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鋼胚加熱爐的節能減碳

2018-10-15

陳俊達 組長、謝煒東 研究員

中鋼公司綠能與系統整合研究發展處能源開發與應用發展組


鋼胚加熱爐,英文:reheating furnace,顧名思義是用來“再加熱”鋼胚的工業爐,作用類似電鍋將太硬不好咬的冷饅頭炊熱回復到軟嫩可口且方便食用的軟饅頭,將冷鋼胚加熱到軟化溫度(約1100~1200℃以上,視鋼種而定),以便鋼胚再次加工。燃料在加熱爐內與與空氣混合後進行燃燒反應,釋出熱量並產生高溫煙氣,因爐壁具保溫作用,可使爐內保持高溫(約950~1350℃,視鋼種與爐內位置而定),冷鋼胚經輸送裝置持續從入口送進爐內並緩慢移動到出口,鋼胚在移動過程逐漸被加熱烘烤後呈現亮橘色且高溫,並從出口抽出(如圖 1),再送到軋機(鋼鐵的擀麵機)經由鋼輥(類似擀麵棍組合)反覆軋延(把鋼鐵擀薄、擀平),變成鋼板、鋼帶、鋼棒、鋼條等鋼材原材料,供應下游產業生產出家電鋼板、汽車鋼板、起子、板手…等。

 

1 鋼胚由加熱爐內取出的照片[資料來源:世界鋼鐵協會網站]。

 

輸入燃料所釋放的熱量在加熱爐內的典型分配如圖 2,雖然部分熱量被用來加熱鋼胚 (稱為有效熱,約占輸入熱量的30~60%),其他熱量卻隨著燃燒產生的高溫煙氣排出爐外(煙氣熱損失,約占輸入熱量的20~50%),以及爐壁逸散或儲存、及系統冷卻而損失。加熱爐的節能目的就是要提高有效熱的比例,可透過降低各種熱損失或減少所需燃料量來達成。

爐壁逸散或儲存熱量的比例可經由改用熱傳導能力較差與不易蓄積熱量的材料來改善;系統冷卻熱損失,可透過控制冷卻水量,避免提供過多的冷卻水,或是採用汽化冷卻技術,利用水在相變化會吸收大量熱的特點,減少水量並同時產出蒸氣,使加熱爐主要元件在得到冷卻保護的同時也可將熱量再回收利用。煙氣廢熱是加熱爐系統中最大的熱量損失項目,因此對於加熱爐的改善,應首先考量煙氣廢熱的回收。煙氣廢熱主要透過金屬管排製成的空氣預熱器(或稱復熱器),回收約10~30%的煙氣熱能加熱低溫的燃燒空氣,減少所需的燃料量。

2 加熱爐熱量分布示意圖。

 

減少所需燃料量除採用前述回收煙氣廢熱的被動方式外,更積極的方式是在源頭採用如燃燒控制技術或是改進燃燒方式等燃燒技術來達成,從而減少煙氣廢熱量。燃燒控制上,有燃燒過剩空氣比的控制、爐體漏氣的診斷、爐內氣體壓力的控制等,核心觀念是減少燃燒過程中過剩空氣的量,因為多餘的空氣並無法產生熱量,反而會稀釋熱量,並增加廢氣量,促使廢熱量增加,造成加熱爐效率下降。在改進燃燒方式上,主要是透過純氧燃燒或是富氧燃燒,降低燃燒空氣中氮氣的比例,除可有效增強火焰的熱輻射熱傳能力外,更可顯著降低煙氣量及煙氣熱損失。

在未來,加熱爐將結合更先進的燃燒偵測、診斷與控制工具,配合大數據分析,朝智能化的高效率加熱爐發展。