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中國兵器行業(yè)燃氣工業(yè)爐發(fā)展現(xiàn)狀及節(jié)能趨勢分析熱處理展-工業(yè)爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業(yè)爐展--巨浪展覽—The 15th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment,Industrial Furnace Exhibition
2014年2月28日 熱處理展-工業(yè)爐展 |
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兵器行業(yè)是國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)， 是國防事業(yè)的基礎(chǔ)。 根據(jù)兵器行業(yè)所承擔的國防軍工任務(wù)和生產(chǎn)企業(yè)專業(yè)特點，可分為裝甲車輛、火炮、彈藥、火炸藥、火工藥劑、光電等多種專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。燃氣工業(yè)爐是我國兵行業(yè)工業(yè)加熱的主要高能耗設(shè)備，占行業(yè)總能耗的1/5。隨著西氣東輸工程的開展，天然氣大量應(yīng)用于工業(yè)爐窯，近幾年兵器工業(yè)集團公司以此為契機，對行業(yè)內(nèi)的部分工業(yè)爐窯進行了局部適應(yīng)性改造，但在采用節(jié)能新技術(shù)和新材料上受到了一定的制約，部分爐型結(jié)構(gòu)仍為蘇聯(lián)老式結(jié)構(gòu)，燃燒系統(tǒng)與爐型結(jié)構(gòu)不匹配，爐子不能發(fā)揮其最佳性能，能耗較高。
我國兵器行業(yè)工業(yè)爐，按爐型結(jié)構(gòu)分：臺車爐、環(huán)形爐、室式爐、縫式爐、推桿爐、步進爐、懸掛爐、輥底爐、干燥爐、烘干室等十多個種類。按用途主要分為五大類：熱處理、加熱、焙燒、噴涂烘干、烤包。其中熱處理爐和加熱爐是工業(yè)爐的主要組成部分，分別占行業(yè)燃氣工業(yè)爐總比例的55.10%和18.13%。
1 存在的主要問題
對設(shè)備、 運行管理兩大方面存在的主要問題進行闡述。
設(shè)備
1.1.1 燃燒裝置耗能高
燃氣工業(yè)爐目前大多采用高速或亞高速燒嘴，該結(jié)構(gòu)的燃燒器主要采用對流方式進行傳熱， 升溫速度快、 通用性強。隨著天然氣在我國的推廣，曾廣泛用于中、低溫等熱處理爐以替代原蘇式結(jié)構(gòu)的低壓渦流燒嘴。但高速燒嘴也存在一些不足之處，燒嘴自身的燃燒效率有限，燃燒產(chǎn)生的煙氣余熱不能充分用于爐膛內(nèi)的熱交換。對于高溫鍛造加熱爐來說，爐膛容積較小，但爐溫卻在1 300℃以上， 爐膛內(nèi)的熱交換主要以輻射傳熱為主，采用高速燒嘴會延長升溫時間，增加燃氣消耗，而且高速燒嘴用于小型高溫爐膛會增加爐壓調(diào)節(jié)的難度， 間接降低爐溫均勻性。隨著蓄熱式燒嘴、自身預(yù)熱式燒嘴、低 NOX燒嘴、富氧燃燒器等眾多新型燃燒器的出現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)燒嘴目前已趨于落后。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
1.1.2 爐襯結(jié)構(gòu)不合理
