電加熱與燃氣加熱網帶爐的分析比較

宋國平

(蘇州新凌電爐有限公司，江蘇 蘇州 215127)

隨著我國機械通用零部件行業的快速發展，熱處理網帶爐已廣泛應用于緊固件、軸承、傳動件等機械零件。隨著網帶爐制造技術水平的提高以及節約能源等要求，網帶爐第3代產品——托輥型網帶爐的加熱方式從利用金屬電熱元件加熱發展到利用燃氣加熱。下文以設計產量均為1 000 kg/h的托輥型電加熱網帶爐與燃氣加熱網帶爐為例進行分析比較。

1 熱量產生裝置

1.1 電加熱輻射管

電加熱網帶爐的熱量產生裝置通常采用輻射管，如圖1所示，其由金屬外管和內置鼠籠式結構的發熱體組成。根據不同的使用溫度，輻射管采用的材質也有所不同。淬火爐輻射管的金屬外管材料為SUS310S，最高使用溫度可達1 200 ℃；回火爐輻射管的金屬外管材料為SUS304，最高使用溫度可達800 ℃。

1—絕緣陶瓷蓋；2—接線引出棒；3—電阻絲；4—剛玉絕緣陶瓷片；5—鼠籠式發熱體；6—金屬外管

內置鼠籠式結構的發熱體由金屬電熱元件和剛玉絕緣陶瓷片組成。金屬電熱元件為電阻絲，其常用的材料為鎳鉻合金絲和鐵鉻鋁合金絲。鎳鉻合金絲在空氣中加熱后，表面形成一層較硬的Cr2O3保護膜并緊附在合金基體上，熔點比合金基體高，可經受交替性的加熱和冷卻，抗蝕能力強，高溫力學性能好，常溫易于加工和焊接，電阻率大，電阻溫度系數小，功率穩定。淬火爐上常用的為Cr20Ni80合金絲，其含有較多的鎳，價格相對鐵鉻鋁合金絲較高。鐵鉻鋁合金絲的熔點比鎳鉻合金絲高，在空氣中加熱后表面形成一層較硬的Al2O3保護膜，熔點比合金體高。鐵鉻鋁合金絲的電阻率大，電阻溫度系數小，但有脆性，加工性能差，高溫時強度低，元件易變形倒塌，故使用在回火爐上較多，常用的為0Cr25Al5合金絲。

1.2 燃氣燒嘴

燃氣加熱網帶爐的熱量產生裝置俗稱燃氣燒嘴，為便于使用、維護以及節能，淬火爐與回火爐均采用相同的明火高速燒嘴。高速燒嘴使燃料與助燃空氣在燃燒室內基本實現完全燃燒，燃燒后的高溫氣體最高以150 m/s的速度噴入爐內，強化對工件的對流傳熱，促進爐內氣流的循環，達到爐溫均勻和提高加熱效果的目的。SIC型燃氣燒嘴燃燒系統如圖2所示，燃氣燒嘴控制相對復雜，其由點火電極、燒嘴控制器、燃氣與空氣比例閥、燃氣與空氣管路相應的球閥、蝶閥等組成。燒嘴的結構如圖3所示。

1—檢測電極；2—燒嘴控制器及變壓器；3—點火電極；4—燒嘴；5—助燃風機；6，9—手動閥；7—空/燃比例閥；8—燃氣電磁閥；10—壓力表；11—空氣電動執行器；12—手動蝶閥

1—燃氣入口；2—點火電極；3—空氣入口；4—空氣預熱器；5—火焰口；6—陶瓷套管

2 熱量控制方式

2.1 電加熱網帶爐

主電路采用空氣開關與SSR控制，并采用智能PID控制。正確設定PID控制器參數后可有效減少起始時的超調量，使工作點快速穩定。使用功率控制器作為執行元件，以PLC智能儀表通過熱電偶等傳感器控制電加熱輻射管來調整溫度。

