锻造加热炉的余热回收需要大力开发

1.概述 锻造加热炉是锻压生产中的主要耗能设备之一。锻造加热炉外形尺寸大，加热温度高，燃料消耗量较大。火焰炉是我国锻造加热炉的一种，数量很多，分布很广，这种炉子热效率很低（见表4-6），热损失很大，是节能的重点。

表4-6 锻造加热炉热效率 （%）

热损失中最大的有两项：一项是烟气从炉膛带走的热损失。由于工艺要求加热温度高，烟气离炉温度都在1000℃以上，这部分热损失占总供热量的30%～60%。另一项是炉体的蓄热散热损失。大多数工厂采用单一的重质砖，或以重质砖为主的炉墙结构。因此炉体绝热性能差，散热损失大。又由于是间歇式生产，炉体的蓄热损失更大，一般比散热损失大几十倍。这两种热损失占总供热量的80%左右。

因此锻造加热炉节能改造的主要途径：一是采用先进、高效的换热器，回收烟气中的余热，并用来预热助燃空气；二是改变炉墙结构以轻质砖代替重质砖。减少炉体的蓄热散热损失。

改革开放以来，我国工业炉在筑炉材料、燃烧设备、控制部件等方面通过引进消化和自我研制开发，水平有了很大的提高。但从目前的能源利用效率来看节能的潜力很大，因此有必要在炉衬材料、燃烧设备、控制系统、余热回收以及生产管理等方面，通过实践分析和理论研究，找出影响能耗的各种因素，采取有效的节能途径和措施降低能耗，从而以最少的能源消耗获得最大的技术经济效益。

2.加热炉热效率低下的原因

（1）燃烧效率低。加热炉在燃烧过程中，空气的不足或过剩，都会造成能源浪费，喷嘴的结构应该按加热炉的要求来确定，燃烧产物的成分同风油比例有密切关系，也与燃烧条件的变化有关。当空气和油混合不良时烟气中可能同时有氧气和未燃物，所以燃料消耗不仅同喷嘴结构有关而且也同喷嘴的调节方法有关。调节不当引起空气过剩，从而增加了能量的消耗。

（2）炉墙损失。从热源本身分析，在炉膛内，热源发出的热能是以电磁波即热射线的形式，沿半球空间呈直线射出状进行辐射的。电磁波遵循光学原理进行传播。实际上，这些热射线只有一部分能够直接射到工件上，被工件吸收而成为有效热；还有许多热射线却射不到工件上，而是射到了炉壁的某处。被反射的热射线中的一部分，此时可能射到工件上，被工件吸收成为有效热；而另一部分仍然射不到工件上，再一次发生上述炉墙吸收和反射过程。

炉墙热量损失包括散热损失和蓄热损失两项：

散热损失：Q₁=Aq，其中A为炉墙外表面面积；q为综合传热系数，q的数值和炉墙外表温度有关，而炉墙外表温度取决于炉温的高低、耐火材料热导率的大小和炉墙厚度。因此，要降低炉墙外表温度减少炉墙散热损失，可以增加炉衬厚度，采用热导率低的耐火材料。蓄热损失：，其中G为耐火材料质量；c为比热容；为平均温度。从式中可以看出，采用轻质耐火材料降低炉衬重量是减少蓄热损失的最佳途径。

对于连续运行的炉子，蓄热是一次性的，炉墙的热量损失主要表现为散热损失，因此可适当增加炉墙厚度，降低炉墙外表温度，减少炉墙散热损失。而对于间歇式炉来说，炉子每次运行，炉墙都要吸收大量的热量，蓄热损失大于散热损失，因此可采用热导率小的轻质耐火材料，或减小炉墙厚度降低蓄热量来减少炉墙的热损失。

（3）炉型落后。在机械行业中，先进的炉型所占比重不大，绝大多数为20世纪50～60年代的结构形式，例如燃煤锻造加热炉，室式炉居多，炉温波动较大，加热质量差，热效率低，一般低于5%。目前，工业炉手工操作很多，包括加煤、装出料、开启炉门等，多余的能量耗散很大。

3.加热炉节能措施

（1）炉型结构。对工业炉进行设计或改进时，应根据生产工艺要求，尽量选用新型节能炉型和节能耐火材料。炉型结构是加热炉节能与否的先天性条件，因此在加热炉新建时应该尽量考虑到加热炉节能的需要。炉型结构的新建或改造，要使燃料燃烧尽可能多的在炉膛内发生，即燃料在炉内存在合适的燃烧空间和燃烧时间，减少排出炉膛的烟气热损失；要尽可能多地将烟气余热回收到炉膛中来，提高炉子的燃料利用系数；尽量减少炉膛各项热量损失，提高加热炉热效率。

（2）筑炉材料。工业炉炉衬的蓄热和散热，一般占加热炉总能耗的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，提高热效率，节约能源35%左右。同时，无拱顶推力，炉门轻，炉体骨架负荷大为减小，可节约建炉钢材1/3左右，同时可简化炉体基础。由于炉衬热容量小，炉膛升温快，有利于缩短操作周期，加热炉作业率和热效率的提高，使加热炉同时获得节能、增效的效果。(www.xing528.com)

（3）余热利用装置。锻造加热炉是余热资源最多的炉型之一，除采用蓄热室的大型加热炉可取得60℃的空气预热温度外，其他大中型工厂的空气预热装置大多实施不力。锻造加热炉的余热回收措施仍处于落后状态，是需要今后大力开发的一项任务。

