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1、工业炉窑新技术,黄军 2009年8月,第1章工业炉窑节能新工艺新技术概述,1.1 能源问题所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。自然资源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能等。为了便于运输和使用，上述资源经加工可得到一些更符合使用要求的能量来源，如煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气、氢能等。,能源的分类：,由于可被人类利用的能源多种多样，因此有以下六种不同的分类方法：（1）按地球上的能量来源分；（2）按被利用的程度分；（3）按获得的方法分；（4）按能否再生分；（5）按能源本身的性质分；（6）按对环境的污染情况分。,按地球上的能量来源分,来自于地球本身，如核能、地
2、热能等；来自于地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。,按被利用的程度分,常规能源，如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等；新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等，另外还有核能。,按获得的方法分,一次能源，即可供直接利用的能源，如煤、石油、天然气、风能、水能等；二次能源，即由一次能源直接或间接转换而来的能源，如电、蒸汽、焦炭、煤气、氢等，它们使用方便，是高品质的能源。,按能源能否再生分,可再生能源，即不会随其本身的转化或人类的利用而越来越少的能源，如水能、风能、潮汐能、太阳能等；非再生
3、能源，它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。,按能源本身的性质分,含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；过程性能源（非燃料能源），如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等，它们无法直接储存。,按对环境的污染情况分,清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。,世界能源问题,世界性的能源问题主要反映在能源短缺及供需矛盾所造成的能源危机。世界能源面临的另一问题是，随着经济的发展和生活水平的提高，人们对环境质量的要求也越来越高，相应的环保标准和环保
4、法规也越来越严格。,我国能源问题,人均能源资源相对不足，资源质量较差，探明程度低；能源生产消费以煤为主；能源工业技术水平低下，劳动生产率较低；能源资源分布不均，交通运力不足，制约了能源工业发展；,能源供需形势依然紧张；能耗水平高，能源利用率低下；农村能源问题日趋突出，影响越来越大；能源环境问题日趋严重，制约了社会经济发展；,能源开发逐步西移，开发难度和费用增加；从能源安全角度考虑，面临严重挑战；能源建设周期长，投资超预算；能源价格未能反映其经济成本和能源资源的稀缺性。,中国能源发展突出表现为三大结构性问题能源供需品种结构问题能源的地区性结构问题结构性污染问题 从未来的发展看，今后相当长的时间内
