陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司裝備制造管理局 （山西 045000） 王玉山

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） （北京 100083） 李躍軍

一、前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)崛起，裝備制造業(yè)不斷發(fā)展壯大，基礎(chǔ)工業(yè)中能源利用與環(huán)境污染的矛盾日益凸顯。鍛造業(yè)是機(jī)械裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)工業(yè)之一，恰恰又是高耗能、高排放行業(yè)，完全取消會(huì)使裝備制造企業(yè)在鍛件需求方面受到市場(chǎng)的很大制約，是不現(xiàn)實(shí)的。只有加強(qiáng)對(duì)鍛造業(yè)的控制與管理才能取得能源利用與低碳環(huán)保之間的平衡。

鍛造業(yè)常用設(shè)備有電液錘、蒸空錘、空氣錘、壓力機(jī)、操作機(jī)、加熱爐等。其中，蒸空錘與燃煤加熱爐高耗能、高排放、效率低，與當(dāng)今要求節(jié)能減排、崇尚低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景格格不入。對(duì)鍛造業(yè)節(jié)能減排管理與控制必須從這兩個(gè)方面入手。

1841年，英國(guó)人發(fā)明了蒸汽錘，到現(xiàn)在已有170多年歷史，蒸汽錘的結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)落后于時(shí)代，其缺點(diǎn)日漸顯著。早先，蒸汽錘動(dòng)能來(lái)自蒸汽，這就需要工廠配備鍋爐提供蒸汽，期間需要使用大量的煤，造成巨大的空氣、環(huán)境污染，并且蒸汽壓力經(jīng)常由于環(huán)境溫度原因造成鍋爐供汽不穩(wěn)而受到制約，壓力達(dá)不到額定數(shù)值，打擊力不夠，直接影響生產(chǎn)。蒸汽中的水分再加上蒸汽溫度較高，導(dǎo)致設(shè)備泄漏嚴(yán)重，而且無(wú)法徹底根治，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)環(huán)境。另外，蒸汽錘只利用蒸汽壓力和流量來(lái)做功，熱能白白地浪費(fèi)，壓力和流量只做一次功就排空，不能回收，能源利用率極低，僅有1%～3%。

隨著科技的發(fā)展，有了空壓機(jī)，部分蒸汽錘的工作介質(zhì)由蒸汽變?yōu)榭諝猓諌簷C(jī)倒是可以源源不斷地供應(yīng)充足的壓力空氣，但噪聲大，功率大導(dǎo)致電能損耗大，加上鍛錘漏風(fēng)，能源利用率也不高，造成鍛件成本很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍛造車間每噸鍛錘大約需要容積20m3/min空氣壓縮機(jī)，是車間里主要的噪聲源和能耗源。據(jù)測(cè)試，空壓機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，所輻射出的噪聲可達(dá)92dB。一臺(tái)320kW空壓機(jī)每小時(shí)耗電320kW·h，按每天工作6h計(jì)，日耗1920kW·h，按工業(yè)用電0.80元/kW·h計(jì)算，每日僅此項(xiàng)電費(fèi)就達(dá)1536元，每月按20天工作日計(jì)，耗費(fèi)30 720元。

加熱爐方面，中小型鍛造企業(yè)一般配備3臺(tái)加熱爐。若是3臺(tái)燃煤鍛造加熱爐，則要用優(yōu)質(zhì)煤作為燃料，能耗相當(dāng)高，燃燒過(guò)程不易控制，爐溫波動(dòng)大（20～40℃），熱效率偏低，僅為5%～15%，余熱不能有效利用。不僅加熱溫度不均勻，不能保證鍛坯加熱質(zhì)量，且產(chǎn)生大量污染物，嚴(yán)重污染環(huán)境：SO2排放超標(biāo)，每噸煤燃燒時(shí)，產(chǎn)生2.6t CO2氣體，釋放出的粉塵、飛灰為6～11kg，另外還有大量有害氣體，危害環(huán)境及人體健康。這些均不適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的要求，企業(yè)要想生存發(fā)展，必須加以徹底解決。

