節能爐襯

節能爐襯是指一種可節約的無效能耗的爐襯。工業爐運行過程中爐襯的能耗十分可觀。採用節能爐襯則可大大降低這種無效能耗。節能爐襯主要有纖維基預製件爐襯和全纖維爐襯,在井式爐、箱式爐和回火爐中的實際套用證明,與磚砌爐襯相比,均具有明顯的節能效果,具有良好的社會和經濟效益。詳細介紹了爐襯的熱能消耗、節能爐襯類型、節能原理、材料的選取、套用實踐等內容。

基本介紹

• 中文名：節能爐襯
• 外文名：Energy saving furnace lining
• 特點：節能
• 類型：節能設施
• 領域：能源
• 學科：熱力學、材料學

爐襯的熱能消耗與節能爐襯

眾所周知,在工業爐運行過程的熱能消耗中,只有加熱工件的熱能是有效能耗。在無效能耗中,加熱工夾吊具和加熱控制氣氛的能耗是工藝所要求的,在設計合理和工藝正確的條件下,也不能節省。在可節約的無效能耗中,爐襯的熱能消耗最大。它分為兩部分,一是蓄熱耗能,二是散熱耗能。前者是“一次性”耗能,與工業爐連續工作時間長短無關。後者則是工作時間的函式。但二者都與爐襯材料和結構有關。

隨著工業與科技的發展,我國工業爐爐襯材料和結構也在不斷進步。從原來的輕質耐火磚+蛭石粉,到微珠磚+矽酸鋁纖維氈+珍珠岩,再到纖維基預製件結構和全纖維結構,節能效果在不斷提高。我們將纖維基預製件結構和全纖維結構的爐襯稱為“節能爐襯”。這種爐襯與傳統磚砌爐襯相比,可比新爐節能10%～20%,比舊爐節能30%以上;與微珠磚+矽酸鋁纖維氈+珍珠岩結構的節能爐相比,仍可節能5%～15%。但是毋庸諱言,至今仍有不少企業尚未採用節能爐襯,甚至一些工業爐依舊是輕質耐火磚+蛭石粉結構。所以工業爐節能改造仍大有可為,節能爐襯的推廣任重而道遠。

節能爐襯簡介

纖維基預製件結構爐襯

這種爐襯的耐火部分是用以矽酸鋁耐火纖維為基的不定形材料搗打預製成型的,有較高的耐火度(1 000℃以上)和低的導熱係數(0.2～0.5W/m·K),再加上耐火纖維的增強作用,配以優質摻和料、膠合劑、添加劑等,可獲得理想的高溫強度。其保溫層則可根據爐溫高低和節能要求採用纖維氈+纖維棉或纖維氈+珍珠岩結構。

這種爐襯不需事先燒制,因此也可節約大量能源,並減少溫室氣體的排放;低的導熱係數加上高的氣密度,又使工業爐在使用過程中進一步節能。由於其整體性好,縮短了維修周期,提高了設備壽命,同時提高了爐溫均勻性,按有效加熱區考評,可提高1～3個級別。另外,施工方便,便於機械化生產,可以製作各種複雜爐襯,值得大力推廣。

全纖結構爐襯

這種爐襯的耐火層由矽酸鋁耐火纖維壓製成型。為解決矽酸鋁纖維高溫二次結晶粉化問題[2],在其內表面塗刷氧化鋁塗料。保溫層則與纖維基預製件爐襯相同。

這種爐襯導熱係數更低(0.1～0.18W/m·K),節能效果更好,應予大力推廣套用。但製作時要用鋼鐵構件,部分影響了節能效果。另外,壓縮比不合理也達不到最佳節能效果,而且製作和維護沒有纖維澆注體方便,在氣流沖刷較大的爐子中使用,其壽命也不如後者長。