5、能源消费还将持续增长。中国的能源消费在本世纪上半叶将至少达到 30亿吨煤当量，而其中大部分需要通过增加煤炭产量来解决，这会使上述结构性矛盾更加尖锐，环境压力越来越大。,解决我国能源问题应采取的措施,努力改善能源结构提高能源利用率；加速实施洁净煤技术；合理利用石油和天然气；加快电力发展速度；,积极开发利用新能源；建立合理的农村能源结构，扭转农村严重缺能局面；改善城市民用能源结构，提高居民生活质量；重视能源的环境保护。,世界能源发展的若干趋势廉价石油的时代行将结束天然气地位不断上升核电工业失去生机煤炭仍在电力等行业中扮演重要角色为后石油时代寻找可持续能源及相应技术 在一个日益开放的国际经济环境里，
6、为保证不断增长的能源消费需求，中国必须认真考虑世界能源发展的基本趋势，制定符合基本国情的长期能源发展战略，充分利用国内国外两个市场、两种资源、两种技术促进可持续发展。,能源替代战略：电力先行 电力行业的能源结构性调整在技术选择上，短期内应重点把天然气发电作为提供新增电力的主要能源来源，部分替代煤电，同时加强天然气基础设施建设和洁净煤技术、再生能源和氢能源技术的研究、开发与示范；中期在继续发展天然气发电的同时，利用整体煤气化联合循环和其他洁净煤技术改建和新建燃煤电厂，扩大使用可再生能源发电技术；远期考虑向氢能源技术过渡，它将为调整我国的能源结构提供新的契机。,推动天然气的开发和使用 同世界能源发
7、展趋势一样，天然气、燃料电池、风能、生物质能、光电能源及其他可再生能源在推动中国未来增长中也能扮演更为重要的角色。增加天然气使用的驱动因素天然气供应与来源多样化 煤层甲烷 进口液化天然气 国际管道天然气贸易,新能源的开发与利用1.风能 太阳光从上而下照射大气层，使之升温。又由于地球的自转和公转，地面附近各处受热不均，大气温差发生变化，引起空气流动。空气在水平方向上的流动就形成了风。,风能资源,由于风有一定的质量和速度，并且有一定温度，因此它具有能量。太阳辐射到地球的光能大约有2转变为风能。尽管如此，风能的数量依然很大。它相当于全球目前每年耗煤能量的1 000倍以上。,中国是季风盛行的国家，风能
8、资源量大面广。风能理论总储量约为161011W，可利用的风能资源约2.51011W。据气象部门多年观测资料，中国风能资源较好的地区为东部沿海及一些岛屿；内陆沿东北、内蒙古、甘肃至新疆一带，风能资源也较丰富。平均风能密度150300 W/m2，一年中有效风速超过3 m/s的时间为4 0008 000小时。,风能利用,风能利用历史悠久，我国是世界上最早利用风能的国家之一。风能是利用风力机将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、致冷和致热等。,风力发电,风力发电通常有三种运行方式：一是独立运行方式，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式相结合；三
9、是风力发电并入常规电网运行。,近十年来，全球的风电发展迅速，自1995年以来，世界风能发电以48.7的速率增长，即几乎增加近5倍。去年年底全球装机容量为13 932 MW(5个半核电厂)，自20世纪90年代以来，全球风电的增长，每年为40(和行动电话的成长可比美)，仅德国去年一年就装了1 568 MW(半个核电厂)，超过了其他传统的发电总合。,风机和风场,风力泵水,风力泵水从古至今一直得到较普遍的应用。现代风力泵水机根据用途可以分为两类：一类是高扬程小流量的风力泵水机，它与活塞泵相配提取深井地下水，主要用于草原、牧区，为人畜提供饮水；另一类是低扬程大流量的风力泵水机，它与螺旋泵相配，提取河水、
10、湖水或海水，主要用于农田灌溉、水产养殖或制盐。,2.太阳能 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75l026 W）的22亿分之一，但已高达1.731017 W，换句话说，太阳每秒钟辐射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。,太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限