因此，我們下大力氣通過(guò)技術(shù)改造，對(duì)鍛造業(yè)節(jié)能減排進(jìn)行了有效的控制與管理。

二、設(shè)備技術(shù)改造

1.蒸空錘的技術(shù)改造

將所有蒸空錘改為能耗低、效率高的電液錘。因電液錘主要工作部件是動(dòng)力頭，也稱連缸梁，其結(jié)構(gòu)為氣、液、缸一體式，活塞錘桿是個(gè)整體，錘桿連著錘頭，如附圖所示。以錘桿活塞隔開(kāi)缸體，活塞錘桿上腔為封閉的高壓氣體（氮?dú)猓?，下腔為液壓油。工作原理稱為“放油式打擊”，即通過(guò)對(duì)下腔的進(jìn)出油進(jìn)行控制，進(jìn)油活塞錘桿抬起，上腔氣體受壓蓄能；出油，上腔氣體釋放能量，完成打擊。也就是所謂的“液壓蓄能、氣壓驅(qū)動(dòng)”。 液壓系統(tǒng)采用液壓泵—蓄能器—卸荷閥（二級(jí)閥）組成的組合傳動(dòng)恒壓液源，既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，不損失能量，又降低了裝機(jī)容量。改造時(shí)，只將控制錘桿上下運(yùn)動(dòng)的氣缸滑閥改為動(dòng)力頭，保留原來(lái)可用的機(jī)身等所有部件，改造費(fèi)用是新購(gòu)相應(yīng)設(shè)備6%左右。

電液錘工作原理

2.燃煤加熱爐技術(shù)改造

我國(guó)機(jī)械工業(yè)的鍛造能力已具備一定規(guī)模，年產(chǎn)量?jī)H次于日本、美國(guó)、俄羅斯，居世界第四位。在我國(guó)使用的鍛造加熱爐中，以煤為燃料的鍛造加熱爐超過(guò)一半占55%（其他油爐、煤氣爐、電爐分別占到33%、10%、2%），熱效率低、能耗大，污染嚴(yán)重，調(diào)整鍛造加熱爐的燃料結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。

我公司地處高瓦斯煤礦，煤礦瓦斯氣（煤層氣）儲(chǔ)量豐富，使用成本較低，充分燃燒后污染物排放較少，便于控制，是一種潔凈方便的能源，既可以作為民用、工業(yè)燃料，也可作為化工原料。以燃?xì)獯嫒济涸阱懺旒訜嶂惺且环N必然趨勢(shì)，而煤礦瓦斯氣作為一種價(jià)格相對(duì)比較低廉的燃?xì)飧哂袃?yōu)勢(shì)。煤礦瓦斯氣不但儲(chǔ)量豐富且已經(jīng)形成較為成熟、較大規(guī)模的抽放、貯存、輸配系統(tǒng)。采用煤礦瓦斯氣作為鍛造加熱爐的燃料對(duì)鍛坯進(jìn)行加熱，取代原來(lái)能耗高、污染大的燃煤鍛造爐是我們技改的最佳選擇。但是，煤礦瓦斯氣燃燒熱值低，流量和濃度不穩(wěn)定，很難達(dá)到1250℃左右的鍛造溫度。我們通過(guò)大量分析、研究、試驗(yàn)，最終采取了高效蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和保溫隔熱措施相結(jié)合的方案，成功地實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯氣在鍛造加熱爐中的應(yīng)用。

三、技改效能分析

通過(guò)設(shè)備技術(shù)改造后，效果如何，我們可通過(guò)計(jì)算加以詳細(xì)分析。

1.蒸空錘技改效能分析

以2t自由鍛錘為例，若采用蒸汽為介質(zhì)，每小時(shí)消耗飽和蒸汽12t，每噸蒸汽單價(jià)87元，每天工作6h，一個(gè)月按20個(gè)工作日，所耗的動(dòng)能費(fèi)用為12.528萬(wàn)元；改電液錘后使用2臺(tái)45kW電動(dòng)機(jī)，工業(yè)用電按0.80元/kW·h計(jì)，每月用電費(fèi)用為8640元。

按每千克蒸汽折合標(biāo)煤0.129kg，每千瓦時(shí)電折合標(biāo)煤0.404kg，蒸汽錘與電液錘費(fèi)用比值為14.5，蒸汽錘與電液錘的熱能比值為3.55（減排約72%）。

若采用空氣介質(zhì)，需配2臺(tái)L8-60/8型空壓機(jī)，單臺(tái)電機(jī)功率為320kW，改造為電液錘后的設(shè)備整體容量為90kW，按每天工作6h、每月工作20天，電費(fèi)為0.80元/kWh計(jì)，每月空壓機(jī)用電費(fèi)用6.144萬(wàn)元，每月電液錘用電費(fèi)用8640元，空壓機(jī)與電液錘的費(fèi)用比值為7.1，改造費(fèi)用為32萬(wàn)元，一年節(jié)省電費(fèi)為63.36萬(wàn)元。

