1. Historia, situación actual y clasificación de los hornos industriales
Los hornos industriales y los hornos, utilizados para procesos como fundición, tostación, sinterización, fusión y calentamiento, han estado presentes en China desde la dinastía Shang, con temperaturas de horno capaces de alcanzar los 1200°C.
Durante el período de primavera y otoño, el desarrollo de la tecnología de hornos condujo a la producción de hierro fundido.
En 1794, el mundo vio la introducción de una cúpula cilíndrica recta para fundir hierro fundido.
Luego, en 1864, Martín de Francia construyó el primer horno abierto de producción de acero a gas, basado en el principio del horno regenerativo desarrollado por Siemens de Gran Bretaña. Al precalentar el aire y el gas en la cámara regenerativa, el horno pudo alcanzar la temperatura de 1600°C necesaria para la producción de acero.
En la década de 1920, se disponía de suficientes fuentes de energía, lo que llevó al uso generalizado de hornos de resistencia, hornos de arco eléctrico y hornos tubulares de inducción en la industria. Al mismo tiempo, la introducción de hornos mecanizados y automáticos mejoró la productividad y las condiciones de trabajo.
En la década de 1950, los hornos de inducción sin núcleo experimentaron un rápido crecimiento. Más tarde, se inventó el horno de haz de electrones, que utiliza haces de electrones para impactar combustible sólido para calentar y fundir materiales de alto punto de fusión.
En la actualidad, China tiene aproximadamente 130.000 hornos industriales, principalmente ubicados en las industrias metalúrgica, de materiales de construcción, de maquinaria y química, que representan más del 85% del número total de hornos.
El consumo de energía anual de estos hornos es el 25% del consumo de energía nacional, con porciones aproximadamente iguales asignadas a los hornos de combustible y a los hornos eléctricos.
Hay varios desafíos importantes que enfrentan los hornos industriales en China, incluidos métodos de combustión obsoletos, alta intensidad de mano de obra, contaminación ambiental, requemado excesivo, baja eficiencia térmica y sistemas de monitoreo y control automáticos inadecuados.
Los hornos industriales se pueden clasificar según las características del proceso, la temperatura de trabajo, las características de operación térmica y el sistema de trabajo.
Los tipos comunes de hornos y hornos industriales incluyen hornos de fundición, hornos de fusión, hornos de calentamiento, hornos petroquímicos, hornos de tratamiento térmico, hornos de sinterización, hornos de trabajo químico, hornos y hornos de calcinación, hornos y hornos de secado, hornos, hornos de arco eléctrico, hornos de inducción para alta -Fundiciones a temperatura, hornos de coque, incineradores y otros.
Tabla de códigos de clasificación de hornos industriales.
| Código | Categoría de horno industrial | Código | Categoría de horno industrial |
| 010 | Horno de fundición | 071 | Horno de carburo de calcio |
| 011 | Alto horno | 072 | calcinador general |
| 012 | Horno y mezclador de acero. | 073 | Horno de lecho fluidizado |
| 013 | Horno de fundición de ferroaleaciones | 079 | Otros hornos químicos |
| 014 | Horno de fundición de metales no ferrosos | 080 | horno de cocción |
| 020 | Horno de fusión | 081 | horno de cemento |
| 021 | Horno de fusión de acero | 082 | horno de cal |
| 022 | Horno de fusión de metales no ferrosos | 083 | horno refractario |
| 023 | Horno de fusión no metálico y horno de fundición. | 084 | Horno Cerámico Diario |
| 024 | Cúpula | 085 | Construcción de hornos cerámicos sanitarios. |
| 030 | Horno de calefacción | 086 | Albañilería |
| 031 | Horno de calentamiento continuo de acero | 087 | Horno de cocción de porcelana Tang |
| 032 | Horno de calentamiento de metales no ferrosos | 088 | Otros hornos de cocción |
| 033 | Horno de calentamiento intermitente de acero | 090 | Horno de secado (horno) |
| 034 | Remojando bien | 091 | Horno de secado de fundición (horno) |
| 035 | Horno de calentamiento no metálico | 092 | Horno de secado de cemento (horno) |
| 039 | Otros hornos de calentamiento y mantenimiento | 099 | Otros hornos de secado (hornos) |
