工业炉窑与锅炉的节能技术探析

（1）燃煤工业炉窑与锅炉的现状和问题 工业炉窑和锅炉的节能技术是提高能源利用率的重要领域。

工业炉窑每年耗煤量达到（3～4）亿t左右，主要集中在建材和冶金行业。水泥、墙体材料炉窑每年消耗煤炭2.24亿t，其中水泥炉窑约7800座，年耗煤1.6亿t，平均能效比国外先进水平低20%以上；墙体材料炉窑约10万座，每年消耗煤炭6400万t，平均能效比国外先进水平低30%以上；钢铁工业炉窑每年消耗煤炭6600万t，其中球团工艺回转窑生产线20多条。平均能效比国外先进水平低50%以上；石灰热工炉窑约350座，平均能效比国外先进水平低10%；耐火材料热工炉窑约1900余座，平均能效比国外先进水平低10%～20%。

工业炉窑存在的主要问题是：技术水平低，装备陈旧落后、规模小；能耗高，大部分缺乏污染控制设施，污染严重；运行管理水平低；缺乏能效标准和节能政策。

目前全国在用工业锅炉50多万台，燃煤锅炉约48万台，占工业锅炉总容量的85%左右。113个大气污染防治重点城市中约有燃煤工业锅炉24万台，约占全国的1/2。工业锅炉主要用于动力、建筑采暖等领域，每年耗煤约4亿t。

我国燃煤工业锅炉效率低，污染重，节能潜力巨大。锅炉设计效率为72%～80%，平均运行效率约60%～65%，平均运行效率比国外先进水平低15%～20%；每年排放烟尘约200万t，SO₂600万t，是仅次于火电厂的第二大煤烟型污染源。

燃煤工业锅炉存在的主要问题是：单台锅炉容量小，设备陈旧老化；锅炉平均负荷不到65%，“大马拉小车”现象十分突出；锅炉自动控制水平低，燃烧设备和辅机质量低；使用煤种与设计煤种不匹配，煤炭质量不稳定；缺乏熟练的专业操作人员；污染控制设施简陋，多数未安装或未运行脱硫装置，污染排放严重；节能监督和管理不到位等。

如果通过开展相应的基础研究，继而开发出高效、洁净的燃煤技术及配套技术，经初步分析可使工业锅炉、炉窑热效率至少提高10%，总节煤约达1.2亿t/年；仅节煤所减少的SO₂排放约200万t/年、减少CO₂排放约2.9亿t/年；同时可减少大量的运输力。

近年来，国内一些城市和地区采取了热电联供、锅炉大型化或集中供热、清洁燃料（天然气、液化石油气等）替代的措施，一定程度上缓解了燃煤污染。但是，随着工业化和城镇化建设快速发展，燃煤工业炉窑、锅炉数量仍然很大。由于我国以煤为主、油气资源相对短缺的能源特点，预计燃煤工业炉窑、锅炉今后还将长期、大量被应用于各个领域。

（2）工业炉窑节能技术

1）工业炉窑改造的主要内容。我国现有工业炉窑的数量较大，因此对现有工业炉窑进行节能改造是节能的主要措施之一，改造的主要内容有：①改造热源。应根据不同的炉窑采取不同的方法。以电能为热源的炉窑，按产品工艺要求，如将工频电源改为低频电源，或将交流电源改为直流电源，或电网进行节能改造，对电极进行自动控制改造等。对燃油的炉窑改为燃用回收的可燃气，有的可由燃油、燃气改为电加热等。②改造燃烧系统。用新型燃烧器取代老式燃烧器，如使用平焰、双火焰、高速、可调焰等新型烧嘴，可节能5%～10%；有条件时应回收烟气余热用于预热助燃空气。对燃煤炉窑改造多是采用机械化加煤或煤粉燃烧，可以提高煤的燃烧率。此外根据余热安装配套的余热锅炉是最有利的节能措施。③改造炉窑结构。工业炉窑的结构应根据不同行业、不同工艺而采用不同结构。其主要目的是改善燃烧状况、缩小散热面积、增大炉窑的有效容积。炉窑结构改造的效果应该是既可以减少能源消耗，又可以提高产品的质量和增加产量。④改善炉窑的保温状况。工业炉窑大多数在1000℃以上运行，所以其保温状况与能源消耗直接相关。更换新型保温材料或改善保温状况是十分重要的节能措施。如炉膛改用轻质耐火砖加耐火纤维和保温材料构成的复合结构；采用复合浇注料吊挂炉顶，减少炉顶散热；在中温间断式炉上采用全耐火纤维炉衬等。⑤改造控制系统。将手动控制或半自动控制系统改为自动控制系统，按工艺要求综合调节进料量、燃料供给量、进风与引风量和成品出炉（窑）量，使炉窑运行在良好的节能状态下。

