熔鋁爐的節(jié)能分析及煙氣的余熱利用

工業(yè)爐窯是我國工業(yè)耗能大戶，對爐窯的節(jié)能控制是國家關(guān)注的重點(diǎn)，也是企業(yè)降低成本的重要內(nèi)容。熔鋁爐是主要工業(yè)爐窯之一，為了達(dá)到節(jié)能和減排的效果，近幾年來蓄熱式燒嘴系統(tǒng)成為熔鋁爐常用配置，使熔煉爐節(jié)能技術(shù)向前邁進(jìn)一步。但我國熔鋁爐熔煉過程中能耗與國外相比仍然有較大差距，本文以23噸燃?xì)馊垆X爐為對象，通過對熔鋁爐節(jié)能減排綜合分析，初步探討熔鋁爐的節(jié)能減排措施;為使燃料燃燒熱量充分利用，提出了一種中低溫余熱利用的裝置和方法。

1、熔煉爐節(jié)能分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)鋁合金熔鑄的綜合能耗高于國外約8%～10%，產(chǎn)品的綜合成品率卻低約10%。因此，提高鋁合金熔煉過程的熱效率，提高鑄件質(zhì)量和成品率，節(jié)約能源資源，已顯得十分迫切和重要，這也是企業(yè)降本增效，增強(qiáng)企業(yè)競爭力的重要手段。因此，有必要對鋁合金熔煉爐的節(jié)能情況和節(jié)能途徑進(jìn)行分析，以尋找節(jié)能方法和措施，提高熔煉爐的熱效率。下面，以XX公司23噸鋁合金熔煉爐為例，分析影響鋁合金熔煉爐節(jié)能效果的因素。

1.1煙氣帶走熱量節(jié)能分析及措施

熔鋁爐的熔煉過程大致可分為4個(gè)階段，即爐料裝入到軟化下榻;軟化下榻至爐料化平;爐料化平到全部熔化;鋁液溫度持續(xù)上升。對鋁料的加熱是通過燒嘴火焰的對流傳熱、火焰和爐墻的輻射傳熱以及鋁料間的傳導(dǎo)熱來完成的。整個(gè)過程中，三者之間比率不斷變化，固態(tài)時(shí)鋁的黑度小，導(dǎo)熱能力強(qiáng)。隨著熔煉的進(jìn)行，爐料進(jìn)入半固態(tài)，導(dǎo)熱能力下降，熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本的變化。液態(tài)鋁的導(dǎo)熱能力僅為固態(tài)鋁的40%，熔池上部向底部的傳導(dǎo)傳熱過程十分緩慢。

對于火焰反射爐來講，在鋁的熔化期，爐內(nèi)溫度一般控制在1100℃-1200℃，此時(shí)的出爐煙氣溫度即為爐內(nèi)氣氛溫度，經(jīng)計(jì)算，煙氣帶走的熱量約占爐子熱負(fù)荷的60%左右，如果不充分利用這部分余熱，將造成巨大的熱能損失，同時(shí)帶來周圍環(huán)境的熱污染和煙氣污染。因此，應(yīng)充分利用熱傳導(dǎo)和煙氣余熱，減少排放煙氣帶走熱量，實(shí)現(xiàn)熔鋁爐的節(jié)能，具體措施可采取：

1)采用高速均勻化燒嘴，對爐料進(jìn)行噴射加熱，改善爐內(nèi)空氣循環(huán)，強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱;高速噴嘴使燃?xì)猥@得充分燃燒，提高了燃燒值，減少了燃料的損失，提高了熱效率。

2)采用蓄熱式高溫?zé)煔馊紵夹g(shù)和余熱梯級(jí)利用技術(shù)，充分利用煙氣余熱，提高風(fēng)溫，減少熱量損失。目前，蓄熱式熔鋁爐已經(jīng)得到一定規(guī)模應(yīng)用，研究表明，采用蓄熱式熔鋁爐可節(jié)能60%，極大提高熔鋁爐的熱效率。余熱梯級(jí)技術(shù)利用可使煙氣排放溫度達(dá)到150℃左右，減少了熱損失。