| 040 | horno petroquímico | 100 | Horno de combustión de humo (horno) |
| 041 | horno de tubo | 110 | horno de arco |
| 042 | reactor de contacto | 120 | Horno de inducción (fundición a alta temperatura) |
| 043 | Horno de craqueo | 130 | horno de coque |
| 049 | Otros hornos petroquímicos | 131 | Horno de coque de carbón |
| 050 | Horno de tratamiento térmico (<1000 ℃) | 132 | Horno de coque de aceite |
| 051 | Horno de tratamiento térmico de acero | 140 | horno de combustión de chu |
| 052 | Horno de tratamiento térmico de metales no ferrosos | 141 | Incinerador de residuos sólidos |
| 053 | Horno de tratamiento térmico no metálico | 142 | Horno de recuperación de álcalis |
| 054 | Otros hornos de tratamiento térmico | 143 | Estufa doméstica Chu |
| 060 | Horno de sinterización (metalurgia negra) | 144 | Horno de quema de desechos médicos de Chu |
| 061 | máquina de sinterización | 145 | Quemador de gas de ensueño |
| 062 | Horno de cuba de peletización, peletización por cinta | 149 | Otros quemadores de sueños |
| 070 | Horno de trabajo químico | 190 | Otros hornos industriales |
2. Estado de ahorro energético de los hornos industriales.
El consumo de energía de los hornos industriales está influenciado por numerosos factores; sin embargo, los métodos principales actuales para conservar energía incluyen optimizar el diseño, mejorar el equipo, utilizar el calor residual y mejorar el control y la gestión de la producción.
1. Prueba térmica
En China, a pesar de la presencia de tecnologías globalmente avanzadas, muchos hornos industriales tienen limitaciones. Esto está asociado con altos costos de reposición y un aumento significativo en el consumo de energía. Por tanto, la innovación científica y tecnológica es crucial.
Para lograr una transformación técnica que ahorre energía, los métodos de prueba científicos son esenciales. Estos métodos le ayudan a obtener una comprensión integral del proceso térmico de los hornos industriales, analizar y diagnosticar cualquier problema y determinar la causa raíz.
Entre los métodos de prueba térmica disponibles, la prueba de equilibrio térmico es ampliamente reconocida. Mide la eficiencia térmica del horno industrial, lo que conduce a una mejora de la eficiencia térmica, una reducción del consumo unitario y la determinación de diversos indicadores del desempeño económico y técnico de la operación del horno.
Al analizar las condiciones de funcionamiento del horno de calentamiento, sus condiciones de trabajo se pueden ajustar para lograr el estado de funcionamiento ideal, encontrando así formas y direcciones efectivas para la conservación de energía. Este es el objetivo principal de las pruebas térmicas.
Sin embargo, existen ciertos desafíos asociados con los métodos de prueba térmica, como la complejidad de las pruebas y la dificultad para simular con precisión condiciones de producción estables, lo que puede resultar en una gran brecha entre los resultados de las pruebas y el rendimiento real.
Por lo tanto, el desarrollo futuro de la tecnología de pruebas será un foco de investigación para expertos y académicos.
2. Estructura del horno, materiales de construcción del horno y tecnología de combustión.
Después de realizar la prueba, ya tenemos una comprensión preliminar del horno, que sirve de base para su transformación técnica.
Al diseñar el horno, es aconsejable adoptar un horno nuevo que ahorre energía y cumpla al máximo los requisitos del proceso de producción.
Durante el proceso de diseño, normalmente se tienen en cuenta factores como el tipo de horno, el material, el sello, el proceso de transferencia de calor (combustión) y la distribución de temperatura.
Según los datos disponibles, las principales medidas de ahorro energético son las siguientes:
(1) El uso de un horno circular en lugar de un horno de caja puede mejorar la transferencia uniforme de calor a la pieza de trabajo, reducir la disipación de calor de la pared del horno y crear un sistema de intercambio de calor dentro del horno para facilitar el intercambio de calor entre los elementos calefactores, el revestimiento del horno y la pieza de trabajo. .
