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超導感應加熱器，顛覆性的高效節能加熱爐助力碳中和

發布時間：2021-09-23瀏覽次數：6283次來源：程序員

二氧化碳是全球能源生產、工業制造、交通運輸和居民生活過程中最重要的排放物。工業革命至今，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，中國有責任也有義務將控制二氧化碳排放納入國家整體的戰略決策。因此，習近平總書記于2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”

目前，我國以重化工為主的產業結構、以煤炭為主的能源結構和以公路運輸為主的交通結構仍保持著對生態環境保護的結構性、根源性和趨勢性壓力。改變當前產業結構、能源結構和交通運輸結構的直接手段就是堅決遏制“兩高”項目盲目發展，理性引導產業/行業的綠色低碳升級。為此，生態環境部于2021年5月30日發布的《關于加強高耗能、高排放建設項目生態環境源頭防控的指導意見》提到必須“嚴格‘兩高’項目環評審批”。這對國民經濟中非常重要的金屬加工行業將帶來變革式的深遠影響。

建筑業、制造業與交通運輸業相互緊密關聯。建筑業需要大量的鋼鐵、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，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的行業。上述提到的高耗能行業均為面臨減產壓力或產量瓶頸壓力。近日內蒙《關于確保完成“十四五”能耗雙控任務若干保障措施》政策發布，帶來內蒙地區2021年起不再審批新的電解鋁產能，銅鉛鋅礦企業及電解鋅冶煉廠被要求當年能耗程度不得超過去年同期能耗水平等政策，這意味著產能產量擴張的道路被停滯。

在這股碳中和的浪潮中，金屬加工企業越來越多地采用具有節能、環保的新技術、新工藝、新設備，電磁感應加熱就是其中之一。電磁感應加熱是繼木材、液化氣、天然氣、柴油燃燒產生熱能加熱及載流電阻熱效應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為了按時實現國家碳中和目標的必經之路。

近20年來，隨著電力半導體功率器件的發展，感應加熱發展十分迅速，工業電阻爐、火焰爐傳統加熱方式將逐步被具有節能、環保、安全并被譽為"綠色加熱"方式的感應加熱所替代。在此領域超導強磁極低頻感應加熱器，作為電感應加熱設備中的“皇冠上的明珠”產品將在這次碳中和的產品變革中快速脫穎而出。

高溫超導感應加熱技術是金屬熱處理領域的變革性技術創新，是金屬熱加工，熱處理領域的一個顛覆性產品。它有望將傳統工頻感應爐的能效轉化率再提升一倍，即碳排放再減一半。另外，傳統工頻爐照比燃燒爐，并沒有解決透熱深度差的問題。工頻感應爐的透熱深度只有7mm。

超導感應加熱的基本原理是，將零電阻的超導導線繞制成磁體，產生一個很強的穩定磁場。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，從而產生渦流實現對工件的加熱。

高效節能是這種加熱方法的最突出優勢。傳統的工頻爐，大量的熱能消耗在產生磁場的銅線圈上，并沒有注入工件體內，因此加熱效率只有不到50%。超導感應加熱，由于其零電阻特性，產生強磁場只消耗些低溫制冷損耗，加上機械傳動損耗在內，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的超導爐可以替代掉傳統2.5兆瓦的工頻爐，一年運行可為客戶節省600萬度電，除此之外，還能節省電力增容費，和未來的碳排放指標。

另外一個核心優勢是超高的透熱深度，感應爐的加熱功率正比于磁場和頻率的乘積，由于超導爐的磁場是傳統工頻爐的100倍以上，使得超導爐可以實現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。這不僅為未來整個金屬熱加工品質的提升開拓了新計劃，更能實現在不增添加熱設備功率的情況下，靠調整工藝實現快速加熱而提升金屬加工產能，進一步為企業節省碳排放指標。

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