我国在“十一五”期间已将开发工业炉窑的节能新技术作为重点，包括工业炉窑的高温空气燃烧技术，纯氧或富氧燃烧节能技术，高固气比悬浮预热预分解水泥生产技术，余热（废气）资源综合利用技术（包括大型高炉炉顶煤气压差发电综合节能技术，焦炉煤气和转炉煤气干法回收利用技术，化工与炼油工业可燃废气回收利用技术等）。其预期目标是解决蓄热式高温空气燃烧和脉冲燃烧关键技术，熔炼炉和烧成窑的余热高效利用技术，炉窑长寿化工艺技术等一批工业炉窑关键节能技术，使炉窑热效率提高10%以上。

2）工业炉窑的节能技术：

①提高燃烧效率。充分有效利用燃料自身的能量是工业炉窑节能的主要方向。a.采用低过量空气系数的燃烧方式。为保证燃料的完全燃烧，炉窑中的过量空气系数通常大于1，但炉窑的不完全燃烧热损失和排烟热损失都与过量空气系数有关。为提高燃料利用率，在保证燃料完全燃烧的情况下，应尽量采用低过量空气系数，特别是排烟温度很高时更应如此。为了实现低过量空气系数的燃烧方式，应当采用先进的燃烧装置，如选用各种性能优良的烧嘴。b.采用富氧燃烧。富氧燃烧是指燃烧用的助燃空气中的含氧量高于21%的燃烧。由于含氧量高，不参与燃烧的氮的量相应减少，其结果不但是燃烧温度提高，有利于提高燃烧效率，而且烟气量也相应减少，降低了排烟损失。上述两个因素对炉窑的节能十分有利。试验证明，在含氧量为21%～40%时，节能效果非常明显；当大于40%时节能效果趋于平缓。由于使空气增氧也要花费一定的代价，因此应根据具体情况进行技术经济分析。c.提高助燃空气温度。利用占工业炉窑50%～70%热量的高温烟气来加热助燃空气是提高炉窑热效率最简单又最有效的途径。如废气温度为900℃时，带走的热损失为50%，用它把空气预热到250℃，可节约15%的燃料，使22%的废气热量得到回收。助燃空气温度越高，燃料节约率越大。此外，提高助燃空气的温度不但可以增加助燃空气带入的湿热，而且能显著地提高燃烧温度，特别是对低发热值的燃料更是如此。提高助燃空气温度的关键是采用高温换热器，通常将热流体温度高于800℃的换热器称为高温换热器，它们主要用于工业炉窑的余热回收。高温换热器的种类繁多：从材料上分有金属制和非金属制；从操作原理上分有换热式和蓄热式；从传热方式上分有对流式和辐射式。由于炉窑排烟温度很高，辐射传热与温度的四次方成正比，因此对排烟温度很高的炉窑，应首选辐射式高温换热器。

②减少炉体的散热损失。工业炉窑中炉体的散热是另一项主要的热损失。与连续操作的炉窑不同，间歇操作的炉窑除了炉壁的热损失外，还存在所谓“蓄热损失”。由于间歇操作的炉子经常存在开炉与停炉的交替，因此每次开炉时要将炉壁重新加热，这种热损失就称为炉壁蓄热损失。工业炉窑的炉体散热损失占相当的份额，对于间歇操作的锻造炉这部分损失高达45%，间歇操作的电阻式热处理炉这部分损失为40%～60%。因此加强对工业炉窑的保温是一项有力的节能措施。从节能的角度看，耐火材料的性能指标主要是导热系数、密度和比热容。在诸多耐火材料中，耐火纤维是比较理想的耐火和绝缘材料。其中硅酸铝耐火纤维的最高工作温度为1000～1200℃，密度仅为轻质砖的20%，耐火砖的10%。因此应用耐火纤维可使间歇操作的工业炉窑轻型化，蓄热损失下降十几倍。目前轻质隔热炉窑的先进性主要表现在按照模数设计成轻型装配式外形，然后再以耐高温轻质隔热耐火材料进行严密的砌筑。炉窑的内衬耐火材料采用耐高温的陶瓷毡，外加陶瓷棉或其他隔热保温板，总厚度为450mm；内衬为轻质高铝砖，中间及其外侧也都采用陶瓷棉，总厚度达600mm；炉窑的外表为金属板。炉窑顶采用Z型纤维预制块组合吊挂，减轻炉窑体重量，提高保温隔热效果。在设置喷嘴和急冷风部位的炉窑顶，加设金属换热器（占炉窑顶面积的65%以上），用来预热助燃空气及急冷风。这种设计与制作保证了炉窑的耐高温的实用性与节能性。由于陶瓷纤维的热稳定性好，在高温烧成中不变形与熔融，又由于其热导率低、蓄热少，密度小，重量轻，因此具有明显的节能效果。据计算，当炉窑内温度达到1250℃时，炉窑外壁温度仅为50℃左右，说明炉窑体的密封性极好。

