论加热炉环保、节能、高效益改造――气流控制减少排烟节能新技术

　　一箱形电热炉环保、节能、高效益更新改造热处理专业耗电占机械行业1/3，年耗电100亿度。我国长期能源紧缺，无法合理选用能源。煤难燃，不容易控制温度，污染严重。燃料油（渣油）难燃，杂质多，凝固点高，必须经多次加热、沉淀、除渣，多次加热、输送、过滤，需要很大、复杂的装置。石油是尤为紧缺能源，政策严加控制。中、小企业热处理炉被迫用电，明知电加热成本要比直接能源火焰加热高出5倍以上，但用电现场没有废烟污染，控温方便，因之热处理加热炉90%是电热炉。发达国家是不会用火力发电的电能再发热回去加热工件的，能源转换会造成很大损失，降低效率，提高成本。我国热处理生产平均电耗800kwh/吨，是日本和欧洲的2-3倍，我国机械行业要走向世界也必须弥补这历史遗留的热处理电耗差距。

　　箱形电热炉，圈状电热丝在两侧壁，1尤漫射、远距离辐射加热炉体和工件，加热速度很慢，冷炉升温900需3小时。工件堆放辐射受热，容易加热不均影响质量，必须少装、散装，长时间加热、透热、均热。热炉装料，满载加热，热效率测定可达40%以上，在日常实际运行中，停炉待料，大马拉小车，少装工件，经常升、降温度，实际统计日热效率仅25%.箱形柴油火焰加热炉，1600　　我国电能80%是火力发电，发电效率30%.箱式电热炉加热热能利用率25%x30%=7.5%，92.5%的热能是白白浪费污染环境。电加热现场虽没有废烟污染，但火力发电每生产1度电对空排CO21.06公斤，12度电热值1万大卡排C0212.7公斤，每公斤柴油排C023公斤。用柴油加热可以减少C02对空排量75%，电每度0.7元，12度电8.4元，柴油每公斤2.4元，能源费可省70%以上。柴油火焰加热炉，加热效率高，加热时间短，提高工件产量、质量，降低成本，代替电加热炉只需增加油箱、烧嘴、风机，设备更新投资少，还可以把宝贵电能替换出来用以创造更大效益。

　　实例：镇江锚链厂锚链热处理炉研制国内调研锚链热处理多用H-75箱形电炉，国外多用火焰加热炉。锚链质量要求很高，每条链要做整链拉伸试验，还要做多环拉力试验、解剖零件拉力试验、冲击和低温冲击试验。有人认为火焰加热容易过热，堆放电热容易欠热，建议研制专用电加热炉。我们按工厂设计做了初步估测算：H-75电炉堆放加热只能少装、散装慢加热保证性能。每炉装500公斤，热炉装料加热保温6小时，装、出炉0.5小时。按工厂设计要求产量2T/时，需配26台电炉，260平方米厂房，2000千伏安变电设备，三班倒配234名工人。每吨工件吸热15万大卡，炉热效率25%，电每度0.7元，每吨工件电费488元，人工工资企管费按1500元/月、人，折7.5元/小时，每吨工件人工企营费（7.5x6.5x3）+0.5=292.5元，热处理成本=780.5元/吨。国外重柴油火焰加热炉资料：3名工人，一台炉，2T/时，重柴油55公斤/吨，能源费2.4元/公斤X55公斤=132元/吨，人工企管费（7.5x3）+2=11.25元/吨，成本143元/吨。我们经交通部同意，选用船用柴油做能源，设计竖式锚链连续热处理炉。由于应用了油风配比燃烧，P、I、D自动控温，气流控制排烟，气控快速加热新工艺，研制炉温控精度由*17提高到*5-10　　镇江锚链厂先后有5台大小锚链热处理炉投产，20多年来已生产锚链50多万吨，为企业节省成本3亿多元。“三山”牌锚链已成为国际驰名品牌，锚链热处理炉功不可没。

　　目前，国家能源政策开放，正是以洁净能源代替电热弥补我国热处理电耗差距的大好时机。先进的加热设备更新，企业需要增加投资，但很快可以从降低成本中回报获利。更希望设备制造企业提供更先进的加热设备。100亿度电耗中如果有60%电替代，相当于为国家新建一个核电厂。全国热处理12万台设备中将有7万台设备更新。对空排放C02减排75%，节省能源、能源费70%，降低热处理成本费80%，热处理工人还可以避免常年夜班让电生产之苦，对人类、国家、行业、企业、工人都是贡献，希望能引起环保、能源部门和企业的重视，早日弥补电耗差距，走向世界。