1.2過量空氣系數(shù)控制節(jié)能分析

過量空氣系數(shù)指輸送入爐膛的助燃空氣量與理論燃燒需要的空氣量的比值。在燃料流量一定的情況下，過量空氣系數(shù)過大，將導(dǎo)致大量空氣未參與燃燒進(jìn)入爐膛，這些空氣將降低爐溫，隨煙氣攜帶走大量的熱量，導(dǎo)致熔鋁爐能耗較高。

經(jīng)計(jì)算，在650℃排煙溫度條件下，當(dāng)過量空氣系數(shù)等于1時(shí)，即沒有大量未參與燃燒空氣情況下，排氣熱損失在30%左右，而在同等排煙溫度時(shí)，如果過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)，則排氣熱損失達(dá)到41%。由此可見，控制過量空氣系數(shù)對提高熱效率具有重大意義。

當(dāng)然，過量空氣系數(shù)也不能小于1，否則會(huì)造成燃料不完全燃燒，燃料的化學(xué)熱不能充分釋放出來，而損失大量能量。同時(shí)，由于燃料的不完全燃燒，還會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，污染環(huán)境。

在實(shí)際生產(chǎn)中，燒嘴燃料量不是一成不變的，這就要求助燃空氣量要隨著燃料量的波動(dòng)而調(diào)整，否則，不是導(dǎo)致排煙中含有可燃?xì)怏w，就是導(dǎo)致排煙中含有大量空氣，影響熔鋁爐的節(jié)能效果，甚至帶來安全隱患。為實(shí)現(xiàn)過量空氣系數(shù)可控，可采取以下措施：

1)精確測定燃料流量流速，實(shí)現(xiàn)流量流速的快速精確控制，保持燃料流速的穩(wěn)定。

2)安裝煙氣分析儀和反饋裝置，測量煙氣成分，并將信息即時(shí)反饋給主機(jī)，進(jìn)行助燃空氣流量控制，使過量空氣系數(shù)為1-1.05，確保熔鋁爐處于最佳燃燒工作狀態(tài)。

3)改善燒嘴處燃料噴出狀態(tài)，使燃料成霧化分散噴出，從而助燃空氣量理論值和實(shí)際值更接近。

1.3爐壁爐門節(jié)能分析及措施

在熔鋁爐的熱損失途徑中，爐壁爐門散熱損失是僅次于排煙煙氣的熱損失，約著熔煉過程熱損失的15%-25%，特別是出料口、爐門等處的漏熱非常大。盡管高溫鋁液本身的發(fā)射率較低，但是鋁液上面漂浮的一層氧化物發(fā)射率較高，況且輻射換熱與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，因此，爐壁爐門熱損失特別大。另外，個(gè)別耐火材料和保溫介質(zhì)破損地方往往引起局部漏熱，導(dǎo)致爐內(nèi)熱量散失。

因此，為減少爐料爐門的熱損失，提高熱效率，可采取如下措施：

1)在爐門和取料口處采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的反射罩結(jié)構(gòu)，起到遮熱板的作用，防止熱量的大量散失。

2)采用封閉式電磁攪拌技術(shù)進(jìn)行熔液的溫度均勻化和成分均勻化，減少熔煉過程中爐門開啟時(shí)間，減少熱損失。

3)采用短流程熔鑄工藝，流槽內(nèi)鋪墊保溫介質(zhì)，減少取料口和輸送過程中鋁液熱損失。

4)定期檢查爐壁，避免爐壁局部破損，引起漏熱;或者安裝熱成像儀，對爐壁溫度進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)修補(bǔ)引起漏熱的爐壁。

5)爐壁爐門采用絕熱或隔熱性能好的材料。

1.4爐溫均勻性對熔鋁爐節(jié)能影響及措施

在大型熔鋁爐中，爐溫分布不均勻會(huì)導(dǎo)致鋁液燒損，煙氣中氧化鋁含量增加，煙氣排放溫度升高，同時(shí)爐膛內(nèi)高溫區(qū)可能使?fàn)t壁溫度超限，縮短熔煉爐壽命。由于爐內(nèi)溫度不均，亦造成爐壁爐門熱損失增大，消耗更多能量。為減少爐溫不均造成的影響，可采取如下措施：