11、制了太阳能的有效利用。,太阳能利用,人类对太阳能的利用已有悠久历史。太阳能利用主要包括太阳能热利用和太阳能光利用。太阳能热利用应用很广，如太阳能热水、供暖和制冷；太阳能干燥农副产品、药材和木材；太阳能淡化海水；太阳能热动力发电等。太阳能光利用主要是太阳能光伏发电和太阳能制氢。,太阳能集热器,太阳能集热器是把太阳辐射能转换成热能的设备，它是太阳能热利用中的关键设备。太阳能集热器按是否聚光这一主要特征可以分为非聚光和聚光两大类。平板集热器是非聚光类集热器中最简单且应用最广的集热器。它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，能利用太阳的直射和漫射辐射。,为了更有效地利用太阳能必须提高入射阳光的能
12、量密度，使之聚焦在较小的集热面上，以获得较高的集热温度，并减少散热损失，这就是聚光集热器的特点。聚光集热器通常由三部分组成：聚光器、吸收器和跟踪系统。其工作原理是：自然阳光经聚光器聚焦到吸收器上，并加热吸收器内流动的集热介质；跟踪系统则根据太阳的方位随时调节聚光器的位置，以保证聚光器的开口面与人射太阳辐射总是互相垂直的。,太阳能热利用,太阳能热水器,太阳热水器于20年代流行于美国的西南部地区。随着石油和电力价格的上升，更有效率的太阳能热水器和太阳能热暖器亦随之产生。20世纪70年代在澳大利亚、日本、以色列和前苏联就已普遍地使用。在美国北部，每平方公尺的太阳能热接收器，每6个月可节省30.5公升
13、的热气用的汽油，或是215kWh的电力。,太阳能集热器工作原理图,太阳能采暖,太阳能采暖可以分为主动式和被动式两大类。主动式是利用太阳能集热器和相应的蓄热装置作为热源来代替常规热水（或热风）采暖系统中的锅炉。而被动式则是依靠建筑物结构本身充分利用太阳能来达到采暖的目的，因此它又称为被动式太阳房。,太阳房工作原理示意图,太阳能干燥,近年来世界各国对太阳能干燥进行了许多研究。太阳能干燥不但可以节约燃料，缩短干燥时间，而且由于采用专门的干燥室，因此干净卫生，必要时还可采用杀虫灭菌措施，既可提高产品质量，又可延长产品贮存时间。太阳能干燥器按干燥器（或干燥室）获得能量的方式可分为：集热器型干燥器，温室型
14、干燥器，集热器温室型干燥器。,太阳能海水淡化,地球上的水资源中，含盐的海水占了97%，随着人口增加，大工业发展，使得城市用水日趋紧张。为了解决日益严重的缺水问题，海水淡化越来越受重视。世界上第一座太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计、1872年在北智利建立的，面积为44 504 m2，日产淡水17.7吨。这座太阳能蒸馏海水淡化装置一直工作到1910年。,太阳能海水淡化装置中最简单的是池式太阳能蒸馏器。还有另一类多效太阳能蒸馏器。它是一种间接太阳能蒸馏器，主要由吸收太阳能的集热器和海水蒸发器组成，并利用集热器中的热水将蒸发器中的海水加热蒸发。在干旱的沙漠地带，将咸水淡化和太阳能温室结合起来非
15、常有前途。,太阳能热动力发电,太阳能热动力发电一直是太阳能热利用的主要研究方向，根据太阳能热动力发电系统中所采用的集热器的型式不同，该系统可以分为分散型和集中型两大类。分散型发电系统是将抛物面聚光器配置成很多组，然后把这些集热器串联和并联起来，以满足所需的供热温度。集中型发电系统也称为塔式接受器系统，它由平面镜、跟踪机构、支架等组成定日镜阵列，这些定日镜始终对准太阳，把入射光反射到位于场地中心附近的高塔顶端的接受器上。,太阳能热动力发电,为了降低塔式太阳能热动力系统的投资，发展了一种太阳坑发电技术。它是在地面挖一个球形大坑，坑壁贴上许多小反射镜，使大坑成一个巨大的凹面半球镜，它将太阳能聚焦到接