Al optimizar el espacio del horno y aumentar el área de la pared interior, se puede mejorar la eficiencia del intercambio de calor aumentando el área de intercambio de calor.
(2) Instalar un ventilador en el horno puede mejorar la transferencia de calor por convección. Esto es especialmente importante para hornos de calentamiento pequeños, ya que el flujo de aire de alta velocidad puede atravesar la capa límite estancada de gas del horno en la superficie de la pieza de trabajo y acortar el tiempo de calentamiento, acelerando el aumento de temperatura de la pieza de trabajo.
(3) El sellado del cuerpo del horno es crucial, incluido el sellado de varios componentes que salen del horno, la carcasa del horno y la puerta del horno.
Si el cuerpo del calefactor no está sellado adecuadamente, pueden producirse incendios y fugas, lo que provocará un importante desperdicio de energía, daños al equipo y condiciones ambientales desfavorables.
Por tanto, la calidad de las piezas y el consumo de energía se ven directamente afectados por el sellado del cuerpo del horno. Además, el sellado también es crucial para controlar la atmósfera dentro del horno.
La aparición de productos de fibra refractaria ha creado oportunidades para resolver el problema del sellado del cuerpo del horno y lograr un sellado suave.
(4) El horno de calentamiento de hormigón refractario en su conjunto tiene alta resistencia, integridad, buena estanqueidad y una larga vida útil.
(5) Se utilizan nuevos materiales del horno para optimizar la estructura del revestimiento del horno.
Al tiempo que se garantiza la resistencia estructural y la resistencia al calor del horno, el revestimiento del horno debe tener como objetivo mejorar la capacidad de aislamiento y reducir el almacenamiento de calor. Simplemente aumentar el espesor del revestimiento para reducir la temperatura de la pared del horno dará como resultado un mayor almacenamiento de calor del revestimiento, costos más altos y una utilización reducida del área inferior del horno.
La capa aislante está compuesta de fibra refractaria y lana de roca, y el revestimiento del cuerpo del horno está hecho de ladrillo liviano, lo que reduce la pérdida de almacenamiento de calor, mejora el aislamiento térmico y disminuye la pérdida de disipación de calor de la pared del horno.
(6) La aplicación de un revestimiento de alta temperatura y alta radiación en la pared interior del horno aumenta la transferencia de calor radiativo en el horno, promoviendo la plena utilización de la energía térmica. Este método de ahorro de energía tiene un efecto del 3% al 5% y se considera un método avanzado de ahorro de energía para el futuro próximo.
(7) Se utilizan diferentes quemadores según las diferentes condiciones de trabajo, como quemadores reguladores de llama, quemadores de llama plana, boquillas de alta velocidad, quemadores de autoprecalentamiento, quemadores con bajo contenido de óxido de nitrógeno y quemadores regenerativos desarrollados recientemente, proporcionando una gama de quemadores avanzados adecuados para consumo de gasolina y diesel.
El uso correcto de quemadores avanzados y eficientes a menudo puede generar ahorros de energía de más del 5%. Los quemadores de llama plana son más adecuados para calentar hornos, mientras que los quemadores de alta velocidad son adecuados para diversos hornos de tratamiento térmico y hornos de calefacción.
Los quemadores de precalentamiento automático, que combinan quemadores, intercambiadores de calor y dispositivos de extracción de humos, son adecuados para diversos hornos industriales, como calentamiento, fusión y tratamiento térmico.
(8) La selección de dispositivos de combustión energéticamente eficientes, combinados con ventiladores, bombas de aceite, válvulas, sistemas de detección térmica y control automático eficientes, puede mejorar significativamente el ahorro de energía dependiendo del tipo de combustible.
Las tecnologías de combustión convencionales para ahorrar energía incluyen la combustión de aire a alta temperatura, la combustión enriquecida con oxígeno, la emulsificación de petróleo pesado, la inyección de carbón pulverizado enriquecido con oxígeno para altos hornos y el tratamiento de magnetización del combustible de hornos común.
