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炉窑及余热利用 节能

  来源:上海市节能监察中心 有379人浏览 日期:2013-06-13放大字体  缩小字体

 

从传统工业如钢铁、化工、建材等,到新兴的科技工业现代电子、生物医药、各制造业等,工业炉窑被广泛地应用于工业的各个领域。由于工艺、用途等不同,工业炉窑有几千个种类和系列,且各种炉窑之间区别较大。我国工业炉窑的能源利用率普遍较低,与世界先进水平相比,差距很大。挖掘工业炉窑的节能潜力,提高工业炉窑的能源利用率,对“十一五”期间GDP能耗下降20%的目标至关重要。
        工业炉窑之间虽差别较大,但对提高炉窑能源效率方面有其共性,如余热的综合利用、降低其表面热损失、提高其燃烧效率、提高其装载能力、改革其传统生产工艺等。访问本网页,您能了解工业炉窑的一些节能评价指标、常见的问题的解答和节能案例,还可以在线计算工业炉窑有多大的节能潜力,从而采取措施来减少工业炉窑的能源浪费现象。本网页希望能为提高贵单位的工业炉窑的能源利用效率有所帮助。同时,我们也希望你能把工业炉窑节能方面好的经验、技术及存在的问题通过这一平台进行交流和互动,共同为节能事业做出应有的贡献。

 
 
    一、节能指标
  • 火焰加热炉

表(1)排烟温度合格指标单位:℃

烟气出炉温度

使用低发热量燃料时排气温度

使用高发热量燃料时排气温度

≤500

≤350

≤340

≤600

≤400

≤380

≤700

≤460

≤440

≤800

≤530

≤510

≤900

≤580

≤560

≤1000

≤670

≤650

>1000

710~470

670~400

注:低发热量燃料指高炉煤气,发生炉煤气及发热量低于8360千焦/标米3的混合煤气;高发热量燃料指焦炉煤气、煤、重油及天然气等。

摘自:GB/T 15319-94 火焰加热炉节能监测方法

 

表(2)炉体外表面最高温度合格指标单位:℃

炉内温度

外表面最高温度

侧墙

炉顶

700

≤50

≤90

900

≤70

≤105

1100

≤85

≤125

1300

≤100

≤140

1500

≤115

≤160

摘自:GB/T 15319-94 火焰加热炉节能监测方法

 

表(3)工业炉窑(火焰加热炉)空气系数合格指标

燃料种类

燃烧方式

空气系数

固体燃料

 

≤2.0

液体燃料

高压喷嘴

低压喷嘴

≤1.25

≤1.20

气体燃料

有焰燃烧

无焰燃烧

≤1.25

≤1.05

摘自:GB/T 15319-94 火焰加热炉节能监测方法

 

表(4)燃煤火焰加热炉炉渣含碳量合格指标

煤种

烟煤贫煤褐煤 I类无烟煤

其它煤种

炉渣含碳量%

≤20

≤25

摘自:GB/T 15319-94 火焰加热炉节能监测方法

(5)可比单耗合格指标

 

表(5)锻造加热炉可比单耗合格指标

锻件种类

可比单耗(千克标煤/吨)

水压机锻件

自由锻件

≤700

模锻件

≤650

摘自:GB/T 15319-94 火焰加热炉节能监测方法

注:锻造加热炉可比单耗的计算方法参见ZB J01 003


  • 热处理、电加热设备

表(6)电热设备外表面温度值单位:℃

加热设备的分类

炉壳侧壁、顶部底部的中心位置

炉门炉盖的中心位置

周期式

连续式

1000℃以下的加热设备

50

40

110

1000℃以上的加热设备

80

70

130

注:外表面的温度是在环境温度的条件下,允许上升的最高温度;环境温度是指离开外表面1m处的平均温度;外表面温度测定时,应至少离开炉门处300mm;浴炉不测顶部。

摘自:DB31/T25-1999 热处理电热设备经济运行与节能监测

 

表(7)额定温度下工作的电热设备的表面温升合格指标

额定温度(℃)

200

300

500

600

表面温升Δt(℃)

≤30

≤35

≤45

≤50

摘自:GB/T 15911-1995 工业电热设备节能监测方法

 

表(8)空载升温时间合格指标

工作温度℃

≤200

≤300

≤400

≤500

≤600

升温时间min

<60

<90

<120

<140

<160

摘自:GB/T 15911-1995 工业电热设备节能监测方法

 