1)合理設(shè)計(jì)燒嘴噴射的角度，防止出現(xiàn)升溫死角。一般情況下，圓形熔鋁爐內(nèi)氣氛流動(dòng)均勻，不容易出現(xiàn)升溫死角;方形熔鋁爐由于結(jié)構(gòu)的限制，在四角處容易出現(xiàn)升溫死角。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)燒嘴噴射角度，增加爐內(nèi)氣氛流動(dòng)性，分散受熱面積，使?fàn)t內(nèi)溫度場均勻化。

2)鋁熔平后進(jìn)行適當(dāng)電磁攪拌，讓鋁液在爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)紊流，進(jìn)行熱對流，實(shí)現(xiàn)鋁液溫度的均勻化和成分均勻化，減少局部過熱。

1.5爐渣節(jié)能分析及措施

作為鋁合金熔煉時(shí)的雜質(zhì)，爐渣是必須與鋁液分離的，生成爐渣的因素很多(包括氧化燒損，爐內(nèi)雜質(zhì)等)，因爐渣帶造成的熱損失約占鋁熔爐熱損失5%左右，由于這些熱損失主要由爐渣帶走的熱和扒渣時(shí)散失熱組成，因此，為減少這部分熱損失，一方面要減少爐渣的生成量，通過減少氧化燒損，采用純凈原材料，降低爐門打開頻次，改善爐內(nèi)氣氛等措施減少爐渣生產(chǎn)量。另一方面要減少扒渣時(shí)間，減少熱損失。通過合理設(shè)計(jì)抄灰房位置，使用專用扒渣工具來減少扒渣時(shí)間。

根據(jù)以上分析，某公司，通過采用陶瓷球式蓄熱式系統(tǒng)、電磁攪拌短流程熔鑄工藝、高速均勻化燒嘴、反射罩式爐門、定期檢查爐膛、使用專用扒渣工具等裝置或措施，使鋁合金熔煉爐節(jié)能約65%，排煙溫度降低到500℃左右，減少了熱量損失和污染物排放，降低了生產(chǎn)成本。

2蓄熱式熔鋁爐中低溫?zé)煔庥酂崂?/p>

由上文所述可知，盡管熔鋁爐采用蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)，但熔鋁爐排煙溫度仍然達(dá)到500℃左右，其蘊(yùn)藏的潛熱仍然具有巨大的利用價(jià)值。

為了充分利用熔鋁爐煙氣中的余熱，根據(jù)煙道結(jié)構(gòu)和行走路徑，設(shè)計(jì)了一種余熱利用的新裝置，通過熱交換，將煙氣余熱傳導(dǎo)到純水中，該方法不增加排煙阻力，可使排煙溫度降低到150℃左右，該余熱利用裝置如圖所示：

圖1熔鋁爐煙氣余熱利用示意圖

由圖1可知，熔鋁爐內(nèi)煙氣經(jīng)蓄熱裝置后，由引風(fēng)機(jī)1引出進(jìn)入煙道中，在引風(fēng)機(jī)1和引風(fēng)機(jī)2間的煙道上設(shè)置有熱交換器，在熱交換器前設(shè)置溢流閥，溢流閥由彈簧控制;在熱交換器一側(cè)設(shè)置有溢流管道，用于控制煙道內(nèi)氣壓。

使用此余熱利用裝置，在不增加煙道內(nèi)氣壓的情況下，通過熱交換器內(nèi)不同介質(zhì)的熱交換，實(shí)現(xiàn)中低溫?zé)煔獾挠酂崂谩?/p>

3結(jié)束語

隨著我國鋁工業(yè)的飛速發(fā)展，鋁材產(chǎn)量也由2010年的2026萬噸升至2016年的5785.9萬噸;但鋁加工行業(yè)屬于高耗能行業(yè)，隨著我國環(huán)境狀況的進(jìn)一步惡化，節(jié)能減排也成為企業(yè)發(fā)展應(yīng)有之義。同時(shí)，由于我國鋁型材產(chǎn)能的進(jìn)一步擴(kuò)大，鋁型材產(chǎn)能已呈現(xiàn)過剩之勢，鋁型材企業(yè)間的競爭壓力越來越大。通過采取有效節(jié)能技術(shù)和措施，一方面可以響應(yīng)國家號(hào)召，提升企業(yè)發(fā)展的技術(shù)水平;另一方面可以有效降低企業(yè)成本，提高鋁型材企業(yè)的競爭力。