電液錘用液壓油和氮?dú)夤灿?jì)20萬(wàn)元，且可重復(fù)使用，從分析可看出，第一年就收回改造成本還有盈余11.36萬(wàn)元，以后每年可節(jié)省費(fèi)用約60余萬(wàn)元，減排72%。以上是2t自由鍛錘技改的效能分析，模鍛錘技改效能，可對(duì)電液模鍛錘動(dòng)力頭與蒸空兩用模鍛錘的能耗進(jìn)行對(duì)比分析，如附表所示。

電液模鍛錘動(dòng)力頭與蒸空兩用模鍛錘的能耗對(duì)比表

2.燃煤加熱爐技改效能分析

（1）燃?xì)饧訜釥t的技術(shù)效能優(yōu)勢(shì) ①用煤礦瓦斯氣作為鍛造加熱爐燃?xì)?，合理利用了地區(qū)資源。②創(chuàng)造性地在煤礦瓦斯氣加熱爐中采用高效蓄熱式燃燒技術(shù)。③針對(duì)煤礦瓦斯氣特性，安裝特制防爆裝置，做到安全生產(chǎn)。④自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了爐溫精確控制，鍛坯加熱時(shí)間縮短，加熱溫度均勻，氧化燒損率降低，質(zhì)量顯著提高。⑤降低了污染物排放量，減小了對(duì)空氣污染，保護(hù)了環(huán)境。⑥采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與控制自動(dòng)化，提高了熱工控制水平，改善了操作環(huán)境，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。⑦煙囪出口煙氣排放溫度降至130℃左右，高于煙氣露點(diǎn)，余熱回收充分。節(jié)能效果顯著，比常規(guī)加熱爐節(jié)能30%～40%。

（2）燃?xì)饧訜釥t的主要技術(shù)性能指標(biāo) ①加熱溫度可達(dá)1250℃，滿足普通碳素鋼鍛造加熱溫度的需求，爐溫可精確控制至±10℃，降低氧化燒損率，煙囪出口的煙氣排放溫度130℃左右，余熱回收充分。②煙塵排放濃度13.18mg/m3，SO2排放濃度49.3mg/m3，氮氧化物排放濃度77.5mg/m3，廢氣排放全都優(yōu)于GB9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

（3）燃?xì)饧訜釥t的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析 第一，直接經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，燃煤加熱爐加熱鍛坯成本每噸約800元，現(xiàn)在使用煤礦瓦斯氣后，成本為213元/t。以每臺(tái)瓦斯?fàn)t每月加熱鍛件65t計(jì)算，一臺(tái)爐一年可降低成本45.786萬(wàn)元。

第二，間接經(jīng)濟(jì)效益。瓦斯鍛造加熱爐是在貧氧狀態(tài)下彌散燃燒，可降低被加熱金屬的氧化燒損。由于燃燒過(guò)程可控，因而爐溫分布均勻，加熱質(zhì)量大幅改善，產(chǎn)品合格率大幅提高。燃煤鍛造加熱爐由于爐溫不易控制，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，既浪費(fèi)了材料，又影響了工期，對(duì)企業(yè)的聲譽(yù)也造成負(fù)面影響。另外，使用瓦斯鍛造加熱爐以后，點(diǎn)爐的時(shí)間由原來(lái)的2～3h縮短到現(xiàn)在的10min左右。產(chǎn)品加熱質(zhì)量及材料利用率的提高、輔助加熱時(shí)間的縮短客觀上都降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的利潤(rùn)空間，實(shí)現(xiàn)了效益更大化。

第三，社會(huì)效益。①降低了排放，減小了污染，保護(hù)了環(huán)境。煤礦瓦斯氣在鍛造爐中燃燒比較完全，減少了CO2、SO2排放；在燃燒過(guò)程中，由于采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，燃?xì)庠谪氀鯛顟B(tài)下彌散燃燒，沒(méi)有火焰中心，爐內(nèi)NOx生成物大大減少，NOx排放量降低至100×10-6以下（比較以煤作燃料的鍛造爐，減少氮氧化物排放量30%～40%），完全達(dá)到國(guó)家級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。②勞動(dòng)強(qiáng)度降低。采用煤礦瓦斯氣鍛造爐加熱技術(shù)后，燃燒采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)與控制自動(dòng)化。操作人員在控制室就可以完成點(diǎn)火、加熱等基本操作。爐膛溫度、排煙溫度都不需要人工采集，大幅降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了熱輻射對(duì)操作人員的傷害。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，裝備制造業(yè)中的鍛造企業(yè)通過(guò)成功的技術(shù)改造，可以取得效益與環(huán)境的雙贏，只有走科技創(chuàng)新之路，再加上科學(xué)的管理，才能有企業(yè)生存和可持續(xù)發(fā)展的廣闊前途。

（20130822）