　　二火焰加热炉环保、节能、高效益改造火焰加热炉，冶金系统大量使用，有很多有效节能措施、专利成果，有不少特等炉热效率多50%，但是设备投资大，施工周期长，维修费用高，中小企业难以应用。各厂炉窑大多是自行施工的非标设备，很多是土法上马自制，仪表不全、失灵，配套不全、损坏，手工操作，冒烟、冒火，严重浪费燃料，污染环境，只要有能源，能烧能用就好。目前国家能源政策开放，环保部门要求用洁净燃料柴油、煤气、天然气，代替主要污染燃料煤炭、燃料油。很多城市、地区已明令禁止使用煤炭、燃料油，以保空气洁净。因之很多火焰炉面临更新换代，亟需筑炉企业提供高科技环保、节能、高效益的火焰加热炉。

　　火焰加热炉节能措施主要是：专利燃烧器配以自动配风，自动控温，保证燃料完全燃烧，烟少，不冒黑烟。炉体绝热保温新材料，减少炉体蓄、散热损失。烟道中设空气预热器，把热风送入炉膛助燃节能。烟道设烟闸减少烟热流失节能。不洁净燃料杂质、结焦、烟尘，往往堵塞仪表，造成自控失灵。炉膛不断吸冷风，破坏了按理论空燃比的完全燃烧冒火冒黑烟，预热器、烟闸在烟道中不断受到高温烟气侵蚀损坏，经常在节能措施失控下运行，浪费能源，黑烟滚滚，污染大气。

　　近百年工业革命以来，工业炉窑烟囱的设计、实践理论都是烟囱、烟道定量直抽烟。把炉膛内废烟气抽走，才能同时送人新的高温火焰加热。抽烟量小于送人的产烟量，烟、火外冒无法工作。抽烟量大于产烟量，则补抽冷风增加烟量，浪费能源，可以工作。直抽烟的工作原理是炉膛内被抽的烟、风量通过烟道各处抽烟阻力和与烟囱、烟道抽力相等，此时之抽烟量为烟道满负荷工作时的额定抽烟量。超过额定烟量之烟，烟道无力将之抽走。冷炉点火升温时烟道满负荷抽取冷风，高温烟顶替冷风方能被抽入烟道。炉膛内热量很快被抽失，升温很慢，工人为快速升温必须大量供油，大量黑烟供烟道抽走，才能让热烟留在炉内加热冷风提高炉温，要等炉温升到700，才能由冷风助燃黑烟快速正常升温。因之点火炉升温必然有一较长时间炉内、炉外黑烟滚滚，整个车间黑烟沉沉，严重危害工人。加热过程中每次调温烟量增加仍无法从满负荷抽烟的烟囱中抽走，只能与予吸之冷风调节，增烟量大，少从炉外吸冷风，烟量少则从炉外多吸冷风。冷风吸人破坏了油风配比均匀燃烧，炉膛各处烟气不均，烟火迷漫，影响辐射传热，影响炉温均匀，每次调温调烧嘴时经常会因增量过大冒火冒烟危害操作工人。炉膛均热保温，炉体、工件已蓄热饱和不需供热，但仍须大量供热产烟，补充烟道额定抽烟，才能炉膛保温，形成空烧燃料对空排放C02、废烟严重污染环境的不合理现象。加热时间中几乎有一半时间是只需少量供热，白烧燃料污染大气的，这也是为什么有40%-70%的热能是从烟道中流失的原因。

　　从炉膛下口引出，因之无法用炉门、烟闸、空气预热器。经过油风配比、自动控温加热炉温控温精度达到±17<：，油耗53公斤/吨，热效率28%，产量每小时2吨链，技术指标已很先进。通过热平衡加热理论计算，仍发现有大量冷风吸入，近70%的燃料是从烟道流失的。研制炉调试时作者发明了气流控制排烟新技术，从鼓风机中引冷风喷入烟道，形成紊流烟道降温，紊流动能抵消了部份抽力，高温烟流失减少，滞留在炉膛中充分均匀与炉气混合，充分燃烧，提高炉压，减少了冷风吸入，提高了炉膛加热效率。控温精度由*170提高到*5-10　　气控排烟节能原理。烟道引气控风，紊流增加了抽烟阻力，减少高温烟流失量，直接减少了对空排废烟、C02量。后烟道从满负荷抽烟变为减负荷运行，废烟只要突破紊流烟障就可以顺利抽出。高温烟滞留在炉膛参与热平衡，提高炉压，减少冷空气吸人，减少补充供热，减少油量节能。补充供热的少量油、风，可在炉膛内有充够的时间、空间，与炉气充分混合，完全燃烧。炉温均匀，烟清，辐射传热强，升温快，炉内气氛可调还原气氛，减少工件氧化。