在對兵器行業(yè)的能源審計中發(fā)現(xiàn)，大部分工業(yè)爐仍沿用傳統(tǒng)的磚砌筑結(jié)構(gòu)，爐襯采用重質(zhì)耐火黏土磚加硅藻土保溫磚砌筑。這種爐型結(jié)構(gòu)為 20 世紀 50 年代蘇聯(lián)設(shè)計，在此后的建造中，該結(jié)構(gòu)在行業(yè)內(nèi)多數(shù)企業(yè)一直沿用至今。由于爐襯耐火材料不合理，體積笨重，爐體散熱、蓄熱損失大，由熱平衡計算，爐襯散熱、蓄熱損失占總供熱量的 30%～ 45%，爐體外表面溫度偏高，爐壁溫度接近甚至超出現(xiàn)行國家行業(yè)標準的上限要求，保溫效果極差，燃氣消耗量高，能源浪費較大。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
1.1.3 爐體密封性差
大部分燃氣工業(yè)爐的爐門缺少可靠、有效的壓緊機構(gòu)，爐體密封性不理想，散熱損失較大。多數(shù)臺車密封結(jié)構(gòu)仍采用老式的砂封結(jié)構(gòu)，車體進爐前需在砂封槽中充滿砂子，利用砂封槽和砂封刀迷宮式結(jié)構(gòu)將爐膛高溫?zé)崃考右宰韪簟＿@種結(jié)構(gòu)密封效果很差，尤其是砂封槽高溫變形后，加之車體笨重，填充砂子后很難將臺車拉出爐外，密封結(jié)構(gòu)形同虛設(shè)，高溫爐氣沿側(cè)部傳遞，臺車邊框大部分燒損開裂，傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)。
1.1.4 爐壓控制不好
燃氣工業(yè)爐必須根據(jù)爐子供熱負荷的變化，及時調(diào)節(jié)爐膛壓力，以盡量減少逸氣和吸入冷空氣。兵器行業(yè)的鍛造加熱爐和絕大多數(shù)的熱處理爐均無爐壓監(jiān)測和調(diào)控裝置，現(xiàn)場實際情況是，爐膛壓力控制過高，爐口護板燒損變形向外凸出，爐門變形嚴重，無法和爐口護板緊密貼合，加之缺少可靠的壓緊裝置，煙道多年未清理，排煙不暢通，爐口大量向外竄火，爐門殘缺不齊。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
1.1.5 爐溫均勻性普遍不好
軍、民品熱處理工藝多數(shù)要求爐溫均勻性為±10 ℃，部分高強度裝甲板工藝要求爐溫均勻性為±5℃。由于爐型結(jié)構(gòu)落后，熱處理爐的爐溫均勻性常常難以保證。不僅熱處理爐要提高爐溫的均勻性，對于鍛造加熱爐而言，也同樣應(yīng)重視爐溫的均勻性。不少企業(yè)的鍛造加熱爐燃燒系統(tǒng)仍為手動控溫，不僅在操作上存在很大的安全隱患，而且爐溫的寬幅波動，會影響產(chǎn)品的加熱質(zhì)量，并造成能源的嚴重浪費。
1.1.6 煙氣余熱回收率低
加熱爐排煙熱損失約占爐子總供熱負荷的 50%～65%， 熱處理爐的排煙熱損失約占爐子總供熱負荷的40%～ 50%，通過能源審計調(diào)查了解，61.11%的熱處理爐和68.75%的加熱爐采用下排煙，爐子大量的煙氣熱量被煙道吸收。鍛造加熱爐爐溫1 350℃時，離爐煙氣溫度約1250 ～ 1 300 ℃，經(jīng)煙道吸收熱量降至 950 ～ 1 000 ℃，經(jīng)預(yù)熱器后煙氣溫度仍可達600℃。 熱處理爐爐溫950℃時，離爐煙氣溫度約900℃，經(jīng)煙道吸收熱量降至700℃，經(jīng)預(yù)熱器后煙氣溫度約 450 ～ 500 ℃。由此可見，除煙道無效吸收熱量外，煙氣排放溫度仍然較高，熱能不能得到充分利用，熱能回收率低，造成能源的浪費。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
運行管理
1.2.1 工業(yè)爐窯維護不到位
兵器行業(yè)的燃氣工業(yè)爐主要以鍛件加熱和工件熱處理生產(chǎn)為主，多數(shù)企業(yè)工業(yè)爐窯的維護、修理沒有統(tǒng)一制訂規(guī)范的制度和檢修計劃。爐子出現(xiàn)損壞時難以得到及時修理，由于超期服役，加之維護、修理不到位，使一些爐子的能耗逐年增加，后期故障頻出。
1.2.2 工業(yè)爐窯未進行定額管理和合理使用評價