16、受器，以获得高温蒸汽。试验证实太阳坑发电的方案是可行的。由于其技术简单，成本低，有巨大的市场潜力。,另一种有前途的太阳能热动力发电技术是太阳能烟囱发电。它是在一大片圆形土地上盖满玻璃，圆中心建一高大的烟囱，烟囱底部装有风力透平机。透明玻璃盖板下被太阳加热的空气通过烟囱被抽走，驱动风力透平机发电。这种发电装置简单可靠，在西班牙已建有一座容量为50 kW的试验电站。显然这种发电方式非常适合于我国广大的西部地区。,1.2 工业锅炉和炉窑节能工业炉和工业窑通称工业炉窑，主要是指那些利用燃烧反应进行热利用的装置。炉多用于冶金和机械系统；窑则多用于硅酸盐工业系统。在工业炉窑的能源结构中，主要以烧煤为主，在
17、冶金工业中约占 70，其次是电力，另有一部分炉窑以油、天然气为燃料。对燃油、燃气的炉窑而言，其燃烧效率较高；而对燃煤炉窑而言，其燃烧效率较低，且燃烧稳定性较差，不易使气氛与温度稳定。,煤的燃烧 煤颗粒加热干燥着火可燃物(挥发分和焦炭)燃烧灰渣油和气的燃烧 油的雾化加热与蒸发热解和裂化油雾与空气的混合着火燃烧热利用特点 工业窑炉既是燃烧设备又是传热设备，燃烧和传热对热利用起至关重要的作用,工业炉窑热损失：排烟热损失气体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失炉体热损失灰渣物理热损失工艺热损失,工业炉窑在满足工艺要求的前提下要尽可能的提高效率，减少损失。合理的安排工艺合理的组织燃烧炉窑的改进工业余热的
18、回收利用优化运行和自动化控制,工业炉窑是各类企业尤其是冶金、压力加工、材料及动力专业领域的重要设备之一，炉子的选择、设计、安装、运行、维护的好坏，对企业的生产运行的稳定性、经济性起着重要的作用。随着科学技术的发展，在工业炉窑领域出现了较多的新兴技术。这些新兴技术的采用大大的提高了炉子的实用性能，并起到了节约燃料降低污染的作用。掌握常用工业炉窑的新技术基本理论、性能、设计选型和运行维护等方面的知识，为今后工作打下必要的专业知识基础。,第2章 新技术、新材料在工业炉窑节能上的应用,2.1局部增氧助燃技术在工业锅炉和炉窑节能中的应用 局部增氧助燃技术是局部增氧技术和助燃技术两者的有机结合。相对于整体
19、增氧而言，氧多了有时会起副作用，关键在于富氧要加到最需要的地方,富氧喷嘴的设计原则是使富氧加在最需氧的地方。如玻璃窑，在玻璃液面上部需要高温，所以富氧喷嘴一般放在油嘴或气嘴的下部，当然喷嘴的位置（上、下、左、右、前、后）、形状（圆形、环形、扁形）及扩散角等需根据有关参数来定。,油气混烧锅炉富氧喷嘴的相对位置示意图,局部增氧助燃技术利于节能和根治污染的机理提高火焰温度 因氮气量减少，空气量及烟气量均显著减少，故火焰温度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高，但富氧浓度不宜过高，一般浓度在 26%-31%时为最佳，因浓度再高时，火焰温度增加较少，而制氧投资费用猛增，综合效益反而下降。,加快燃烧速度
20、，促进燃烧完全和根治污染 燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差很大。富氧助燃，不仅能使火焰变短，提高燃烧强度，加快燃烧速度，获得较好的热传导，同时由于温度提高了，将促使燃烧反应完全，从根本上消除污染。降低燃料的燃点 燃料的燃点不是一个常数，它与燃烧状况、受热速度、环境温度等有关，如 CO在空气中为609，在纯氧中仅388，所以用富氧助燃能降低燃料燃点，提高火焰强度，增加释放的热量。,减少烟气量 用普通空气助燃，占空气总量约 80%的氮气不但不参于助燃，还要带走大量的热量。如用富氧助燃，氮气量要减少，故燃烧后的烟气量亦减少，一般氧浓度每增加 1%，烟气量约下降 2%-4.5%。增加热量利用率 富