表(9)单台电热设备可比单耗指标

炉型

额定功率kw

可比单耗指标kw.h/t

一等

二等

三等

箱式

≥15~30

≤400

>400~540

>540~660

>30

≤350

>350~480

>480~600

台车式

>65

≤390

>390~530

>530~650

摘自:ZB J01 012-88 热处理箱式、台车式电阻炉能耗分等

 

专业热处理厂或热处理点的热处理电热设备电能消耗,当吨合格热处理件电能消耗大于497kW.h/t为不合格 


    二、节能计算机
  • 用表面温度指标来衡量节能潜力
一般燃烧燃料的工业炉窑排烟温度都较高,从几百度到千度以上不等,出炉烟气带走的热量约占炉子总供热量的30~70%,废热利用主要有两种方法,一是利用发热通过换热器预热空气或煤气,以将一部分热带回炉膛,直接提高炉子的热效率。二是利用废热加热锅炉,生产蒸汽或热水,供生产、生活之用,来间接提高炉子的热效率。因此回收这部分能量对提高炉窑热效率、降低产品单耗、节约能源降低成本至关重要。

  • 用排烟温度指标来衡量节能潜力
  • 正确控制燃料在燃烧过程中的空气消耗系数
  • 正确控制炉膛压力,防止炉内压力不均及炉体不严密处冷空气吸入造成炉温较低和烟气量增加。
  • 改善炉膛结构:如适当增加炉体长度、适当降低炉膛高度、改善炉内热交换等降低出炉废气温度。
  • 充分回收烟气余热,如用烟气加热物料,设置余热锅炉产蒸汽,对工业炉而言最有效和应用最广的是换热器。

    三、常见问题解答
  • 为什么要对工业炉窑的烟气余热进行回收?
一般燃烧燃料的工业炉窑排烟温度都较高,从几百度到千度以上不等,出炉烟气带走的热量约占炉子总供热量的30~70%,废热利用主要有两种方法,一是利用发热通过换热器预热空气或煤气,以将一部分热带回炉膛,直接提高炉子的热效率。二是利用废热加热锅炉,生产蒸汽或热水,供生产、生活之用,来间接提高炉子的热效率。因此回收这部分能量对提高炉窑热效率、降低产品单耗、节约能源降低成本至关重要。

  • 如何减少烟气热损失?
  • 正确控制燃料在燃烧过程中的空气消耗系数
  • 正确控制炉膛压力,防止炉内压力不均及炉体不严密处冷空气吸入造成炉温较低和烟气量增加。
  • 改善炉膛结构:如适当增加炉体长度、适当降低炉膛高度、改善炉内热交换等降低出炉废气温度。
  • 充分回收烟气余热,如用烟气加热物料,设置余热锅炉产蒸汽,对工业炉而言最有效和应用最广的是换热器。

  • 如何减少炉体的蓄热和散热损失?
对炉体采用不同结构和材质时,炉体的蓄热和散热损失是有很大差别的。实践表明在炉壁材质不变的情况下,增加炉壁厚度对散热损失影响很小。一般采用复合炉壁结构、增设绝热层等措施,如炉内壁加贴耐火纤维层可减少50%左右的散热损失;炉内壁涂刷辐射率大的涂料,可强化炉内的辐射传热,有助于热能的充分利用,节能效果在3~7%左右,回收期0.5年。

  • 工业炉工艺节能的主要途径
  • 提高物料入炉温度。如冶金行业的模铸系统热送热装技术、连铸系统热送热装技术等。
  • 降低物料出炉温度。物料加热温度的高低,不但影响燃料消耗和炉窑的使用寿命,而且对热加工过程中的电能消耗和物料的氧化烧损都有直接影响。

  • 旧热处理炉如何减少氧化现象?
在热处理过程中,要特别强调指出:如果炉子密封性好,氧化现象并不严重,但是对于旧的热处理炉,由于炉子热损失大,温差也大,炉子密封性不好,出现氧化脱碳和不能获得理想的石墨化组织,给退火造成困难,机械性能下降,机加工困难,特别是延伸率降低。为此,一定要对旧的热处理炉进行技术改造,提高加热炉的密封性等,在连续式退火炉中应保持中性气氛。

  • 盐浴炉炉口简易节电法
  • 加保温盖节电法

盐浴炉的热损失主要来自敞口的炉口表面辐射热。低温时,炉口表面的辐射热损失为炉壁的19.3倍;高温时为79.3倍。为减少炉口的热损失,应加轻质保温炉盖。加保温盖后,节电效果显著。

