攀升、碳排放居高不下，已经成为阻碍中国经济继续高速发展的巨大桎梏。为此从国家到地方，都正在加速推动“气体能源”的发展。其中，燃气工业炉是指应用气体燃料的加热炉、热处理炉，由于气体燃料燃烧特性不同于固体燃料或液体燃料，因此，燃气工业炉的节能措施与固体燃料、液体燃料的工业炉不完全相同。

在工业炉窑中，物体通过传导、对流和辐射传热得到热量，然而对燃气工业炉来说，在物体获得的总热量中，有60%～70%是来自炉衬的辐射传热，而不是火焰的辐射。由此可见，炉窑内衬发射辐射的性能对物体加热过程有重要影响。由于燃气燃烧不像煤粉燃烧，能够通过煤粉固体粒子向外辐射能量，也不像燃油燃烧产生炭黑向外辐射能量。燃气燃烧的主要产物中只有CO2、H2O等三原子气体的辐射性能相对好一些，而且辐射光谱还不连续。因此，如何加强炉内高温传热过程是燃气工业炉必须考虑的问题。

目前，有厂家采用黑体强化辐射传热技术，即多功能炉衬。该技术主要是通过火焰以辐射、对流传热过程加热这些黑体元件，即让燃气工业炉内衬尽可能多地通过辐射和对流传热过程吸收高温火焰的热量，再由这些黑体元件向被加热物料辐射传热，从而间接提高燃气火焰对物体的加热强度。

黑体元件是多功能炉衬工业炉的技术关键。黑体元件在燃气火焰的对流、辐射传热作用下获得热量，提高温度，同时向炉膛空间其它方向辐射能量，使得炉内传热过程重新分配。黑体元件的辐射强度与其发射率的大小和温度高低有关。而普通炉膛内衬的发射率低，不能有效将燃气火焰的热量传递给被加热物体，而燃气火焰对流传热又没有强化的话，则排烟温度将比较高，引起高温排烟损失。从这个角度来分析，在炉膛内衬上安装黑体元件能够有效增加被加热物体的吸热量。目前，一种锥形多孔陶瓷空腔形式的黑体元件能够不仅增大炉膛内衬的传热面积，而且提高了炉膛内衬的黑度，强化炉膛内衬向物体的辐射传热能力，已有相关的工程应用，效果较好。

另外，工业炉排烟温度普遍在200 ℃以上，烟气中的水蒸气仍处于过热状态，其中的水蒸气汽化潜热不可能得到应用。如果开展烟气余热的深度利用，即把烟气温度降低至100 ℃以下，可以充分回收烟气中水蒸气的汽化潜热，提高能源利用效率10个百分点，在某些特定条件下甚至可以出现能源利用效率高于100%的情况(因为输入能量时是按照低位发热值计算的，未考虑烟气中的水蒸气汽化潜热)。不过，此时低温腐蚀是需要特别关注的问题。

目前，能够抵抗低温腐蚀的钢材或工艺措施已经研制出来，可保证在一个检修期内不会锈蚀，影响正常操作。如果由于回收了烟气余热而带来的经济价值高于更换、维护这种换热器的话，则可以推广应用这种烟气余热深度利用的技术。

3 总结

工业炉节能技术的探讨，对实现节能减排目标至关重要。目前，要推广应用新型高效清洁燃烧装置，使用富氧燃烧技术，合理应用高温空气燃烧技术，减少氧化烧损，加强工业炉操作管理，合理调度生产计划。针对具体的某个工业炉来说，准确控制空燃比，减少炉墙散热损失，降低排烟温度，甚至使用烟气冷凝技术等，都可以增加工业炉的热效率。对燃气工业炉来说，使用黑体强化辐射传热技术能够强化炉膛内衬辐射传热能力，增加燃气火焰对物体的加热，从而降低炉膛排烟温度。