　　冷炉升温时，紊流烟道抽烟量少，炉膛容易积热，升温快，供油少，完全燃烧少冒烟。增加油烟量升温时，炉压增加，同时增加烟道紊流界面处烟压，增量烟很容易突破烟障混入紊流被烟囱抽走。炉膛中烟气容易从负压烟道中被抽走而不容易与炉外正压抗衡，冲出炉外冒烟冒火。

　　炉均热保温减供油、烟，炉膛减压，紊流风可以压热烟回流补压，进一步减少抽烟量，大大减少了白烧燃料污染大气。如果紊流装置设计改进，进一步保证炉膛功能，减少排烟，节能效果更好。

　　实例：内蒙二机厂两台高效节能炉，都是全纤维高绝热保温新材料炉衬，空燃比可调高速低热值煤气专利烧嘴、专利高效空气预热器，自动控温炉。

　　一台大型炉地下烟道，车间总烟囱，直排烟，简易气控改炉，空炉保温950C，测试可省煤气40%.测试时维持节能燃耗量不变，关去气控风，恢复原炉直排烟。炉温在20分钟内逐渐降200T：，说明虽然炉门紧闭，直排烟仍然吸人大量冷风冲降炉温，必须增加40%煤气量升温到原炉温。

　　一台中型炉是上排烟通过自控烟闸单独排烟，自动气控改炉后，空炉保温850尤，测试对比可节省煤气90%.烟闸常用于减少抽烟量，烟道抽力在闸口全力使烟气加速抽出。调节抽烟量必须改变闸口开度、改变通烟面积。炉膛调温烟气量的增减仍必须多吸、少吸冷风量调节，仍是额定抽烟量的直排烟，只是可以改变额定烟量，减少过量抽烟的部分热损失。自控烟闸是经常自动改变闸口开度，改变抽烟量的自动装置。自动烟闸根据炉压信号，机械传动开闭烟闸。炉膛内各处炉压不同，变化频繁，机械动作有滞后，无法迅速频繁变化配合，经常会产生误动。因之信息采集要配阻尼，只有炉压变化很大时才提前启动闸位。改变阀位仍是改变额定抽烟量，调温烟量增减仍须与炉外冷风吸入量调节。自动烟闸要比手动烟闸抽烟量更少些更节能。自动气控则是在烟道内改变气控紊流风量及烟闸阀位，两次减少抽烟量，炉膛增量烟可自动通过紊流排出，可自动更大辐度减少抽烟量，大辐度节能。简易气控装置可以减少40%抽烟量、自动气控装置更可比自动烟闸减少90%抽烟量，不同的气控装置减少抽烟量节能效果不同是很明显的。空炉保温，没有工件吸热，不受生产、工艺等因素干扰，炉体蓄热也已饱和，供热仅是为了补充炉体散热，炉体散热一般只占供热量的1%3%，95%以上的供热是补充烟道废烟热流失。减少废烟热流失就可以减少补充供热燃料。气控装置空炉保温减少废烟量40%、90%，节能40%、90%的数据是可信的，减少烟囱白烧燃料污染环境的不合理现象也是十分明显的。加热过程的不同阶段，炉体、工件吸热的变化，炉温、烟温、烟气成分、热含供热量变化都会改变节能，但是气控装置的减烟节能效果仍在，整个加热过程的综合节能效果可能要少一些。炉窑均热，保温时间占总加热时间50%以上，因之空炉保温减烟节能效果可以代表改炉效果。

　　中国兵工学会、中国金属学会支持618、674、447、重钢、抚钢等10多家工厂，30多台锻、热、轧加热炉，烧煤锅炉推广气控改炉，综合节能效果在1%30%以上，各厂普遍反映，节能、少冒烟、炉膛烟清明亮、均热、加热快。中原特殊钢厂大型锻热炉18个烧嘴，人工手动控温，上下到处时时调节，前、中、后、三热偶控温精度*20C，简易气控改炉后，炉门、烟道口均温，控温精度*10C，工人不必频繁调烧嘴。617厂双室煤气炉冷炉升温：200-800西室（未改炉）35'，东室（改炉）25'，升温快10'.800-1100：，西室70'东室20'，升温快50'，80CTC以上主要是辐射传热，烟清加热快，效果特别明显。