節能爐襯的節能原理

如所周知,上述兩種節能爐襯是因導熱係數低而節能,其與磚砌爐襯相比,最大的區別在於整體性和氣密性好。根據計算,每沒m²磚砌爐襯泥縫長達19m以上,按熱處理爐砌爐要求,按泥縫寬2mm計算,泥縫面積為0.038m²。而每m²節能爐襯接縫面積僅0.002m²。我們以珍珠岩爐襯作保溫層進行計算,新爐時,每m²磚砌爐襯的泥縫熱損失為8.93W,而同面積節能爐襯泥縫熱損失為0.38W。二者熱損失差異雖大,但相差的絕對值每m²爐襯不過8.55W,並不算大。然而,使用一段時間後,由於震動、碰撞、熱脹冷縮等原因,磚砌爐襯的泥縫發生鬆動、開裂、脫落,形成熱流短路,從而使熱損失大增,嚴重時甚至可達到同面積爐牆的40～50倍[3]。按保守計算,這時每m2磚砌爐襯的泥縫熱損失也達100W以上,相當於爐襯散熱損失的40%以上,而節能爐襯卻無此問題。這就是採用節能爐襯的電爐比微珠磚砌的節能爐還要節能的原因。

面襯和背襯材料的選用

目前,多晶莫來石纖維和氧化鋁纖維尚處在試驗室的試製階段。含鉻纖維的生產成本高,使用過程中所含的鉻要逐漸揮發,而鉻對人體有害。批量生產的產品中,現在只有高純高鋁纖維是耐溫最高的品種。這種纖維製品,最高使用溫度可達1200℃,比較保險的長期使用溫度為1150℃。可是批量生產這種纖維,目前還比較困難,主要問題是纖維的收得率低,纖維短而細,因此價格比天然料纖維貴兩倍。而且生產廠家還不願意生產這個品種,他們感到原料浪費,獲利較少。面對當前的現實,不必要求Al₂O₃含量一定要在60%上,訂貨時可與生產廠家協商,如果能夠把價格降低到為天然纖維製品價格的一倍,則可將Al₂O₃含量降低到不少於56%,即生產一種高純纖維與高鋁纖維之間的中間檔,這種纖維製品可以穩妥可靠地保證在1100℃下長期使用。所以在晶質纖維批量生產以前,一般大量套用耐火纖維作面襯,目前以1100℃以下的工業爐窯為宜。(特殊情況例外)面襯材料分為三檔:爐溫1000一1100℃採用上述高純高
鋁纖維製品,爐溫750一1000℃採用甲級天然料纖維製品,爐溫在750℃以下採用乙級天然料纖維製品。

超輕質粘土磚性能優良,過去由於價格貴,套用受到限制。81年開始,唐山市保溫材料廠改革工藝,利用廉價原料,使價格大幅度降低,T一3型磚價格降到0.38~0.42元/塊,這就使這種耐火材料在節能爐襯的選材方面,有了競爭能力。我們不妨用超輕質磚組成爐襯組合,進行分析比較。礦渣棉容重輕,導熱係數小,界面溫度可以用到700℃,是一種比較理想的背襯材料。可是國內目前尚沒有適合爐襯用的優質製品。據說南京地區正在試製。一旦這種製品批量生產,應該優先用作背襯材料。

北京新型建築材料廠從瑞典引進成套技術,按德國標準生產,以玄武岩為主要原料的岩棉製品,保溫性能優良,界面溫度可用到600℃,特別是其製品質量好,也是較為理想的背襯料。

節能爐襯套用實踐

海拉爾牧業機械總廠75kW井式爐

該爐是由原仿蘇ш-55井式爐改制的,加深了爐膛,加大了功率。雖可用於生產,但爐溫不均勻,能耗也大。2001年進行改造,採用了纖維基預製件節能爐襯,同時採取了其他一些技術措施,如電阻絲均勻布置、保溫層多層結構、內表面塗高溫塗料等,取得了良好效果。在生產331件護刃器梁時進行了實測,結果,空爐升溫時比改造前節電50.3%,保溫階段節電13.6%,綜合考核節電35%。