多數(shù)企業(yè)按照能耗的總量進行考核，未能做到工業(yè)爐窯單耗的考核， 因此不能摸清每臺爐子的實際情況， 給爐子的日常管理和今后的節(jié)能降耗帶來較大影響。由于缺少三級計量，多數(shù)企業(yè)目前尚不具備按照工業(yè)爐分等分級標準對爐子進行評級的條件。
2 工業(yè)爐節(jié)能的主要措施燃燒裝置與燃燒技術(shù)
燃燒裝置是爐子的心臟部分， 必須要實現(xiàn)高效化、 節(jié)能化、自動化。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)多種新型的燃燒技術(shù)，較為前沿的是蓄熱式燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)。其中蓄熱式燃燒技術(shù)已在兵器行業(yè)內(nèi)的北重集團、晉西集團得到成功應(yīng)用，并取得了較好的節(jié)能效果。
2.1.1 蓄熱式燃燒技術(shù)
蓄熱式燃燒技術(shù)，又稱高溫空氣燃燒（HTAC）技術(shù)，是 20 世紀 90 年代發(fā)展起來的一項燃燒技術(shù)。目前國內(nèi)的蓄熱燃燒技術(shù)已比較成熟：在蓄熱體材質(zhì)、構(gòu)造、蓄熱性能等方面都得到了許多提升；單位體積的傳熱面積由過去的10～40m2/m3提高到200 ～1 300m2/m3，因而體積顯著減小；換向閥和控制系統(tǒng)可靠性也得到改善，換向時間由過去的30min左右縮短至0.5～3min，帶來的效果是排煙溫度 < 200 ℃，空氣預(yù)熱溫度僅比爐溫低100～150℃。爐子廢氣余熱得到了接近極限的回收，其燃燒熱效率可高達80%。蓄熱燃燒技術(shù)在大型的、耗氣量較高的加熱爐和間斷式熱處理爐中能夠獲得極佳的節(jié)能效果。但蓄熱式燃燒的投資和維護成本相對較高，蓄熱體安裝對周邊空間有一定要求，在小型的室式加熱爐和耗氣量較小的熱處理爐應(yīng)用，投資回收期較長，值得商榷。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
2.1.2 富氧燃燒技術(shù)
采用氧氣體積分數(shù)高于21%的氣體參與燃燒的技術(shù)，叫富氧燃燒技術(shù)。其基本原理是通過增加助燃空氣中的O2體積分數(shù)，相應(yīng)降低燃燒生成氣中惰性氣體中 N2的體積分數(shù)，從而可增加燃料的熱量利用率，達到節(jié)約燃料的目的。
富氧助燃技術(shù)具有減少爐子排煙的熱損失、提高火焰溫度、延長爐窯壽命、提高爐子產(chǎn)量、縮小設(shè)備尺寸、清潔生產(chǎn)、利于CO2和SO2的回收綜合利用等優(yōu)點。但富氧燃燒含氧量的增加導(dǎo)致溫度的急劇升高，使NO 增加， 這是嚴重制約富氧燃燒技術(shù)進入工業(yè)加熱領(lǐng)域的因素之一。另外在工業(yè)爐窯上設(shè)計采用富氧空氣助燃時，應(yīng)該避免爐內(nèi)溫度場不均勻。
2.2.1 采用連續(xù)式爐替代間斷式爐
在工藝許可的條件下，盡量采用連續(xù)式爐代替間斷式爐。 間斷式加熱的熱處理設(shè)備無法形成連續(xù)性生產(chǎn)， 在工作時每裝一批料，爐子都要經(jīng)過升溫、降溫的過程，造成了大量的能源浪費，熱效率低，爐體壽命短。而連續(xù)式爐是不間斷工作的，生產(chǎn)率比較高，而且爐子始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有周期式爐的爐墻蓄熱損失，熱效率比間斷式爐高。行業(yè)內(nèi)的一機集團成功的實施了連續(xù)懸掛熱處理生產(chǎn)線替代傳統(tǒng)的臺車熱處理爐，用于鐵路車輛鑄件的熱處理生產(chǎn)，鑄件單耗用煤量由 211.4 kg/t 降至112 kg/t， 單耗下降率47.02%， 年節(jié)能用煤量達1 264.78 t。