  • 采用石墨铺盖盐浴表面节电法

盐浴炉在加热升温和停炉保温过程中,可采用加保温盖法,以减少炉口热损失,起到了显著节能效果。在连续生产过程中,由于装、出料频繁,加保温盖不方便,因此,使炉口经常处于敞口状态,加大了热损失、一般来说,盐浴炉的热消耗有四个方面:一是工件吸热,二是炉体传导散热,三是盐液汽化吸热,四是炉口熔盐的热辐射和炉口空气的吸热对流。其中除工件吸热有用外,其余均为无用热,同比是炉口部分的热损失占有极大部分,为解决炉口的热损失,只要在溶盐表面撒一层石墨粉隔热就能大大减少炉口的热损失。这是一种极为简易的节电方法


    四、节能案例
  • 高效蓄热式工业炉在冶金行业的应用

高效蓄热式加热炉工作原理:在一种状态下高炉煤气和来自鼓风机的助燃空气经换向系统分别进入左侧通道,而后由下向上通过蓄热室。预热后的高炉煤气和空气从左侧喷口喷入炉内混合燃烧并加热炉内钢坯,而后高温烟气进入右侧通道,在蓄热室进行热交换,将大部分余热留给蓄热体后,烟温降到150℃左右进入换向机构,然后经排烟机排入大气。几分钟后控制系统发出指令,换向机构动作,空气、高炉煤气、烟气同时换向将系统变为另一种状态,此时空气和高炉煤气从右侧喷口喷出并混合燃烧,左侧喷口作为烟道,在排烟机的作用下,高温烟气通过蓄热体后排出,一个换向周期完成。

该技术优点如下:

1〕可实现空气、高炉煤气双预热,在高温加热炉上直接使用高炉煤气。空气、高炉煤气均可预热至1000℃左右,火焰稳定,系统排烟温度低于150℃。采用二段式燃烧,不设预热段。
    2〕采用内置通道式换向燃烧,结构简单,运行可靠,维修方便,故障点少。
    3〕采用球形蓄热体,综合技术指标好。球形蓄热体的比表面积高达250m2/m3。
    4〕降低氧化烧损,烧损率小于1%,提高钢材产量。
    5〕没有传统加热炉的烧嘴、换热器及高温管道,自动化程度高。
    6〕余热回收率达90%以上。

节能效果:某钢铁公司应用该项技术后,年节约重油1.968万吨,折合节约标煤 2.8万吨,CO2 5.8万吨.投资回收期为0.33年;

适用对象:钢铁、有色冶金、玻璃、机械、电力等行业的工业炉窑。 


  • 热回收型清洁焦炉炼焦工艺的应用

热回收清洁焦炉炼焦是一种高水平的热回收焦炉,生产操作实现了机械化,废热回收,废气脱硫。
    该炼焦工艺技术的备煤、熄焦、储煤与常规工艺相同,所不同的是炉体和新型捣固、装煤、推焦设备。炉型的特点是用焦炉自产煤气直接燃烧加热,避免常规焦炉煤气净化的庞大设施和对空排放的能源浪费。焦炉操作采用热装热出,使焦炭生产连续化。该工艺采用炉外捣固和机械化一次封闭装煤技术,且炼焦温度高,焦炭质量好。焦炉产生的热废气进入余热锅炉,产生的蒸汽用于发电并在废气外排前采用国内先进的脱硫技术进行处理。
     热回收清洁焦炉炼焦工艺的技术优点:
   a、环境污染小,环保效果好,基本实现了清洁生产。
   b、吨焦投资低,投资回报率和资源综合利用率高,经济效益好。

