燃氣熱處理爐節能設計方法分析

■ 韋增磊

熱處理爐是工業裝備制造生產的關鍵設備，廣泛應用于國民經濟生產的各個環節，對推動社會經濟的進步起了很大作用。我國熱處理設備種類繁多、使用量大，影響廣泛，特別是在制造業行業的使用中占據主導地位，而制造業在工業發展中起重要作用，且占據國民經濟的主體地位。

我國熱處理設備在工業發展中有了一定提高，但也存在著一些問題，機械自動化水平低，高耗能，污染嚴重，生產工藝落后，企業管理制度模糊，給企業發展帶來嚴重阻力。近幾年來，隨著經濟的發展和國家節能減排的政策的提出，對工業設備提出了更高的要求。利用新技術和新方法對熱處理爐進行升級改造，使其滿足工業要求，提高產品質量，節約能源消耗，減低企業成本，達到國家節能減排的目標。

本文從燃氣熱處理爐的固溶處理和時效處理設備進行分析，對固溶和時效爐進行合理改造升級，通過改進燃燒系統，增加煙氣余熱回收裝備等方面進行優化設計，使其設備高效節能的應用于企業生產中。

一、燃氣熱處理爐現狀

燃氣熱處理爐種類繁多，企業根據自身生產情況選擇合理的設備，由于天然氣屬于一類資源，價格低，因而很多企業在熱處理爐燃料方面選擇天然氣，現在設備中，燃氣爐占70%以上。一般燃氣熱處理爐設計如圖1所示。

燃氣熱處理爐一般是由鼓風機、燃燒器、循環風機等組成（見圖1），鼓風機提供燃燒器燃燒是所需的風量和風壓，燃燒器在爐內的熱量在爐內循環風機的作用下，在爐內循環，這樣爐內各部位工件均勻受熱。待爐內工件達到設定溫度后，燃燒器火焰變小或關閉火焰加熱。如果檢測爐內溫度低于設定值，燃燒器火焰變大或者打開燃燒器加熱，以此循環到爐內溫度穩定，工件受熱達到設定溫度。

圖1所示設計是燃氣熱處理爐中固溶處理和時效處理爐的基本結構，兩臺設備中，一臺是固溶處理，另一臺是時效處理，此設計結構一般適用于鑄造鋁合金工件的處理，固溶處理是指通過加熱，保溫及快速冷卻實現固溶，提高工件力學性能和工件的塑性，以及工件在常溫的抗腐蝕性能。時效處理特性是指工件在較低的溫度或較短的時間下進行，進一步提高合金的強度和硬度。兩種處理方式對鑄造鋁合金工件其處理制度不同，固溶處理的溫度一般在510～540℃，爐內保溫時間2～6h，冷卻介質一般是水，溫度在40～100℃。時效處理的溫度一般為150～180℃，爐內保溫時間2～5h，冷卻介質一般是空氣自然冷卻。

兩種處理制度、處理工藝各有不同，對其設備的設計結構要求也不同，圖1的設計結構中，固溶爐和時效爐是獨立分開工作，爐子的設計中沒有綜合考慮設備節能減排方面的要求，使其造成大量的能源浪費，煙氣帶走了大量的爐內熱量，能源浪費，污染環境，增加企業成本。

圖1 燃氣熱處理爐示意

二、燃氣熱處理爐節能改進措施

燃氣熱處理的能耗受多方面的因素影響，綜合考慮主要在合理布局爐群，改進優化燃燒，采用新隔熱材料減少爐內熱量損失，強化煙氣余熱回收和資源合理循環利用技術等方面的改進。

1. 優化爐群布局方案

車間熱處理爐整體合理布局，如熱處理爐數量多，在不同熱處理爐之間交替并列設置，在爐前面鋪設導軌，采用兩臺車在導軌上運行，一臺負責工件進爐，另一臺負責工件出爐，這樣固溶和時效不同爐之間交替使用，降低爐子的空置率，在其中一車負責工件出爐后，另一車開始裝料進爐，縮短工件進爐時間，提高工件進出爐效率，充分利用工件出爐后爐內溫度，節省熱量，提高生產效率。

如果車間熱處理設備數量少，可以采用一爐多車的組合，出現多臺車的臺車式熱處理爐，臺車交替使用，這樣可以縮短裝料時間，縮短生產周期，提高生產效率。爐子空間合理布局，減少設備占地面積，使其公用裝料設備充分發揮效率，提高能源利用率，減輕企業生產成本。

2. 換熱器回收利用煙氣余熱

煙氣余熱回收主要有換熱技術和儲熱技術，而換熱器是煙氣余熱回收最有效和使用最廣泛的設備。近幾年來，根據設備結構和生產需要，研制出了各種換熱器，比如輻射換熱器、對流管式換熱器等，金屬換熱器已經實現產品系列生產化，應用于企業的設備中。

