工業爐是工業加熱的關鍵設備，廣泛應用于國民經濟的各行各業，量大面廣，品種多，同時工業爐又是高能耗裝備。目前，我國共有各類工業爐約12萬臺，年總耗能達2.5億tce，約占全國總能耗的1／4，占工業總能耗的60％。雖然我國工業爐技術自改革開放以來有了長足的進步，但工業爐的能源利用總體水平不高，僅相當于發達國家50——60年代的水平，工業爐的熱效率平均不到30％，而國際上工業爐的熱效率平均為50％以上[2]。我國在工業爐節能方面，具有相當大的潛力，如何節約能源提高能源利用水平，仍是當務之急。

 

　　1  目前工業爐節能的一般措施

 

　　工業爐的能耗受許多方面因素的影響，但是節能的主要措施一般都離不開優化設計、改進設備、回收余熱利用、加強檢測控制和生產管理等幾方面[1]。

 

　　1.1  熱工測試

 

　　節能必須有科學的計量與對比測試方法。目前公認的測試方法是熱平衡測試。通過對工業爐的熱工測定，全面地了解工業爐的熱工過程，分析、診斷加熱爐的“病情”，找出其“病因”，進行節能技術改造，使加熱爐的熱效率進一步提高，單耗下降，并獲得加熱爐運行經濟技術性能指標的各項參數，分析加熱爐運行情況，及時調整加熱爐工況，使其達到運行的最佳狀態，從而找出節約能源的有效途徑和方向。

 

　　但也有人認為熱平衡測試十分繁雜，還要模擬生產穩定工況，然而，生產工況實際是不穩定的，模擬生產穩定工況易失實，熱平衡只是評價能爐等級的人為手段，與實際相差很遠，甚至虛假，因此提出用空爐升溫保溫的時間、能耗作為節能對比[3]。

 

　　1.2  爐型結構與筑爐材料

 

　　對爐子進行設計或改進時，應根據生產工藝要求，盡量選用新型節能爐子。選擇合適的爐型結構，提高機械化程度和能源利用率。目前通常采用的節能措施有：

 

　?。?）采用圓形爐膛替代箱形爐膛，可強化爐膛對工件均勻傳熱的效果，減少爐壁散熱量，使爐膛形成一個熱交換系統，在加熱元件，爐襯和工件3者之間進行熱交換。通過采用合理的爐膛空間和在不增大爐膛空間容積的前提下，加大爐內壁面積，以增大熱交換面積的方式提高爐膛熱交換從而提高熱效率。

 

　?。?）在爐膛內安設風扇，加強爐內對流傳熱。特別是小型加熱爐，高速氣流可破壞停滯在工件表面阻礙傳熱和界面反應爐氣邊界底層，起到縮短加熱時間和加快提高工件溫度的作用。

 

　?。?）爐體密封，包括爐膛內各引出構件，爐殼，爐門等處的密封。爐體密封不嚴，將會造成到處跑火、漏火，造成能源大量浪費、設備燒壞、環境惡劣等狀況，因此爐體密封直接影響工件品質和能耗，同時密封也是爐內氣氛控制的關鍵。而耐火纖維制品的出現，為解決爐體密封創造了條件，實現了軟密封。

 

　?。?）采用耐火澆注料整體澆注的加熱爐具有強度高、整體性、氣密性好、壽命長等優點。

 

　?。?）采用新型爐用材料，優化爐襯結構。爐襯在保證爐子的結構強度和耐熱度的前提下，應盡量提高保溫能力和減少儲蓄熱。單純依靠增加爐襯厚度來降低爐外壁溫度不僅會增加爐襯儲蓄熱和成本，而且相應地減少了爐底面積的有效利用率。選用耐火纖維、巖棉等作為保溫層，用輕質磚作為爐體的內襯，減少爐體的蓄熱損失，增強爐子的隔熱保溫，減少爐墻的散熱損失。

 

　?。?）在爐圍內壁涂高溫高輻射涂料，強化爐內的輻射傳熱，有助于熱能的充分利用，其節能效果為3％——5％，是近期較先進的節能方法[4]。

 

　　1.3  燃燒裝置與燃燒技術

 

　　燃燒裝置是爐子的心臟部分，它工作的好壞直接影響到能源消耗量的多少。目前，國內成功地應用在工業爐的燃燒器有：調焰燒嘴、平焰燒嘴、高速噴嘴、自身預熱燒嘴、低氧化氮燒嘴等，近來又研制成蓄熱式燒嘴，為適應煤氣和柴油的使用提供了多種先進的燃燒器。正確地使用高效先進燃燒器一般可以節能5％以上[5]。其中應用較廣的有：平焰燒嘴、高速燒嘴和自身預熱燒嘴。平焰燒嘴最適合在加熱爐上使用，高速燒嘴適用于各類熱處理爐和加熱爐，自身預熱燒嘴是一種把燃燒器、換熱器、排煙裝置組合為一體的燃燒裝置，適用于加熱熔化、熱處理等各類工業爐。

 

　　另外根據燃料種類，選擇性能良好的節能型燃燒裝置和與之相配套的風機、油泵、閥件以及熱工檢測與自動控制系統，保證良好的燃燒條件和控制調節功能也是行之有效的節能措施。

 

　　常規的節能燃燒技術有：高溫空氣燃燒技術，富氧燃燒技術，重油摻水乳化技術、高爐富氧噴粉煤技術、普通爐窯燃料入爐前的磁化處理技術等。這些技術在工業爐上的應用，已取得一定的節能效果。其中應用廣泛的有：高溫空氣燃燒技術和富氧燃燒技術。

