超導(dǎo)感應(yīng)加熱器：顛覆性的高效節(jié)能加熱爐助力“碳中和”

    本報(bào)記者 曹琦

    二氧化碳是全球能源生產(chǎn)、工業(yè)制造、交通運(yùn)輸和居民生活過程中最重要的排放物。工業(yè)革命至今，大氣中二氧化碳的濃度增加了近50%（280ppm到415ppm），這也帶來了全球平均氣溫升高、生態(tài)氣候異常等一系列問題。作為世界上最大的碳排放國，中國有責(zé)任也有義務(wù)將控制二氧化碳排放納入國家整體的戰(zhàn)略決策中去，才有了二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)。

    目前，我國以重化工為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和以公路運(yùn)輸為主的交通結(jié)構(gòu)仍保持著對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的結(jié)構(gòu)性、根源性和趨勢(shì)性壓力。改變當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的直接手段就是堅(jiān)決遏制“兩高”項(xiàng)目盲目發(fā)展，理性引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)/行業(yè)的綠色低碳升級(jí)。為此，生態(tài)環(huán)境部于2021年5月30日發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)高耗能、高排放建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見》提到必須“嚴(yán)格‘兩高’項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批”。這對(duì)國民經(jīng)濟(jì)中非常重要的金屬加工行業(yè)將帶來變革式的深遠(yuǎn)影響。

    建筑業(yè)、制造業(yè)與交通運(yùn)輸業(yè)相互緊密關(guān)聯(lián)。建筑業(yè)需要大量的鋼鐵、有色金屬、水泥、玻璃等等，以及運(yùn)輸能耗。而礦山采選、有色與黑色金屬冶煉與延壓加工為能耗較高的制造業(yè)，包括粗鋼、電解鋁，含鎳生鐵，銅鉛鋅，水泥等大量使用煤電及使用焦煤焦炭生產(chǎn)的行業(yè)。上述提到的高耗能行業(yè)均為面臨減產(chǎn)壓力或產(chǎn)量瓶頸壓力。近日內(nèi)蒙古《關(guān)于確保完成“十四五”能耗雙控任務(wù)若干保障措施》政策發(fā)布，帶來內(nèi)蒙古地區(qū)2021年起不再審批新的電解鋁產(chǎn)能，銅鉛鋅礦企業(yè)及電解鋅冶煉廠被要求當(dāng)年能耗程度不得超過去年同期能耗水平等政策，這意味著產(chǎn)能產(chǎn)量擴(kuò)張的道路被停滯。

    記者注意到，在這股碳中和的浪潮中，金屬加工企業(yè)越來越多地采用具有節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，電磁感應(yīng)加熱就是其中之一。電磁感應(yīng)加熱是繼木材、液化氣、天然氣、柴油燃燒產(chǎn)生熱能加熱及載流電阻熱效應(yīng)直接加熱方式的重大變革。以“電”代“燃”是整個(gè)金屬冶煉加工行業(yè)為了按時(shí)實(shí)現(xiàn)國家碳中和目標(biāo)的必經(jīng)之路。

    近20年來，隨著電力半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱發(fā)展十分迅速，工業(yè)電阻爐、火焰爐傳統(tǒng)加熱方式將逐步被具有節(jié)能、環(huán)保、安全并被譽(yù)為"綠色加熱"方式的感應(yīng)加熱所替代。在此領(lǐng)域超導(dǎo)強(qiáng)磁極低頻感應(yīng)加熱器，作為電感應(yīng)加熱設(shè)備中的“皇冠上的明珠”產(chǎn)品將在這次碳中和的產(chǎn)品變革中快速脫穎而出。

    超導(dǎo)感應(yīng)加熱的基本原理是將零電阻的超導(dǎo)導(dǎo)線繞制成磁體，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的穩(wěn)定磁場(chǎng)。然后用機(jī)械抓手加持工件，并在電機(jī)的拖動(dòng)下，使之在磁場(chǎng)里旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生渦流實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加熱。高效節(jié)能是這種加熱方法的最突出優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的工頻爐，大量的熱能消耗在產(chǎn)生磁場(chǎng)的銅線圈上，并沒有注入工件體內(nèi)，因此加熱效率只有不到50%。超導(dǎo)感應(yīng)加熱，由于其零電阻特性，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)只消耗些低溫制冷損耗，加上機(jī)械傳動(dòng)損耗在內(nèi)，總損耗不會(huì)超過20%，因此可以將加熱能效大幅提升到80%以上。這就意味著一臺(tái)1mw的超導(dǎo)爐可以替代掉傳統(tǒng)2.5兆瓦的工頻爐，一年運(yùn)行可為客戶節(jié)省600萬度電，除此之外，還能節(jié)省電力增容費(fèi)，和未來的碳排放指標(biāo)。

    另外一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)是超高的透熱深度，感應(yīng)爐的加熱功率正比于磁場(chǎng)和頻率的乘積，由于超導(dǎo)爐的磁場(chǎng)是傳統(tǒng)工頻爐的100倍以上，使得超導(dǎo)爐可以實(shí)現(xiàn)5Hz左右的極低頻的加熱。透熱深度從7mm增加到200mm。這就意味著在人類的整個(gè)金屬加熱領(lǐng)域終于找到了一種方法可以對(duì)大口徑的金屬進(jìn)行由心至表的通體同步加熱了。這不僅將為未來整個(gè)金屬熱加工品質(zhì)的提升開拓了新計(jì)劃。更能實(shí)現(xiàn)在不增添加熱設(shè)備功率的情況下，靠調(diào)整工藝實(shí)現(xiàn)快速加熱而增加金屬加工產(chǎn)能，這將進(jìn)一步為企業(yè)節(jié)省碳排放指標(biāo)。

（編輯 張偉）