   c、焦炭质量好,市场竞争力强。

    d、具有较高的综合效益,烟气余热可综合利用。

  e、资源利用率高。煤经捣固后,堆密度显著提高,有利于多配高挥发分煤和弱粘接性煤。同时利用余热发电,提高了资源综合利用率

节能效果:与改良焦炉炼焦相比,年可节能13.849万吨标煤,总价值为225万元。投资回收期为4.6年 。适用对象:土焦改造和新建焦化厂。


  • 低频矿热炉在冶金行业的应用

低频矿热炉工作原理:     由于冶炼工艺和电炉结构的原因,一般采用低电压、大电流三相交流工作模式,流经短网的电流一般有几万安培。短网阻抗虽然较小,但强大的电流仍会产生较大的电能损耗。
    短网阻抗由电阻和感应电抗两部分组成。对于电感为L的电路,流过频率为f的交流电时,其电抗值X=2πf L;频率f越高,则电抗X越大。矿热炉短网电抗占供电系统电抗的70%以上,产生大量的无功电流存在于短网和系统之间。对于短网来说,无论是有功电流还是无功电流,都将在短网的电阻上产生损耗。
    低频矿热炉的变压器将35kV高压降低为100V左右的工频电压,变压器二次侧采用偶数并联绕组同相逆并联,由四个三相绕组组成两组输出,分别向变频器主电路供电。
某铁合金厂应用该技术后,年节电353.327万kWh/年,年可节省电费106万元。投资回收期为1.5年。

低频矿热炉主要用于冶金行业,生产各种铁合金,也适用于生产电熔镁、电石、刚玉、黄磷等产品,用量最大的是铁合金矿热炉。


  • 高炉煤气余压能量回收透平发电装置(TRT)

低频矿热炉工作原理:     由于冶炼工艺和电炉结构的原因,一般采用低电压、大电流三相交流工作模式,流经短网的电流一般有几万安培。短网阻抗虽然较小,但强大的电流仍会产生较大的电能损耗。
    短网阻抗由电阻和感应电抗两部分组成。对于电感为L的电路,流过频率为f的交流电时,其电抗值X=2πf L;频率f越高,则电抗X越大。矿热炉短网电抗占供电系统电抗的70%以上,产生大量的无功电流存在于短网和系统之间。对于短网来说,无论是有功电流还是无功电流,都将在短网的电阻上产生损耗。
    低频矿热炉的变压器将35kV高压降低为100V左右的工频电压,变压器二次侧采用偶数并联绕组同相逆并联,由四个三相绕组组成两组输出,分别向变频器主电路供电。
某铁合金厂应用该技术后,年节电353.327万kWh/年,年可节省电费106万元。投资回收期为1.5年。

低频矿热炉主要用于冶金行业,生产各种铁合金,也适用于生产电熔镁、电石、刚玉、黄磷等产品,用量最大的是铁合金矿热炉。


  • 热管空气冷却器在工业电炉冷却系统中的应用

高效空气冷却器的原理及特点:   高效冷却器是一种将热管技术应用于冷却系统的新型冷却设备。将管材内部抽成一定程度的真空,然后注入一定量的液体(工质)并密封起来,就是一支热管。将热管垂直放置,如果对热管下部加热,上部冷却,下部的工质将沸腾或蒸发,蒸汽上升到冷却段,遇到冷的壁面会凝结成液体,同时放出汽化潜热,通过管壁传给外面的冷源,冷凝下来的液体在重力的作用下再回到加热段,重新开始蒸发吸热过程。这样,通过管内工质的连续相变完成热量的连续转移。
    由于热管靠工质的相变传热,因此具有以下特点:
  1) 极高的导热系数:等效导热系数可达紫铜的数百至数千倍;
  2) 良好的等温特性:2米长的钢-水热管,热端和冷端的工作温差小于30C;
  3) 极高的热流密度:单管的传热功率可达数十千瓦。

年节电10840kwh(以年产钢900吨计),投资回收期为1.34年, 适用于铸造、锻造、热处理等行业中工业电炉的电源及线圈系统冷却。 


  • 干法熄焦技术在焦化工业中的应用
干熄焦生产工艺流程:由焦炉生产的温度约为1000℃的赤热焦炭排出装入焦罐车中,焦罐经牵引、提升移送至熄槽上部,从加焦口将焦炭放入干熄槽预存室,预存一定时间后下行至熄焦室,并与逆流的惰性循环气体N2进行热交换,冷却后的焦炭经排焦装置从排焦口排出,再经皮带转运至筛焦楼筛焦、储存,供炼钢(炼铁)用。被加热后的循环气体出干熄槽后经降尘处理进入余热锅炉,再次进行热交换,其中余热锅炉产生的蒸汽送往发电机组发电,而换热后温度下降的循环惰性气体则由鼓风机再送至干熄槽循环使用。回收期2.7年,凡冶金行业焦化工业炉上仍采用湿法熄焦的企业均可采用。