③提高炉窑的密封性和减少水冷件热损失。应减少开孔与安装炉窑门，还可以采用浇注料炉衬结构外加炉窑墙钢板。要少用或不用水冷构件，对必须设置的炉窑内水冷构件进行绝热包扎，或采用汽化冷却来回收水冷构件的热损失，这不仅可以得到中压蒸汽，还可以节约水源。

④采用高辐射陶瓷涂料。在工业炉窑内衬及加热管外表面涂刷高辐射陶瓷涂料，可强化炉窑内的辐射传热，这是一种投资少、见效快、施工简便的工业炉窑节能新技术。因为在炉窑内高温条件下，辐射是传热的主要方式，高辐射陶瓷涂料可在不改变设备结构的条件下，使炉窑壁的热辐射率由0.3～0.5提高到0.9～0.95，从而大大地提高了传热效率。高温辐射陶瓷涂料用于加热炉时不但能够节能，而且能够提高加热炉内温度的均匀性，使炉内物料受热均匀，提高产品质量。此外还能延长加热炉及加热管的使用寿命，提高加热炉升温速度，并降低加热炉的外壁温度。(www.xing528.com)

（3）工业锅炉节能技术

1）工业锅炉节能监测。根据国家标准，对工业锅炉的监测有五项指标，其中排烟温度、过量空气系数、炉渣含碳量和炉体外表温度为测试项目，锅炉热效率为检查项目。通过五项监测指标，即可了解锅炉的运行状况，并分析锅炉存在的问题，找出节能的方法。下面分别介绍五项监测指标。

①排烟温度。排烟热损失是锅炉的主要热损失之一，可达10%～20%。排烟热损失主要取决于排烟温度和过量空气系数的大小。在锅炉运行中，为了减少排烟热损失，应在满足燃烧反应需要的前提下，尽量保持较低的过量空气系数，应尽可能避免燃料室及各部分烟道的漏风，以降低排烟热损失。排烟温度也不是越低越好，因为太低的排烟温度势必要增加锅炉尾部受热面，这是不经济的；同时还会增加通风阻力，增加引风机的电耗。此外，过低的排烟温度若低于烟气露点以下，将会引起受热面的腐蚀，危及锅炉的安全运行。通常，最合理的排烟温度应根据排烟热损失和尾部受热面的金属耗量与烟气露点等进行技术经济核算来确定。造成锅炉排烟温度升高的原因是除没有装设尾部受热面以外，还受烟气短路、受热面着灰与结垢、运行负荷等因素的影响。

②过量空气系数。过量空气系数是一项重要指标，对不同类型的锅炉都有一个最佳过量空气系数，但实际上几乎所有的炉子的过量空气系数都超过设计值。过量空气系数是根据燃料的性质、燃烧的方式、燃烧设备等条件来确定的，当过量空气系数过大时，会造成燃煤与空气混合不均匀，有的区域出现空气不足，另外的区域又出现空气严重过剩，致使炉膛温度降低，排烟量增大，排烟热损失增加。最好的做法是，在尽可能保证燃料得到充足的氧气而完全燃烧的前提下，使过量空气系数降低。造成空气过剩的原因通常是：炉排下部的风室隔断不严，各室互相串风；锅炉烟气系统及锅炉本体漏风；锅炉燃烧调整的操作技术差，造成风量配置不当；锅炉仪表配备不够齐全等。

③炉渣含碳量。炉渣含碳量反映锅炉的机械不完全燃烧热损失。对层燃炉来说，机械不完全燃烧热损失是最大的损失项，可达15%～20%。造成炉渣含碳量高的通常原因有：水分大，挥发分少；锅炉运行参数调整不合理（煤层厚度、进煤速度、风煤配比等）；炉膛温度过低；炉膛结构设计不合理等。炉渣含碳量在一定程度上代表了煤炭燃烧的完全程度，是锅炉运行状况的重要指标。

④炉体外表面温度。炉体外表面温度指标主要用来反映锅炉的散热损失。它的大小主要取决于单位锅炉的容量相对表面积的大小和外壁温度，外壁相对面积越大，外壁温度越高，向周围环境的散热量也越大。对不大于35t/h的工业锅炉，散热损失大约占总的输入热量的1%～3.5%。从具体因素来看，炉体外表面散热损失主要取决于以下因素：锅炉容量的大小；是否布置了尾部受热面；炉墙的保温绝热状况；锅炉的实际运行及安装维修水平。