2.2.2 采用新型爐用材料，優(yōu)化爐襯結(jié)構(gòu)。
爐襯采用全纖維結(jié)構(gòu)或纖維模塊化結(jié)構(gòu)是工業(yè)爐節(jié)能的一項重要措施。耐火纖維有良好的耐火和隔熱性能，熱導(dǎo)率 ＝0.09 ～ 0.15 W· （m·K）1，與傳統(tǒng)的耐火磚相比，導(dǎo)熱系數(shù)和容重分別只有傳統(tǒng)耐火磚的 1/10 和1/15，用于爐襯結(jié)構(gòu)能大幅度降低爐體散、蓄熱損失，縮短升溫時間，節(jié)約能源消耗。在耐火纖維表面噴涂高溫增強涂料，能增加爐襯表面黑度，提高輻射率，熱工性能還會有所增加。
2.2.3 改進爐體密封結(jié)構(gòu)
爐體密封結(jié)構(gòu)包括爐體、爐門、臺車等處的密封。根據(jù)爐溫和爐子規(guī)格合理選擇爐門壓緊機構(gòu)， ≥2m大型熱處理爐爐門可選擇氣缸壓緊，但氣缸應(yīng)布局于爐口兩側(cè)稍遠位置，采用杠桿式將爐門鎖緊；< 2m熱處理爐爐門可采用四連桿壓緊機構(gòu)；對于高溫鍛造加熱爐可采用自重壓緊機構(gòu)。熱處理爐的臺車密封可采用杠桿氣缸式柔性密封，其密封效果遠遠好于砂封結(jié)構(gòu)。
2.3.1 計算集散控制
采用先進的自動控制技術(shù)，特別是采用微機控制系統(tǒng)，已經(jīng)成為工業(yè)爐自動控制的發(fā)展方向。先進的集散控制可以對爐群進行集中監(jiān)控，集監(jiān)視、控制、報表打印、歷史數(shù)據(jù)、報警等與一體。在實現(xiàn)全方位自動化的同時，使得現(xiàn)場信息及時反饋，不僅減少了現(xiàn)場操作人員的工作強度，而且較大程度的保證了工業(yè)爐窯的安全性、操控性和監(jiān)測性。
2.3.2 爐壓控制
控制爐內(nèi)壓力不僅與節(jié)約燃料有關(guān)，而且能通過控制爐內(nèi)壓力分布， 達到強化爐氣循環(huán)和均勻爐溫的作用。爐壓的控制主要是通過控制煙道蝶閥來進行調(diào)節(jié)，采用爐壓檢測或燒嘴燃燒負荷與排煙蝶閥調(diào)節(jié)進行自動聯(lián)鎖，可實現(xiàn)爐壓的精確控制。因煙氣溫度較高，排煙蝶閥應(yīng)布置于預(yù)熱器后稍遠位置。
2.3.3 合理控制空/燃比例
對于工業(yè)爐來說， 如何提高燃燒裝置的燃燒效率、 確定最佳燃燒點，是令人關(guān)注的問題。爐子在運行中正確控制空/燃比，是合理組織燃燒過程的重要內(nèi)容，在保證燃料完全燃燒的條件下， 使空氣燃燒系數(shù)盡可能降低。 較為先進的手段是使用煙氣分析儀器連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分，分析煙氣中O2和CO 的體積分數(shù)，自動調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量，確定最佳的空氣消耗系數(shù)，可以取得可觀的節(jié)能效果。
余熱回收與利用煙氣帶走的熱量占燃料爐總供熱量的 30%～ 70%，充分回收煙氣余熱是節(jié)約能源的重要途徑。大型熱處理爐和加熱爐可考慮蓄熱燃燒技術(shù)，將煙氣溫度降低至150℃，使煙氣余熱進行極限回收。中、小型加熱爐和熱處理爐可對排放的煙氣，采取分級回收的方法。高溫?zé)煔狻鷩娏骺諝忸A(yù)熱器→預(yù)熱爐料→熱風(fēng)幕采暖或余熱鍋爐→低溫?zé)煔狻?/span>
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實行定額管理，開展工業(yè)爐窯能效監(jiān)測與評價
對行業(yè)的工業(yè)爐窯進行能耗分類， 將設(shè)計耗氣量≥100m3/h 的燃氣工業(yè)爐列入重點考核目錄，實行單耗定額管理，定期評比獎懲。