 

　　高溫空氣燃燒技術是90年代發展起來的一項燃燒技術。高溫空氣燃燒技術通過蓄熱式煙氣回收，可使空氣預熱溫度達煙氣溫度的95％，爐溫均勻性≤±5℃，其燃燒熱效率可高達80％。該技術具有高效節能、環保、低污染、燃燒穩定性好、燃燒區域大、燃料適應性廣、便于燃燒控制、設備投資降低、爐子壽命延長、操作方便等諸多優點[6,7]。但高溫空氣燃燒還存在諸如各熱工參數間和設計結構間的定量關系，控制系統和調節系統的最優化，燃氣質量和蓄熱體之間的關系，蓄熱體的壽命和蓄熱式加熱爐的壽命的提高等一些問題，有待進一步去探索。

 

　　采用氧氣濃度高于21％的氣體參與燃燒的技術，叫富氧燃燒技術。富氧燃燒的技術主要是研制適合工業爐窯實用的燃燒器。富氧助燃技術具有減少爐子排煙的熱損失、提高火焰溫度、延長爐窯壽命、提高爐子產量、縮小設備尺寸、清清生產、利于CO2和SO2的回收綜合利用和封存等優點。但富氧燃燒含氧量的增加導致溫度的急劇升高，使NOx增加，這是嚴重制約富氧燃燒技術進入更多領域的因素之一。另外在工業爐窯上設計采用富氧空氣助燃時，應該避免爐內溫度場不均勻。

 

　　1.4  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約能源的主要途徑[8]。通常煙氣余熱利用途徑有：

 

　?。?）裝設預熱器，利用煙氣預熱助燃空氣和燃料。

 

　?。?）裝設余熱鍋爐，產生熱水或蒸汽，以供生產或生活用。

 

　?。?）利用煙氣作為低溫爐的熱源或用來預熱冷的工件或爐料。

 

　　回收煙氣余熱的最有效和應用最廣的是換熱器。我國近年來開發和推廣應用的高效換熱器有片狀換熱器，各種噴流換熱器，各種插入件管式換熱器，旋流管式換熱器，麻花管式換熱器，各種組合式換熱器，煤氣管狀換熱器和蓄熱式換熱器等。蓄熱式換熱器是今后技術發展趨勢，其余熱利用后的廢氣排放溫度在200℃以下，節能效益可達30％以上。

 

　　1.5  熱工檢測與控制

 

　　目前我國工業爐的能源消耗大，浪費嚴重，普遍存在空氣過剩系數過大的問題，這主要是由于調節手段的落后，工人的勞動強度較大，難以保證理想的燃燒工況。因此提高熱工檢測與控制水平，具有很大的節能潛力。

 

　　采用先進的自動控制技術，特別是采用微機控制系統，已經成為工業爐自動控制的發展方向。通過設置自動控制系統，以各相關系統的及時精確配合和控制來實現節能。諸如加熱爐各主要過程變量的定量控制，爐溫與燃料流量的串級控制，燃料與助燃空氣的比值控制以及煙道廢氣的含氧量控制等。

 

　　1.6  能源管理

 

　　工業爐節能除了從設備和技術方面挖掘潛力外，還應從能源管理方面人手。從組織、生產、操作3方面著手，加強能源管理工作。高效組織生產，加強設備維護，發揮設備的能力，使爐子高效運行。提高操作水平，加強計劃調度，并對能源使用過程中造成的跑、冒、滴、漏等能源浪費現象進行檢查和處理，有效杜絕各種有形損失。

 

　　2  工業爐節能的發展趨勢

 

　?。?）調整燃料結構。盡管煤炭在相當階段內仍是我國的主力能源，但其既污染嚴重，又不利實施高溫空氣燃燒技術。所以用油、氣取代煤等固體燃料，是我國工業爐節能發展的戰略性方向。

 

　?。?）進一步開發、完善先進的燃燒技術。大力完善和推廣高溫空氣燃燒技術仍是今后工業爐節能發展的方向。在保證高溫、高效火焰的基礎上提高爐膛溫度的技術，使爐膛溫度均勻分布的技術，以及N0x控制技術，是推動富氧燃燒的核心技術，也是未來的發展方向。同時C02的減排和封存問題將成為重要的研究熱點，余熱回收及充分利用低熱值燃料是工業爐節能發展的重點。

 

　?。?）砌筑將向整體化和輕型化方向發展。隨著不定形耐火材料的發展，整體澆注和輕型結構將獲更廣泛的發展。采用新型耐火材料，用耐高溫陶瓷和陶瓷纖維代替耐火磚，使爐子升溫快，熱損失小。

 

　?。?）節能和環保并重。在進行節能改造的同時，應進行污染治理，努力降低或消除有害廢氣和煙塵的排放。對中國而言節能是最大的環保措施之一。

 

　?。?）提高工業爐的“綠色度”。通過凋整產業結構，改善能源結構；采用世界上最先進的科學治污方法，從源頭上根治污染：不斷開發適合中國工業爐的新技術、新設備，強化余熱回收和資源的循環利用；強化立法和執法力度；健全環保組織和提高全民環保意識等途徑提高“綠色度”。

 

　　3  結束語

 

　　我國能源的緊張與短缺已成定局，嚴重影響了經濟的發展。節能是中國能源戰略和政策的核心，解決能源和資源問題，最根本的還是要靠科技進步。工業爐的節能，應當抓技術創新，尋找、探索新的節能機理和途徑，走出傳統節能方法的老路，走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的可持續發展道路。