2.2 燃氣加熱網帶爐

燃氣燒嘴的控制相對電加熱輻射管復雜，其要完成爐內火焰檢測、自動點火控制、燃氣供給控制、助燃空氣控制等。燃燒系統采用比值閥控制方式，使燃氣/空氣為最佳配比，減少多余空氣。輻射管燒嘴在連續控制階段可實現5∶1的調節比，在加熱需求量小于燒嘴最小燃燒量時自動改為脈沖燃燒控制方式，達到精確控制爐溫及最大的燃燒效率，降低能耗。通過精確模擬演算，燒嘴采用最經濟的U形水平錯位排列，燃燒廢氣通過自預熱器來預熱助燃空氣，助燃空氣預熱溫度達廢氣溫度的95%，熱回收利用率達92%，大大減少了CO2的排放。燃氣加熱網帶爐還具有自動點火、系數極限聯鎖、點火失敗鎖停、火焰監測、熄火保護等自動監控保護功能。

3 成本對比

3.1 運行成本

電加熱網帶爐與燃氣加熱網帶爐的運行成本在操作人員配備、介質費用方面基本相同，主要是用電與用氣成本的不同。

電加熱網帶爐加工產品的處理效率為1 000 kg/h，生產每噸產品的用電量為480 kWh (實測)，電力折標煤按1 kWh=0.35 kg標煤折算，根據網帶爐的生產特性，其年消耗標煤為480×0.35×24×300=1 209 600 kg，約為1 210 t標煤/年。燃氣加熱網帶爐加工產品的處理效率為1 000 kg/h，生產每噸產品的用氣量為50 Nm3(平均值)，但天然氣的實際燃燒熱效率為65%，則實際每噸產品用氣量為75 Nm3。天然氣折標煤按1 Nm3=1.214 3 kg標煤折算，根據網帶爐的生產特性，其年消耗標煤為75×1.214 3×24×300=655 200 kg，約為655 t 標煤/年。對比可知,同樣條件下燃氣加熱網帶爐比電加熱網帶爐一年可節省555 t標煤,實際節能達45%。

另按平均電價0.8元/kWh計算，電加熱網帶爐每加工1噸產品的電費為384元；按天然氣3.5元/ Nm3計算，燃氣加熱網帶爐每加工1噸產品的費用為262元，則一臺設計產量均為1 000 kg/h的燃氣加熱網帶爐比電加熱網帶爐一年可節省費用80多萬元。

3.2 投資成本

因爐型相同，僅發熱方式不同，二者所用的鋼材、保溫材料、耐熱鋼材料以及傳動系統均相差不大。但在熱量產生裝置方面，燃氣加熱網帶爐的燃燒系統配置和控制方式上比電加熱網帶爐電加熱輻射管復雜得多，成本也相應增大。目前投資設計產量均為1 000 kg/h的網帶爐，燃氣加熱網帶爐要比電加熱網帶爐的成本高1/3。

3.3 環境保護

電是二次能源，國內大多數以煤電為主，在發電過程中消耗了大量的煤炭資源，排放出大量空氣污染物；而天然氣是一次能源，在燃燒過程中排放量低，且熱回收利用率可達92%，環境污染小。

4 實例

某緊固件公司同期安裝了規格相同的電加熱網帶爐和燃氣加熱網帶爐各1臺，用來處理ML45鋼制M6-16等各種規格的高強度緊固件，使用對比發現，除能耗相差較大外，網帶爐性能及熱處理品質相當，見表1。

表1 電加熱爐和燃氣加熱爐的對比

5 結束語

燃氣加熱網帶爐較電加熱網帶爐的一次性投資大；燃氣的具體熱值比較難以確定，還存在脫火控制問題。但燃氣加熱網帶爐同電加熱網帶爐一樣可以實現爐溫的自動、精確控制；在目前國內部分地區由于季節性電力緊張造成企業輪休的情況下，燃氣加熱網帶爐的推廣和應用可保證企業的正常生產；燃氣加熱網帶爐的節能優勢將為企業的長期經營縮減成本；天然氣燃燒的排放低，污染小，符合國家提倡的節能減排產業政策，發展應用前景廣闊。