　　空炉1100保温时炉内气氛检测：东室改炉西室未改西室炉大抽烟量、大煤气量、大冷风、大火焰。炉气未及混匀充分完全燃烧，就被抽离炉膛。

　　炉气含021.8%，空燃比1.1，过量供风10%.含C05%，H24%，可燃成份未及与02相遇燃烧就被抽离。炉气中含CH41.29%、H24%，大量CH4气体在大火焰中高温裂解成微细炭粒、黑烟，析出大量H2.炉膛内燃烧不完全，烟火迷漫，影响辐射传热效果。

　　东室气改炉，小抽烟量，小煤气量，小冷风，炉气充分混匀有足够时间，空间完全燃烧发热。

　　炉气中含020.1%，接近理论空燃比，完全燃烧CO减少，C02增加，CH43.42%，H2 0.57%，CH4充分燃烧不裂解，没有黑烟，没有H2折出，烟清加热快。残留可燃成份CO、CH4，使气氛呈还原，可以保护加热工件少氧化。可燃成份在烟道中与气控紊流风相遇二次燃烧，烟道中可观察到二次燃烧火焰，可加热烟道，热烟气还流将热量带回炉膛。炉膛气氛没有冷风干扰可调还原气氛。抚顺特殊钢厂乳钢加热炉气控改造后，轧制高速钢钢锭，金属氧化烧损率由4%下降到3.6%，减少氧化皮烧损10%.炉窑气控节能改造检测，限于工厂生产、设备、检测条件等限制，只能是少量炉窑，少量测试，但足以证明气控抽烟节能新技术，虽然是土法上马，烟道抽烟的小发明、小创新、小改小革，但确实突破了近百年来烟道定量抽烟，抽冷风助燃的理论与实践。直接减少烟道中的抽烟量，减少高温烟热流失，减少对空排放C02、废烟，保护环境。把高温烟气滞留在炉膛内，减少冷风吸人，提高炉膛的加热功能，同时大大减少补充加热的燃料，大大减少白烧燃料，严重污染大气的不合理现象，是一项直接解决人类发展中能源、效益、污染矛盾的高新技术。

　　气流控制排烟，日、美等国80年代也有报导，90年沈阳重型机器厂花300万元从美国引进*台锻造台车式加热炉，就有类似的自动气控装置，但是对用户专利保密，不作解释，日、美国内也未见大量报导、推广。我国发展应用较早，1980年全国**届工业炉年会作者曾有论文获奖，但是缺少系统开发研究，有专利技术没有形成专利产品。希望能引起各方重视，加速科研开发，形成新一代系列高科技环保节能高效加热炉，走向全国、走向世界，为人类发展解决能源、效益、环保的矛盾作贡献。

　　新技术的一个特点是土法上马，小改小革，装置简易，改造方便，不需停产，没有改炉风险，适合于各种燃料、各类炉型旧炉环保、节能、高效益改造。任何企业都可以掌握原理，小改小革立即提高企业效益，改善环境，也有利于积累改炉经验，加速发展这项有利于人类发展的高新科技。

　　三气控快速加热提高工件质量、产量，节能热处理工件常规加热理论和实践是工艺温度缓慢加热，保证工件不过热，延长均热、保温时间，保证工件加热匀不欠热。金属加热、传热，无论是对流传热、辐射传热、热传导传热都是靠温差传热，热源温度与受热工件温度、热端与冷端温度差别愈大，传热量愈快。温差愈小，传热愈少，停止传热。

　　热炉装料加热，炉温、料温相差很大，工件很快受热升温。均热、保温时，工件表面温度与炉温相差很小，工件外表面受热很少或不再受热，向工件内部热传导亦减少或停止传热，因之心部容易加热不足，欠热。虽然延长均热、保温时间，让工件外表向心部均热，提高心部温度，减低外表温度，让外表再从炉膛受热提高心部温度。此时温差很小，外表受热很少，难以补充欠热。

　　工件由于延长加热时间，长期在炉膛高温、氧化气氛中加热，表面氧化、脱炭、烧损严重。热处理工件经常因氧化、脱炭、加热不匀、局部欠热影响质量。大型工件在大型炉中加热，炉膛内10多个烧嘴、烟道口、炉门口、冷风、火焰、高温烟相互干扰，大量冷风吸入，大量烟气高速抽走，炉膛内炉气燃烧不完全，大量烟雾迷漫，辐射传热时时受阻，炉温不匀。大工件，堆放工件，静置在炉内不同位置，与炉气、炉墙相互传热条件不变，炉温不均，工件表面受热量也不均，向心部传热更是不匀，虽然长时间均热保温，仍无法消除局部欠热，内部欠热，同时工件表面氧化、脱炭、烧损，严重影响大件性能、质量。一机部曾专题召开学术研讨会联合攻关。