De ellas, la combustión de aire a alta temperatura y la combustión enriquecida con oxígeno son las más utilizadas.
La tecnología de combustión de aire a alta temperatura se desarrolló en la década de 1990 y permite que el precalentamiento del aire alcance el 95% de la temperatura de los gases de combustión mediante la recuperación regenerativa de los mismos. Esto da como resultado una temperatura uniforme del horno de ≤±5 ℃ y una eficiencia térmica de combustión del 80 %.
Esta tecnología tiene varias ventajas, como alta eficiencia, ahorro de energía, protección ambiental, baja contaminación, combustión estable, gran área de combustión, amplia adaptabilidad del combustible, fácil control de la combustión, reducción de la inversión en equipos, mayor vida útil del horno y fácil operación.
Sin embargo, todavía quedan algunos retos por afrontar, como optimizar los sistemas de control y regulación, mejorar la relación entre los parámetros térmicos y la estructura de diseño, la calidad del gas y del regenerador, y la vida útil del regenerador y del horno de calentamiento regenerativo.
La tecnología de combustión enriquecida con oxígeno implica el uso de gases con concentraciones de oxígeno superiores al 21% en la combustión. El objetivo es desarrollar quemadores aptos para hornos industriales.
Esta tecnología tiene varios beneficios, como reducir la pérdida de calor de escape del horno, aumentar la temperatura de la llama, extender la vida útil del horno, aumentar la producción, reducir el tamaño del equipo, mejorar la limpieza de la producción y facilitar la recuperación, la utilización integral y el almacenamiento de CO2 y SO2.
Sin embargo, el aumento del contenido de oxígeno en la combustión enriquecida con oxígeno también provoca un fuerte aumento de la temperatura y un aumento de NOx, lo que limita su adopción en diversos campos. Al diseñar un horno industrial para utilizar aire enriquecido con oxígeno para la combustión, es importante evitar campos de temperatura irregulares en el horno.
3. Recuperación y utilización del calor residual
El calor residual se puede clasificar en siete tipos: gas residual de alta temperatura, medio de enfriamiento, vapor y agua residual, productos y escoria de alta temperatura, reacciones químicas, gas residual combustible y presión residual de fluidos a alta presión.
Según la investigación, el calor residual total producido por diversas industrias oscila entre el 17% y el 67% del consumo total de combustible, y el 60% proviene de recursos térmicos residuales reciclables.
Los gases de combustión son responsables de eliminar del 30% al 70% del calor total suministrado por los hornos de combustible.
Como tal, la recuperación y utilización del calor residual de los gases de combustión es crucial para la conservación de energía. Esto se puede lograr mediante:
(1) Instalación de precalentadores para precalentar el aire y el combustible que apoyan la combustión mediante gases de combustión.
(2) Instalación de calderas de calor residual para generar agua caliente o vapor con fines productivos o domésticos.
(3) Utilizar gases de combustión como fuente de calor para hornos de baja temperatura o precalentar piezas frías o cargas de hornos.
En China, los precalentadores para aire precalentado se han utilizado en hornos industriales desde la década de 1950, principalmente en forma de intercambiadores de calor tubulares, cilíndricos radiantes y de bloques de hierro fundido. Sin embargo, la eficiencia cambiaria es baja.
En la década de 1980, se desarrollaron sucesivamente intercambiadores de calor domésticos, como los de tipo chorro, tipo radiación a chorro y de doble mesa, para resolver el problema de la recuperación de calor residual en aplicaciones de temperatura media y baja. Estos avances han dado lugar a mejoras significativas en la recuperación del calor residual de los gases de combustión a temperaturas inferiores a 100°C.
Sin embargo, a altas temperaturas, las limitaciones de los materiales de los intercambiadores de calor, incluida la baja vida útil, los altos requisitos de mantenimiento y los altos costos, todavía plantean desafíos para la promoción y el uso de estos sistemas.
A principios del siglo XXI, China desarrolló un intercambiador de calor cerámico, que tiene el mismo proceso de producción que los muebles del horno. Las principales propiedades de aplicación de los materiales utilizados son la conductividad térmica y la resistencia a la oxidación. Este intercambiador de calor funciona colocándolo cerca de la salida de humos, donde las temperaturas son elevadas, sin exponerlo al aire frío ni necesitar protección frente a altas temperaturas.