21、氧助燃，热量利用率会有所提高，如用普通空气助燃，当炉膛温度为 1300时，其热量利用率为 42%，而用26%的富氧空气助燃时，热量利用率为56%，增加33%，而且富氧浓度越大，加热温度越高，所增加的比例就越明显，因此节能效果就越好。降低空气过剩系数 用富氧代替空气助燃，可降低空气过剩系数，燃料消耗相应减少，从而节约能源。,2.2模糊控制技术在节能降耗方面的应用模糊控制技术是当今世界上高科技成果，它将计算机控制技术、模糊逻辑相结合，使控制对象在复杂环境中得到最优化控制。模糊控制有别于常规控制的优点，在于它允许对过程对象描述的模糊性，事实上是模拟了人脑对于现实世界的认识方式和控制方法，这样它可以很
22、方便地利用专家和熟练工人成熟的经验和方法进行控制，便于解决控制对象的非线性、大滞后、时变、耦合等难于控制的因素，从而达到对复杂生产过程的自动控制，实现这些生产过程中节能降耗、提高质量的目的。,加热炉的模糊控制 加热炉控制的主要内容是燃烧控制，取炉温、炉温变化率、燃料压力、空气压力、炉膛压力等参考变量作为输入，针对燃料波动频繁的情况，先取空气流量作为主控量，根据炉温度和配比的自动控制。此外，通过模糊控制将加热炉的热工状态、原料品种、加热工艺和生产节奏结合起来，可实现更高层次上的节能型自动控制，为企业带来现实的经济效益。,采用模糊控制的加热炉可实现如下主要功能：自动跟踪燃料波动，采用寻优方式调节空
23、燃配比（即空气与煤气比例），达到节能燃烧自动控制。跟踪轧制节奏和加热负荷的变化，自动调整加热炉炉温设定值，在炉值变化保持平稳，钢坯温度满足轧制要求的前提下，达到较低的平均加热工序能耗水平。根据不同的加热工序要求和不同的设备条件以及不同的生产目标，系统启动相应的模糊制模块，实现多工况、多工作点的节能型加热过程自动控制。,2.3工业炉用燃烧装置 燃料燃烧过程必须满足炉子的工艺要求，如炉温、火焰形状，炉子气氛等，烧气体燃料和液体燃料较易达到这些要求。正确地使用高效先进的燃烧装置可取得炉子节能5%左右的经济效益 60年代以前，我国工业炉所用的煤气燃烧器主要有高压喷射式、低压涡流式和套管式3种。70年代
24、以后，随着节能工作的深入开展，国内陆续开发和引进了一些新型煤气烧嘴，如平焰烧嘴、自身预热烧嘴，高速烧嘴、火焰可调烧嘴等，取得了良好的节能效果。,1.高压喷射式烧嘴2.低压涡流式烧嘴3.套管式烧嘴4.高速烧嘴5.平焰烧嘴,1.低压喷嘴2.高压喷嘴3.油气两用喷嘴,1.块煤燃烧装置2.粉煤燃烧装置3.水煤浆燃烧装置,冷风喷射式烧嘴,热风喷射式烧嘴,2.4.节约和替代燃料油技术 机械行业包括原机械工业部所属企业及兵器、航空、船舶、铁道、电子等部门相关企业，通常称为“大机械行业”。,在节油的措施上以开发推广通用性技术为主，实施整体改造方式，在提高整体装备水平的基础上，力求取得最佳节能效果。先进燃烧装置
25、 高速烧嘴；全自动燃烧器；高压气泡雾化烧嘴轻质耐火材料和保温材料 工业炉的蓄热和炉墙散热一般占炉子总能耗的20-45。选用耐高温，密度小、导热系数低的新型耐火隔热材料做炉衬，可以减少炉体的蓄热和散热，降低热损失，提高炉子热效率，从而节约能源。,余热回收利用 工业炉窑的余热回收主要利用换热器回收排烟废热来预热油燃烧时需要的空气。预热后的助燃空气可以改善油的雾化，燃烧状况、提高燃烧温度、加快炉子和工件升温速度并带入物理热，达到省油的目的。工业炉窑排烟热损失根据排烟温度的不同，其占炉子总能耗的 30-70。排烟温度越高、损失越大，它是工业炉窑热损失最大项，回收烟气余热有着广泛的前景，当利用烟气余热预