　　气流控制快速加热是利用气控炉膛内烟清、辐射传热强，炉温均匀加热快的特点。快速加热炉温提高到超过工艺温度100-200：，加大温差快速传热。辐射传热与炉温绝对温度4次乘方和工件绝对温度4次乘方之差成正比。加大温差2001可以从开始加热，工件受热量增加1倍。加热期终原工件外表基本已不受热，加大温差200尤，仍有大量辐射传热。对流传热虽然没有辐射传热四次乘方之强热，加热开始仍可增加受热20%，加热期终也仍有200　　气控快速加热可以大大缩短加热时间，减少表面氧化烧损，防止过热、欠热，提高工件质量、产量，符合环保、节能、高效益。

　　实例：镇江锚链厂锚链热处理炉研制炉7米高，　　设计院按常规热处理加热理论，认为火焰超温加热容易过热，决定不用气控加热，用工艺温度缓慢加热、均热，保证大型链质量。新炉高9米，炉顶增加15米长绝热烟罩，废烟预热行程由3米增加到18米，增加6倍预热时间。炉膛3米柴油9001C加热，3米900电加热。均、保热时间，行程由1米增到3米，3倍。调试时未能将链加热到温，减慢50%行程，即增加12倍废烟预热时间，1倍柴油900加热时间，6倍电热900t均保温时间仍无法到温。经过设计院工厂三年联合攻关，采用非气控快速加热，3米960尤柴油快速加热，3米900C电均、保、热，链表面跟踪热电偶可以加热到温。链减速到0.2米/分，拉伸合格率50%.工厂与作者联手，气控改炉，恢复气控快速加热，3米1100柴油气控快速加热，取消9003米电均、保加热，改为在气控保温的3米炉膛中，由余温和链本身加热余温，自动吸、散热、均温、均热补充心部欠热。跟踪热电偶显示链表面温度可以很快提高到工艺温度、保温，向心部补充欠热。链速由0.2米/分增加到0.28米/分，产量增加40%，拉伸合格率由50%提高到90%以上，质量提高80%.实例说明常规工艺，工艺温度加热，虽然大大延长了预热、加热、均热保温时间，但是加热温差小，传热慢，仍很难补足欠热，反而增加了表面氧化、脱炭。非气控快速加热，由于炉膛中吸人大量冷风和淬火水汽，影响了工件吸热，增加的温差也小些，吸热仍不足于完全补充欠热，质量有所提高。大温差、气控快速加热，炉膛少受冷风、水汽干扰，烟清加热快，大温差，大大增加了传热热量，使工件短时间内吸足热量，在工艺温度炉膛中吸、散、均热，补足欠热，提高表层和心部的热处理质量。

　　链链内部、外层的任何缺陷都将成为大型船舶、平台毁失，人员大量伤亡等重大事故的隐患，因之必须整链拉伸，解剖测试严格要求。我国大多数热处理零件，只要求硬度检测，并且允许表面打么脱炭层检测，常规热处理可以满足。但是常规热处理带来的脱炭层厚，局部欠热依然影响热处理件的整体质量，使用中也会成为重大事故的隐患，也经常有引发重大事故的实例。因之提高热处理工件的整体质量，消除事故隐患，仍应引起重视。

　　实例是连续加热炉，间隙加热箱形炉更有利于应用气控快速加热，工人可以很方便观察到工件加热火色。超工艺温度100-200度炉温，热炉装料高温气控快速加热，待工件火色接近工艺温度时，减油降温到工艺温度，保证工件不过热，待全部工件均热成工艺温度火色后，稍后即可出炉。新工艺制定规程时须慎重，*好增加两根细长跟踪热偶，固定于工件*易受热处及*不易受热处，结合工艺温度火色观察，训练工人掌握观察方法。对工件表层脱炭、内部欠热也*好做几次解剖性能对比，以便正确制定气控加速加热工艺规程，全面提高热处理零件质量，消灭事故隐患。

　　气控快速加热，提篼热处理工件质量、产量，降低热处理成本，节能，符合环保、节能、高效益，实施简易方便，希望能引起热处理科技工作者重视，参与实践、探索，总结经验和数据，以利全面提高热处理工件质量、产量，实现环保、节能、高效益。