蓄热式工业炉是用技术手段，将炉窑自己排放的废气中含有的余热加以回收，使其作为加热助燃的空气，实行高温空气燃烧。此项废气余热回收的技术，使企业的低热值高炉煤气资源得以利用，减少了对环境的污染。燃料炉中烟气带走的热量占总供热量的30%～70%，充分回收余热，节约燃料，是加热炉节能的重要途径。一般助燃空气温度每提高100℃，可节约燃料5%。据调查（1亿t耗能基数）可回收的余热资源占工业炉能耗量的12.5%。

（4）热工控制。煤炉及采用热脏发生炉煤气的加热炉不具备热工自控条件。以油、气为燃料的热处理炉已在开发应用不同水平的热工自控系统，但锻造加热炉却应用甚少，特别是以重油、渣油或冷发生炉煤气为燃料的加热炉更是望而却步。究其原因主要是因这类燃料的洁净度不够，重、渣油的预热温度不够，锻工车间振动大、仪表质量差也是影响因素。因此锻造工业炉普遍实现热工自控尚有大量研究工作要做。对燃料炉而言，各种热工参数的检测与控制是改善燃烧、降低能耗、保证工艺要求、提高产品质量和产量的重要措施。

采用先进的自动控制技术已经成为工业炉自动控制的发展方向。通过设置自动控制系统，严格控制各段燃烧的空燃比以及各段炉压情况，运用自动控制系统来实现节能。实时运用氧化锆测氧仪检测排放烟气中的氧气含量，实现自动调节空气煤气的配比，以达到最佳燃烧效果，降低能源消耗。

（5）改善燃料燃烧状况。

1）燃烧装置。燃烧装置是燃料炉的“心脏”，要求高效、节能和高性能。燃气燃烧装置中，20世纪70年代以前多为高压喷射式烧嘴，约占50%，其余多为低压涡流式，新型烧嘴只占6%。燃油燃烧装置中，多采用低压空气雾化油嘴，如R型、RK型，后来的F型自动比例调节烧嘴，正确地使用高效先进燃烧器一般可以节能5%以上。从20世纪80年代至今，我国成功地自行开发、研制了多种适合国情的燃烧装置，如平焰烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴、蓄热式烧嘴等。除了高效节能外，同时要求高性能，既能满足多种工艺要求，保证产品质量，同时实现低污染，保证温度均匀性，满足加热温度曲线，控制炉内气温等。这些高性能烧嘴得到了推广应用。

2）燃烧技术。根据燃料种类，选择性能良好的节能型燃烧装置和与之相配套的风机、油泵、阀件以及热工检测与自动控制系统，保证良好的燃烧条件和控制调节功能也是行之有效的节能措施。常规的节能燃烧技术有：高温空气燃烧技术，富氧燃烧技术，重油掺水乳化技术，高炉富氧喷粉煤技术，洁净煤燃烧技术，空气、低热值煤气双蓄热燃烧技术等。这些技术在工业炉上的应用，已取得一定的节能效果。其中应用广泛的有：高温空气燃烧技术、富氧燃烧技术。

（6）能源管理。工业炉节能除了从设备和技术方面挖掘潜力外，还应从能源管理方面入手。从组织、生产、操作三方面着手，加强能源管理工作。高效组织生产，加强设备维护，发挥设备的最大潜能，使炉子高效运行。提高操作水平，加强计划调度，及时对能源消耗情况进行统计，找到能源浪费的主要环节，对此制订相应的解决措施，并对能源使用过程中造成的跑、冒、滴、漏等能源浪费现象进行检查和处理，有效杜绝各种有形损失。

4.加热炉节能的发展趋势

（1）调整燃料结构。尽管煤炭在近阶段内仍是我国的主力能源，但直接用煤炭作为燃料既污染严重，又不利实施高温空气燃烧技术。所以用油、气取代煤等固体燃料，主要是采用煤气来作为燃料，是我国工业炉节能发展的战略性方向。

（2）进一步开发、完善先进的燃烧技术。大力完善和推广高温空气燃烧技术仍是今后工业炉节能发展的方向。在保证高温、高效火焰的基础上提高炉膛温度的技术、使炉膛温度场均匀分布的技术以及NO_X控制技术，是推动富氧燃烧的核心技术，也是未来的发展方向。同时CO₂的减排和封存问题将成为重要的研究热点，余热回收及充分利用低热值燃料是工业炉节能发展的重点。

（3）砌筑将向整体化和轻型化方向发展。随着不定形耐火材料的大量应用，整体浇注和轻型结构将获更广泛的发展。采用新型耐火材料，用耐高温陶瓷和陶瓷纤维代替耐火砖，使工业炉升温快、热损失小。在保证炉体的寿命前提下，应向充分采用节能材料方向发展。

（4）新型蓄热式燃烧技术。新型蓄热室采用陶瓷小球或堇青石质蜂窝体作为蓄热体，其比表面积高达300～1000m²/m³，比传统的格子砖高几十至几百倍，可极大地提高传热效率，使蓄热室的体积大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使得换向周期大为缩短，新型蓄热室的换向周期仅为0.5～3min。新型蓄热室传热效率高和换向周期短，带来的效果是排烟温度低（150℃以下），被预热介质的预热温度高（约为炉温的75%～85%）。因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达85%以上，热回收效率达80%以上。

（5）节能和环保并重。在进行节能改造的同时，应进行污染治理，努力降低或消除有害废气和烟尘的排放，尽力减少对自然环境的污染，保护自然环境。对我国而言节能是最大的环保措施之一。