26、热助燃空气时，助燃空气每升高100，可以节省燃料5。,替代燃料油做燃料 替代燃料油的方法主要是以天然气、煤制气、工业型煤代替燃料油做燃料。用天然气替代燃料油 天然气是一种热值高，清洁的优质气体燃料，它具有比油的燃烧性能还要好的一种替代燃料。其加热性能和质量会优于燃料油，综合运行成本低于燃料油。天然气不存在象重油的储运、加热、清扫等辅助运行成本，虽然多数地区天然气直接价位高于重油，但实际总的运行成本天然气与油比较并不高。主要问题是配套费用高。,用煤制气替代燃料油 煤的气化技术是洁净煤燃烧的核心技术。煤的气化方法很多，按煤的反应床的特性分为气流床气化方法，流化床气化方法，固定床气化方法。目前国外应
27、用以气流床气化方法最多。由于热煤气热值低，煤气压力低，煤气质量差，它适用于中、小型，自动控制要求不高的工业炉窑替代燃料油。,用工业型煤替代燃料油 工业型煤是以工业煤球为主，工业煤球要求具有较好的强度，在运输和燃烧过程中能够保证不破碎。在型煤制造过程中可添加一定比例的固硫剂，可以减少二氧化硫的污染 型煤适用于中小型锅炉和低温工业炉窑替代燃料油，同时也可对燃烧散煤进行环保治理。,2.5耐火纤维 耐火纤维又称陶瓷纤维，是由焦宝石或矾土为原料，在2000电弧炉熔化后以细股流出，用压缩空气或蒸汽吹成散状纤维，即耐火纤维原棉，原棉中含有凝固液滴，称为渣球。含量一般达20-40，除去渣球，加入0.3-5结合
28、剂（硫酸铝、磷酸铝甲基纤维素、聚丙烯等）可压制成毡、毯、板、纸、绳等多种制品。,耐火纤维的特性使用温度一般为1150，高级耐火纤维（氧化铝、氧化锆耐火纤维）使用温度可达1700。热导率低，质量轻，用作绝热层，炉体可减薄厚度、减轻炉体质量和减少占地面积；热容量小，作为耐火层，升温速度快，节省燃料消耗，抗热振性好，耐急冷急热性优越；隔音好，可减少燃烧噪声；化学稳定性好，耐酸碱侵蚀，绝缘性良好。,耐火纤维容易加工，安装方便，但耐高温、高速炉气冲刷性能差，不能铺砌炉底，不能承受载荷。,硅酸铝耐火纤维 其化学成分为：Al2O3 48%-56%,SiO2 40%-48%,Fe2O3 0.18%-1.1%,
29、CaO 0.18%-1.1%,K2O 0.5%-1.0%,TiO2 0.3%-1.1%其主要性能为：耐火度 1750-1790，体积质量90-200Kg/m3，纤维长度20-100mm，纤维直径2-10m，使用温度1150。,耐火泥 耐火泥是砌筑耐火制品用泥浆的干料成分，耐火泥的化学成分、抗化学侵蚀性，热膨胀率等应接近于被砌筑的耐火制品的相应性质。,耐火泥作为泥浆使用时应具有一定的粘结性、透气性、耐火度和机械强度。耐水泥一般由熟料与结合粘土组成，熟料是基本成分，结合粘土（生料）是结合剂，能在水中分散，增加耐火泥的可塑性,耐火混凝土 耐火混凝土是指利用胶疑物质加上耐火骨料、掺合料及水按一定比例混
30、合、成型、硬化后得到的人工耐火石材。耐火混凝土与耐火砖相比，简化了制造工艺，降低了制造成本，革新了砌筑作业，加快了建炉速度，并使炉子设备具有良好的整体性，是一种技术经济指标较好的耐火材料。,耐火混疑土是不烧的耐火材料，与烧成的耐火制品相比在性能上有以下特点：耐火度接近或稍低于同质耐火砖；荷重软化温度(耐火材料在恒定荷重下，对高温和荷重共同作用的抵抗性能)比同质耐火砖低得较多；线膨胀系数较小，因胶结材料在加热过程中有烧结收缩作用而与骨科的热膨胀相抵消；常温强度高，如水玻璃混凝土常温强度比烧成制品大得多；耐崩裂性好，可在100次以上，比同质耐火砖好；显气孔率稍低于耐火砖，但闭口气孔多，因而实际上致密程度不如耐火砖,