承德曲軸連桿廠180kW台車式回火爐

這是按照北京國際經濟合作公司提出的技術條件研製的全纖爐。根據要求,該爐加熱室尺寸為4.8m×1m×0.9m,最大載荷3t,額定工作溫度700℃ ,保溫精度< ±10℃ ,外殼(爐牆)表面溫度>40℃。該爐爐襯採用了全纖結構,為了爐溫均勻,電熱元件分3區控制,並採用了風扇強制對流。為了防止矽酸鋁纖維高溫二次結晶和強對流循環風對纖維的損壞,在爐襯內表面塗了氧化鋁高溫塗料,結果完全達到了技術要求,受到用戶好評。

內蒙古華德牧草機械有限公司75kW箱式爐

該爐原爐膛長1 800mm,由於待處理工件的需要,要求加長到2 200mm。如果按原爐襯結構,功率最少需要增加到90kW。改造時採用了纖維基預製件節能爐襯,對電熱元件進行了重新布置,降低了爐膛高度,81kW功率便達到了要求。在烘爐階段,當溫度達到950℃時,保溫1h,兩側牆爐殼外表面溫度為47℃ ,低於國家規定的50℃。對該廠兩種典型工件熱處理耗電進行了實測,改造前,單位工件耗能為1 323kW·h/t,改造後為944.5kW·h/t,下降
了378.5kW·h/t,節電率28.61%。加上空爐升溫的節電數據,總節電率在30%以上。此外,由於爐膛長度增加,爐底面積加大,因而提高了生產率。

山西長治某軍工廠36kW回火爐

2001年該爐曾進行過一次節能改造,採用微珠磚+矽酸鋁纖維+纖維棉結構。2007年12月我們採用纖維基預製件節能爐襯對其進行了又一次改造。改造前後對同一工件、同一工藝處理的實際能耗測試結果如下:

(1)改造前的測試　改造前因為電控櫃未裝電度表,所以採用了通斷時間計算法。
①裝爐量:工件淨重242.9kg;

②升溫時間:72min,主電路耗電43.2kW·h,風機耗電3.6kW·h,共耗電46.8kW·h;

③保溫時間:4h,主電路耗電84.53kW·h,風機耗電12kW·h,共耗電96.53kW·h;不計降溫時風扇電動機耗電,總耗電量為143.33kW·h,平均每噸工件耗電585.96kW·h。
(2)改造後的測試　改造後電控櫃裝有電度表,所以可直接讀數。

①裝爐量:工件淨重333.33kg;

②耗電量:總耗電200kW·h,減去降溫階段風扇電動機耗電36kW·h,升溫和保溫階段耗電164kW·h,平均每噸工件耗電492kW·h。

節能效果:(585.96-492)÷585.96×100%=16.04%

另一台75kW回火爐,因改造前已停止使用,無法進行對比測試。但據車間工人反映,原來從150℃升溫到410℃需1.25h,改造後同樣裝爐量情況下,升溫只需0.75h。降溫時間卻增加了0.5倍,節能效果可見一斑。

節能爐襯對比

(1)纖維基預製件爐襯和全纖爐襯容重小,具較高的耐火度、優良的絕熱性能和較高的熱強度,蓄熱損失和散熱損失都較小,是兩種非常實用的節能型爐襯。

(2)兩種節能爐襯均施工方便,可以製造各種複雜爐襯。同時,可以預製,從而節省大修或改造施工時間。由於氣密性很好,又不需事先燒制,在節能的同時,還能減少控制氣氛的用量和溫室氣體的排放量,節能、降耗又減排,一舉三得,值得在工業爐設計、製造、大修和改造中大力推廣。

⑶全纖爐襯製作時應儘量減少鋼鐵構件,採用合理的壓縮比,而且內表面應塗刷氧化鋁塗料,以防高溫二次結晶粉化。這樣才能發揮其最佳作用。

⑷兩種節能爐襯與磚砌爐襯相比,主要因為減少了泥縫,增加了爐子的氣密性,因此更加節能。尤其在使用一段時間後,更顯示出其節能的優越性。這是任何輕質磚砌爐襯所無法比擬的,有著廣闊的套用前景。