⑤热效率。热效率是锅炉的综合指标，体现了锅炉作为能源转换设备的综合性能。在标准规定的监测项目中，对排烟温度和空气系数的监测，其实是为了对排烟热损失q₂进行监控；对炉渣含碳量的监测是对机械不完全燃烧热损失q₄监控；炉壁温度的监测则是对锅炉外表面散热损失q₅的监控。对工业锅炉的测试结果的统计分析可知，在工业锅炉的各项热损失中，把q₂、q₄、q₅控制好，就基本控制了损失的70%～80%。

2）工业锅炉节能改造。一般来说，对于半新的锅炉，采取技术改造措施较为经济合理；对于接近寿命的锅炉，应尽可能更新。对于不同的情况应采取不同的措施，但应以技术先进、成熟、经济合理为原则。由于在用的工业锅炉中以正转链条炉排锅炉居多，所以当前的技术改造大部分是针对正转链条炉排锅炉的，其常用的技术改造措施主要有：

①给煤装置改造。层煤锅炉都是燃用原煤，其中占多数的正转链条炉排锅炉原有的斗式给煤装置，使得块、粉煤混合堆实在炉排上，阻碍锅炉进风，影响燃烧。将斗式给煤改造为分层给煤，即使用重力筛选将原煤中块、粉自下而上松散地分布在炉排上，有利于进风，减少灰渣含碳量，节煤可达5%～20%。

②燃烧系统改造。对于正转链条炉排锅炉，简单改造是从炉前适当位置喷入适量煤粉到炉膛的适当位置，使之在炉排层燃基础上，适量增加悬浮燃烧，可节约燃煤10%左右。但是，要适当控制喷入的煤粉量、喷射速度与位置，否则将增大排烟黑度，影响节能效果。对于燃油、燃气和煤粉锅炉，则应用新型节能燃烧器取代落后的燃烧器，改造效果与原设备状况相关，节能效果相当于节煤5%～10%。

③炉拱改造。正转链条炉排的炉拱是按特定煤种设计配置的。由于不少锅炉不能燃用设计时给定的煤种，导致燃烧状况不佳，直接影响了锅炉的热效率和锅炉出力。按照实际使用的煤种，适当改变炉拱的形状与位置，可以改善燃烧状况，提高燃烧效率，减少燃煤的消耗。现在已有适用多种煤种的炉拱配置技术。

④锅炉辅机节能改造。作为燃煤锅炉主要辅机的鼓风机和引风机的运行参数与锅炉的热效率直接有关。用适当的调速技术，按照锅炉负荷需要调节鼓、引风量，维持锅炉运行在最佳状态，可以节约锅炉燃煤，又可节约风机的耗电。

⑤控制系统改造。工业锅炉控制系统节能改造有两类：a.按照锅炉的负荷要求，实时调节给煤量、给水量、鼓风量和引风量，使锅炉处于良好的运行状态。将原来的手工控制或半自动控制改造成全自动控制。这类改造对于负荷变化大且频繁的锅炉节能效果很好，节能可达10%左右。b.对于供暖锅炉在保持足够室温的前提下，根据户外的温度变化，实时调节锅炉的输出热量，达到舒适、节能、环保的目的，同时可节能约20%左右。

3）采用先进的炉型。在我国燃煤工业锅炉中，绝大多数是层煤炉，其中固定炉排约占40%，链条炉占50%，其他炉型占10%。高效、低污染、宽煤种的循环流化床锅炉很少。用新型的节能型锅炉替换旧型锅炉，用大型锅炉替换小型锅炉，用高参数锅炉替换低参数锅炉，实现热电联产等，从根本上提高锅炉的使用效率，是节能的关键。采用循环流化床锅炉或将层燃锅炉改造成循环流化床锅炉，是推广先进炉型中最重要的工作。循环流化床锅炉的热效率比层燃锅炉高15%～20%，可使用劣质煤，而且可以使用石灰石粉在炉内脱硫，大大减少燃煤锅炉酸雨气体SO₂的排放，其灰渣可直接生产建筑材料。

目前国内除循环流化床锅炉外还应推广以下先进炉型。例如；抛煤机链条炉排锅炉、振动炉排锅炉、翻转炉排（万能炉排）锅炉、改进型水火管锅炉、角管式锅炉、下饲式锅炉、型煤锅炉等。这些先进炉型都提高了锅炉的热效率，可节约燃煤，同时减少污染物的排放。