燃氣熱處理的固溶及時效爐換熱器設計如圖2所示，因固溶處理溫度較高，因而換熱器安裝到固溶爐的排氣管道中。風機提供的助燃空氣在進入燃燒器之前，都經過換熱器，在換熱器中助燃空氣溫度較低，而從固溶爐中排出的煙氣，攜帶爐內較高熱量，溫度較高，根據熱力學定律，存在溫度差，就存在熱傳遞，所以在換熱器內，溫度較低的助燃空氣與溫度較高的煙氣進行熱交換，這樣助燃空氣溫度升高，排出煙氣溫度降低。助燃空氣預熱后可以提高燃料的理論燃燒溫度，溫度的提高程度與燃料種類和助燃空氣預熱溫度有關，一般情況下空氣預熱溫度每提高100℃，可以提高理論燃燒溫度50℃左右，爐子的生產能力可以提高2%左右，根據其公式可以計算出預熱助燃空氣時燃料的節約率：

η= QW/（Qd+ QW-Qy）×100%

式中 η——燃料節約率（%）；

QW——空氣或空氣與燃氣同時預熱時得到的物理熱（kJ/m3）；

Qd——燃料低發熱量（kJ/m3）；

Qy——煙氣帶走的熱量（kJ/m3）。

一般認為，每提高助燃空氣溫度100℃，燃料節約率在5%，安裝換熱器是有效的節能手段，投資少、見效快。在總供熱能力不變的情況下，回收燃氣余熱，可以減少燃料的供給量，也可減少煙氣的生產量和排放量，回收熱量越多，煙氣排放量越少，有利于保護環境。

圖2 固熔爐管道安裝換熱器示意

3. 煙氣余熱對低溫爐的利用

燃料爐中煙氣帶走的熱量占爐子總熱量的30%～70%，充分利用好煙氣帶走的余熱是燃氣爐節約能源的重要措施。高溫煙氣利用率提高，可以減少煙氣的過量排放，對保護環境也是重要措施之一，符合現在工業節能減排的政策。

對固溶爐和時效爐綜合布局，我們結合兩臺設備的處理工藝和制度不同，固溶爐處理一般溫度較高，時間較長，而時效爐處理溫度較低，處理時間短。因此在固溶爐排氣管道安裝換熱器的基礎上，對固溶爐排出的煙氣再次利用，利用固溶爐排出的高溫煙氣，作為時效爐低溫熱源的來源。

綜合考慮各個方面的基礎上，我們對兩臺設備再次聯機設計，設計參考如圖3所示。在設計圖中，我們在固溶爐排氣管道安裝換熱器后，管道三連通分接，有一管道安裝到時效爐中。固熔爐管道中設計安裝電動風門A，此電動風門要安裝在三連通之后，在管道進入時效爐時，在管道上設計安裝電動風門B，溫度測試用熱電偶C，以及對此管道進行保溫，目的是減少高溫煙氣在進入時效爐時的熱量損失，使其溫度高的煙氣進入時效爐，同時兩臺設備上各安裝燃燒器A、熱電偶A、燃燒器B、熱電偶B，以及爐內熱循環風機。

煙氣管道傳送控制方式分析如下：

（1）為防止爐內水分對鑄造鋁合金工件處理時的影響，工件在進入固溶之前，固溶爐提前烘爐，開動固溶爐爐內熱循環風機和燃燒器A，在熱電偶A測試到溫度低于300℃時，電動風門B關閉、A打開，此時固溶爐爐內水分排出。在熱電偶A測試溫度由300℃升到500℃設定溫度時，電動風門A關閉B打開，此時固溶爐排出熱量進入時效爐，時效爐熱循環風機打開，此時時效爐燃燒器B關閉，時效爐利用固溶爐傳送過來的高溫煙氣熱量提前烘爐，蒸發爐內空氣水分。

（2）在固溶爐溫度烘爐達到設定溫度時，工件進入，此時電動風門A打開、B關閉，工件帶入固溶爐內的水分隨煙氣排出，工件進入后熱電偶A測試溫度下降，工件在爐內吸收熱量開始升溫，待熱電偶A測試溫度在工件進入后再次達到300℃時，電動風門B打開、A關閉，固溶爐的煙氣熱量再次進入時效爐，時效爐利用此熱源繼續烘爐。

（3）工件固溶處理完成后進入時效爐，時效爐在工件進入之前已經利用固溶爐的高溫煙氣熱量烘爐，如果高溫煙氣的烘爐溫度使時效爐溫度升溫達到設定溫度，工件此時可以直接進入，不用等待再次烘爐，如果溫度達不到設定溫度，開啟時效爐燃燒器B進行補充烘爐溫度。工件進入時效爐后吸收熱量，開始升溫，此時固溶爐可以進行下一個批次的生產，在固溶爐生產時，固溶爐高溫煙氣熱量開始往時效爐傳送，此時必須滿足一定的條件：一是固溶爐熱電偶A測得溫度高于300℃；二是管道熱電偶C測得溫度高于時效爐熱電偶B測得溫度50℃；三是時效爐熱電偶B測得溫度不高于時效爐設定溫度。三個條件同時滿足時，電動風門A關閉、B打開，高溫煙氣熱量開始傳送。在高溫煙氣熱量傳送的過程中，如果時效爐熱電偶B測得溫度達不到設定溫度，此時燃燒器B要打開，補充熱量讓時效爐的溫度達到設定溫度。