以精細化管理為導(dǎo)向，完善工業(yè)爐窯監(jiān)測體系。采用對企業(yè)爐窯單耗指標進行分析、現(xiàn)場診斷、設(shè)備測試等三種方法，分析工業(yè)爐能源利用狀況，尋找節(jié)能潛力，提出節(jié)能降耗的整改措施。
強化過程監(jiān)管，創(chuàng)建工業(yè)爐窯合理用能平臺
加強生產(chǎn)過程控制，減少爐子空爐待料和工件在爐內(nèi)空燒待鍛的時間，加強計劃調(diào)試，科學(xué)合理排產(chǎn)，提高裝載率，實現(xiàn)均衡連續(xù)生產(chǎn)。對發(fā)現(xiàn)的不合理用能現(xiàn)象，嚴格監(jiān)管。
3 工業(yè)爐節(jié)能的發(fā)展趨勢
（1）爐型結(jié)構(gòu)按照傳熱學(xué)和對金屬輻射的最佳角度系數(shù)進行數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計，用球形、半球形爐膛和接近圓形的爐膛代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩形截面爐膛，減少爐體體積，降低造價，強化傳熱，爐溫均勻性好、燃料消耗極低。
（2）大力完善和推廣蓄熱式燃燒技術(shù)仍是當前工業(yè)爐節(jié)能發(fā)展的方向。在保證高溫、高效火焰的基礎(chǔ)上提高爐膛溫度的技術(shù)，使爐膛溫度均勻分布的技術(shù)，以及NOX控制技術(shù)，是推動富氧燃燒的核心技術(shù)，也是未來的發(fā)展方向。
（3）砌筑將向整體化和輕型化方向發(fā)展。爐襯采用超輕型纖維材料，并將紅外物理中黑體的概念加以技術(shù)化，制作成工業(yè)標準的黑體元件安裝在爐膛內(nèi)，用以調(diào)控?zé)嵘渚�，能大幅度提高爐子的熱效率。
（4）控制方式在脈沖控制的基礎(chǔ)上普遍采用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 PID比例調(diào)節(jié)，燃燒氣氛穩(wěn)定、溫場均勻性好、燃燒熱效率高。中國熱加工網(wǎng)：http://www.hotwork-china.com
（5）隨著國家和社會對環(huán)境要求的提高，隨著中國兵器工業(yè)集團公司節(jié)能減排工作的開展，在進行節(jié)能改造的同時，應(yīng)進行污染治理，努力降低或消除工業(yè)爐有害廢氣和煙塵的排放。對企業(yè)來講，節(jié)能是最大的環(huán)保措施之一，應(yīng)節(jié)能與環(huán)保并重，開發(fā)出適合兵器行業(yè)工業(yè)爐的節(jié)能新技術(shù)、新裝備。
4 結(jié) 論
兵器行業(yè)的燃氣工業(yè)爐總體能效水平仍然較低，節(jié)能潛力十分巨大。大幅度地降低燃料消耗量，有效提高爐子系統(tǒng)本身熱效率是關(guān)鍵。很多企業(yè)使用的是優(yōu)質(zhì)的天然氣能源，首先要研究的是高品位的能效如何充分發(fā)揮，不能把著眼點放在從燃燒尾部找效益，應(yīng)該先頭部再尾部，先抓效率再抓回收，要分清主次，合理匹配。應(yīng)當積極開展技術(shù)創(chuàng)新，探尋新的節(jié)能機理和途徑，提升工業(yè)爐窯精細化管理水平，促進企業(yè)節(jié)能減排工作的開展，打造有抱負、負責(zé)任、受尊重的國家戰(zhàn)略團隊，努力建設(shè)與我國國際地位相適應(yīng)的兵器工業(yè)。熱處理展-工業(yè)爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業(yè)爐展--巨浪展覽—The
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