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”

    本報記者 曹琦

    二氧化碳是全球能源生產(chǎn)、工業(yè)制造、交通運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于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(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)和以公路運輸為主的交通結(jié)構(gòu)仍保持著對生態(tài)環(huán)境保護的結(jié)構(gòu)性、根源性和趨勢性壓力。改變當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)和交通運輸結(jié)構(gòu)的直接手段就是堅決遏制“兩高”項目盲目發(fā)展，理性引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)/行業(yè)的綠色低碳升級。為此，生態(tài)環(huán)境部于2021年5月30日發(fā)布的《關(guān)于加強高耗能、高排放建設(shè)項目生態(tài)環(huán)境源頭防控的指導(dǎo)意見》提到必須“嚴(yán)格‘兩高’項目環(huán)評審批”。這對國民經(jīng)濟中非常重要的金屬加工行業(yè)將帶來變革式的深遠影響。

    建筑業(yè)、制造業(yè)與交通運輸業(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”是整個金屬冶煉加工行業(yè)為了按時實現(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)生一個很強的穩(wěn)定磁場。然后用機械抓手加持工件，并在電機的拖動下，使之在磁場里旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生渦流實現(xiàn)對工件的加熱。高效節(jié)能是這種加熱方法的最突出優(yōu)勢。傳統(tǒng)的工頻爐，大量的熱能消耗在產(chǎn)生磁場的銅線圈上，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)生強磁場只消耗些低溫制冷損耗，加上機械傳動損耗在內(nèi)，總損耗不會超過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，和未來的碳排放指標(biāo)。

    另外一個核心優(yōu)勢是超高的透熱深度，感應(yīng)爐的加熱功率正比于磁場和頻率的乘積，由于超導(dǎo)爐的磁場是傳統(tǒng)工頻爐的100倍以上，使得超導(dǎo)爐可以實現(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金屬加熱領(lǐng)域終于找到了一種方法可以對大口徑的金屬進行由心至表的通體同步加熱了。這不僅將為未來整個金屬熱加工品質(zhì)的提升開拓了新計劃。更能實現(xiàn)在不增添加熱設(shè)備功率的情況下，靠調(diào)整工藝實現(xiàn)快速加熱而增加金屬加工產(chǎn)能，這將進一步為企業(yè)節(jié)省碳排放指標(biāo)。

（編輯 張偉）