  • 玻璃管低温换热器在余热回收系统中的应用
玻璃管低温换热技术原理:为提高锅炉的效率,各种综合利用技术在锅炉上得到了充分利用,锅炉尾部烟气综合利用就是其中的一种,即通过回收锅炉尾部烟气中的余热,达到提高锅炉效率的目的。BLGDW型玻璃管低温换热器安装在锅炉尾部的烟道中,锅炉排出的高温烟气横向冲刷换热器内玻璃管外管,玻璃管内的工质-循环水通过热传递,吸收来自烟气的热量,再经过循环水泵进入水箱,同时低温水不断进入换热器,与烟气换热,从而达到降低烟气温度,提高锅炉的效率的目的。
    在实际运行过程中,当烟气温度低于130℃时,烟气中的SO2、NOX等成份易形成亚硫酸、硝酸,对金属换热器进行腐蚀,因此金属材料的换热器的换热温度受到限制,通常为170℃,大量低品位余热资源难以回收利用。采用玻璃管低温换热器后,由于玻璃具有很强的耐酸腐蚀性,排烟温度大大降低,可降到80℃。节能效果:52.7万元 ,回收期为0.46年,适应于燃煤、燃油、燃气锅炉烟气余热回收及其它各类热机余热回。

  • 模糊控制在型钢加热炉上应用

模糊控制系统节能原理及特点:    工业生产是多变复杂的,许多生产工艺过程,如化工、建材、冶金等生产环境恶劣、检测条件较为粗糙、生产控制要素之间存在着严重的非线性、大滞后及强耦合关系,很难找到准确的数量关系,难以建立精确的数学模型,实施满意的控制。对此,传统的控制方式(如比例调节、PID调节等)不能收到好的控制效果,许多投运的过程控制系统不能正常运行,停留在手动状态,造成控制不精确,能源浪费。
    型钢加热炉炉模糊控制系统在控制一定工艺参数时,以最佳的空燃比使用最少的燃料达到最佳燃烧,所需匹配的助燃空气通过调节风机转速达到节电、节燃气的效果。炉温控制精度高,加热质量提高、减少了产品的氧化烧损,减少炉子热损、延长了炉子寿命。

 "模糊控制"有以下优点:

1. 控制精度高,稳态优于0.5%;
2. 响应快,过渡过程短;
3. 适应性强,参数变化不敏感;
4. 控制规律简单,模糊算法接近人的行为方式;
5. 无需对系统建立数学模型。

节能效果:某型钢厂应用该技术后,年节约69.3万元,回收期:1.1年。适用于高能耗的大型加热炉、热风炉、干燥炉等各种工业窑炉及各行业中大功率的风机、水泵等设备。


  • 气泡雾化高效燃烧器的应用

气泡雾化燃烧技术:为了使液体燃料有效地燃烧,就必须将其破碎成细小的液滴,即通常所说的雾化。通过雾化,形成颗粒微小、尺寸均匀的液雾,以增加液体燃料与助燃空气之间的接触面积,提高液体燃料的蒸发燃烧速度。雾化质量的好坏,将直接影响到其燃烧效率的高低。雾化越细,燃烧越充分。
    气泡雾化喷嘴技术是用气泡作为雾化的动力,利用气泡的产生、运动、变形直到出口爆破来产生非常细小的液雾。与上面所述的雾化原理不同,不是通过克服液体的粘性来达到雾化的目的,而是通过克服液体的表面张力来达到雾化的目的。对于液体燃料,如轻柴油、重柴油、重油、渣油等,粘度相差很大,而表面张力却处于同一数量级,因此,气泡雾化喷嘴对粘度变化不敏感。

其主要特点为:
(1)液雾颗粒粒度小(索太尔平均直径SMD≤40μm),尺寸分布均匀(尺寸分布指数N>2);
(2)雾化效果基本不受燃油粘度大小的影响,粘度使用范围宽,为70°E(即燃油只需具有流动性);
(3)燃烧完全,不冒黑烟,燃烧效率达99.5%以上,燃烧产物中污染物低于国家环保局规定的各项指标;
(4)火焰长度、火焰锥角、火焰形状及喷油量可按用户要求设计;
(5)燃烧器不结焦、不堵塞;
(6)火焰刚性强,喷射速度高;
(7)雾化效果不随流量大小影响,流量调节比大,可达1:5。

某电厂应用该项技术后,节能效果:节约重油2055.84吨,回收期0.61年,该项技术适用于电厂、陶瓷厂等用户。 

 
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