圖3 煙氣管道連接示意

（4）時效爐熱電偶B測得溫度在達到設定溫度上限范圍時，燃燒器B要關閉，如果時效爐爐內溫度有繼續上升趨勢，此時電動風門A開、B關，減少固溶爐的高溫煙氣熱量傳送到時效爐。如果時效爐熱電偶B測得溫度低于時效爐的設定溫度，管道熱電偶C測得管道內溫度高于時效爐熱電偶B測得溫度50℃，固溶爐熱電偶A測得溫度高于300℃，此時電動風門A關、B開，固溶爐高溫煙氣開始往時效爐傳送，如果時效爐溫度還是低于設定值，燃燒器B打開，補充不足的爐內熱量。

在煙氣傳送的過程中，我們要考慮到固溶爐內空氣水分和工件水分對時效爐的影響，防止水分進入時效爐，腐蝕時效爐爐內配件，縮短時效爐壽命。所以在每次高溫煙氣傳送時，要考慮高溫煙氣內是否有攜帶水分。固溶爐爐內高溫煙氣在經過自身管道換熱器后，溫度下降，管道內的高溫煙氣不是全部都要進入時效爐，管道內的溫度要高于時效爐設定溫度一定的溫度，時效爐設定溫度越高，管道內的煙氣溫度也要求越高，此設置要求是防止管道內溫度低的煙氣進入到時效爐爐內，減低時效爐溫度。比如，時效爐設定溫度150℃，這是管道內的溫度最低要高于150℃時才可以傳送，如考慮煙氣在管道內的熱量損耗，管道內煙氣要高于時效爐爐內溫度一定比例才可以傳送，高溫煙氣熱量傳送到時效爐，提高時效爐爐內溫度，減少時效爐燃燒器的燃燒，節省燃料。如果此時低于時效爐爐溫設定溫度150℃的煙氣傳送到時效爐，這樣會減低時效爐爐內溫度，爐內溫度降低，需要時效爐燃燒器提供更多的熱量來提高爐溫，這樣會增加燃料的消耗，浪費資源，生產成本提高，增加企業負擔。

現在企業在改造完成進行生產測試后發現，固溶爐在升溫階段，煙氣余熱進入時效爐100℃左右，這樣時效爐再升溫加熱的過程中，可以從爐內100℃溫度開始加熱，極大地縮短了時效爐升溫時間，縮短燃燒器加熱時間，節省燃燒，同時也可以減少煙氣排放，保護環境。

圖4 不同爐襯材料熱導率

4. 隔熱保溫材料的選擇

熱處理爐爐襯的儲熱和散熱，一般占爐子能耗的10%～30%，合理選擇爐襯材料，可以有效減低熱損失，使其設備更加節能環保。現在設計爐襯材料時一般選擇陶瓷纖維制品代替耐火磚，陶瓷纖維是一種優良的耐火材料，具有熱容小、高溫絕熱性能良好等優點，已經廣泛應用于各種工業設備中。在熱處理爐設計爐內襯時，一般選擇陶瓷纖維和礦物巖棉組成的復合材料，這樣既可以減輕爐體重量，又可以提高保溫能力，減少熱量損失。

隨著耐火材料新技術的不斷進步，已經研發出新型材料——納米微孔隔熱材料，材料是應用最新高科技技術研制出來的新材料，材料內部有特殊的無機納米級耐火粉末，形成了微小的納米級氣孔，熱導率低，絕熱性能優良。

納米微孔隔熱材料在傳熱原理中體現較強優勢，材料采用特殊的納米級無機耐火粉料，具有巨大的比表面積，納米顆粒之間的接觸為極小的點接觸，點接觸的熱阻非常大，使得材料的傳導傳熱效應變得非常小。納米顆粒之間形成大量的納米級氣孔，其尺寸平均在20nm，而靜止空氣的分子常溫下的平均熱運動自由程為50nm，這樣把空氣分子鎖閉在粉料納米氣孔之內，使靜止空氣分子之間的微小傳熱作用消失，傳熱能力方面變的很小。我們把納米微孔隔熱材料與其他材料進行試驗對比，不同材料熱導率對比如圖4所示。

在對比中，可以看出納米微孔隔熱材料具有極低的熱導率，隔熱性能比傳統材料（陶瓷纖維棉、硅酸鈣板、巖棉等）高2～3倍，在溫度較高時，材料收縮率較小，熱導率在高溫段上升很小，體現出其他材料所沒有的特性，材料蓄熱少，環保無污染，是目前性能最好的隔熱材料。

三、結語

我國能源短缺問題時刻制約著經濟的發展，節能減排和環境保護，已經受到社會各個方面的關注，同時已經制定出相應的政策和法規，將來在工業發展中，節能和環保成為首要考慮的問題。我國工業設備的性能也存在多方面的不足，利用新技術、新方法對現有設備進行合理改造，充分發揮設備自身的結構性能，可降低設備能源消耗，提高設備生產效率，使設備更加節能環保，使工業發展走上可持續發展道路。

[1] 王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 王鴻雁.冶金爐熱工基礎[M].北京：化學工業出版社，2015.