Cuando la temperatura del horno está entre 1250 y 1450 °C, la temperatura de salida de la chimenea debe ser de 1000 a 1300 °C. El intercambiador de calor cerámico es capaz de recuperar el calor residual hasta 450-750°C. El aire caliente recuperado luego se envía de regreso al horno para mezclarlo con gas combustible para la combustión, lo que resulta en una reducción del 35% al 55% en el uso de energía y la correspondiente reducción en los costos de producción.
El intercambiador de calor cerámico ha demostrado ser una solución valiosa en los casos en que los intercambiadores de calor metálicos están limitados por la corrosión y la resistencia a altas temperaturas. Sus ventajas incluyen buena conductividad térmica, resistencia a altas temperaturas, buena resistencia a la oxidación, resistencia al choque térmico, larga vida útil, bajos requisitos de mantenimiento, rendimiento confiable y operación simple.
Los intercambiadores de calor cerámicos se utilizan ampliamente en una variedad de industrias, incluida la metalúrgica, la metalúrgica, la no ferrosa, la refractaria, la química y la de materiales de construcción, para recuperar el calor residual de los gases de combustión a alta temperatura. Otros tipos de intercambiadores de calor de alta eficiencia que se han vuelto populares en China incluyen intercambiadores de calor de láminas, varios intercambiadores de calor de chorro, intercambiadores de calor de tubos de inserción, intercambiadores de calor de tubos ciclónicos, intercambiadores de calor de tubos con torsión de masa frita, varios intercambiadores de calor combinados, intercambiadores de calor de tubos de gas. e intercambiadores de calor con almacenamiento de calor.
Se espera que el intercambiador de calor regenerativo sea la tendencia de desarrollo técnico para el futuro, ya que puede generar ahorros de energía de más del 30 % cuando la temperatura de emisión de los gases de escape después de la utilización del calor es inferior a 200 °C.
El tubo de calor superconductor es el principal componente de conducción de calor de los sistemas de recuperación de calor residual y ofrece ventajas sobre los intercambiadores de calor tradicionales. La eficiencia del intercambio de calor de los sistemas de recuperación de calor residual con tubos de calor puede alcanzar más del 98%, lo que es inalcanzable con los intercambiadores de calor tradicionales. Además, estos sistemas son más pequeños, sólo 1/3 del tamaño de los intercambiadores de calor comunes.
4. Detección y control térmico
Actualmente, los hornos industriales de nuestro país consumen una gran cantidad de energía y generan importantes residuos. El problema del exceso de coeficiente de aire también es común.
Esto se debe en gran parte a métodos regulatorios obsoletos, la alta intensidad de mano de obra de los trabajadores y la dificultad para mantener las condiciones ideales de combustión.
Por lo tanto, mejorar el nivel de detección y control térmico puede generar importantes ahorros de energía.
La dirección del desarrollo del control automático de hornos industriales es hacia la tecnología avanzada de control automático, particularmente los sistemas de control por microcomputadoras.
Al implementar un sistema de control automático, se puede ahorrar energía mediante la coordinación y el control eficientes y precisos de los sistemas relevantes, como el control preciso de las variables clave del proceso del horno de calentamiento, el control en cascada de temperatura y el flujo de combustible, el control de la proporción de combustible y aire de combustión y Control del contenido de oxígeno en los gases de combustión.
3. Conclusión
En conclusión, la industria de los hornos tiene un amplio margen de crecimiento y mejora en las áreas de eficiencia energética, técnicas de detección térmica y utilización del calor residual en los próximos años.
Aunque el método de equilibrio tradicional probablemente seguirá siendo el método dominante para la detección térmica por ahora, es importante buscar y desarrollar continuamente nuevos métodos.
Además, la transición de los combustibles fósiles a fuentes de energía limpias y renovables como fuente de energía primaria para los hornos industriales y la reducción de las emisiones se convertirá en un área de investigación crucial en el futuro.
