熔鋁爐的節能分析及煙氣的余熱利用

　　工業爐窯是我國工業耗能大戶，對爐窯的節能控制是國家關注的重點，也是企業降低成本的重要內容。熔鋁爐是主要工業爐窯之一，為了達到節能和減排的效果，近幾年來蓄熱式燒嘴系統成為熔鋁爐常用配置，使熔煉爐節能技術向前邁進一步。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噸燃氣熔鋁爐為對象，通過對熔鋁爐節能減排綜合分析，初步探討熔鋁爐的節能減排措施；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、熔煉爐節能分析

　　據統計，國內鋁合金熔鑄的綜合能耗高于國外約8%～10%，產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，提高鑄件質量和成品率，節約能源資源，已顯得十分迫切和重要，這也是企業降本增效，增強企業競爭力的重要手段。因此，有必要對鋁合金熔煉爐的節能情況和節能途徑進行分析，以尋找節能方法和措施，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能效果的因素。

　　1.1煙氣帶走熱量節能分析及措施

　　熔鋁爐的熔煉過程大致可分為4個階段，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熱來完成的。整個過程中，三者之間比率不斷變化，固態時鋁的黑度小，導熱能力強。隨著熔煉的進行，爐料進入半固態，導熱能力下降，熱力學性質發生了根本的變化。液態鋁的導熱能力僅為固態鋁的40%，熔池上部向底部的傳導傳熱過程十分緩慢。

　　對于火焰反射爐來講，在鋁的熔化期，爐內溫度一般控制在1100℃-1200℃，此時的出爐煙氣溫度即為爐內氣氛溫度，經計算，煙氣帶走的熱量約占爐子熱負荷的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，同時帶來周圍環境的熱污染和煙氣污染。因此，應充分利用熱傳導和煙氣余熱，減少排放煙氣帶走熱量，實現熔鋁爐的節能，具體措施可采取：

　　1)采用高速均勻化燒嘴，對爐料進行噴射加熱，改善爐內空氣循環，強化爐內傳熱；高速噴嘴使燃氣獲得充分燃燒，提高了燃燒值，減少了燃料的損失，提高了熱效率。

　　2)采用蓄熱式高溫煙氣燃燒技術和余熱梯級利用技術，充分利用煙氣余熱，提高風溫，減少熱量損失。目前，蓄熱式熔鋁爐已經得到一定規模應用，研究表明，采用蓄熱式熔鋁爐可節能60%，極大提高熔鋁爐的熱效率。余熱梯級技術利用可使煙氣排放溫度達到150℃左右，減少了熱損失。

　　1.2過量空氣系數控制節能分析

　　過量空氣系數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，過量空氣系數過大，將導致大量空氣未參與燃燒進入爐膛，這些空氣將降低爐溫，隨煙氣攜帶走大量的熱量，導致熔鋁爐能耗較高。

　　經計算，在650℃排煙溫度條件下，當過量空氣系數等于1時，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，如果過量空氣系數為1.5時，則排氣熱損失達到41%。由此可見，控制過量空氣系數對提高熱效率具有重大意義。

　　當然，過量空氣系數也不能小于1，否則會造成燃料不完全燃燒，燃料的化學熱不能充分釋放出來，而損失大量能量。同時，由于燃料的不完全燃燒，還會產生有毒有害氣體，污染環境。

　　在實際生產中，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而調整，否則，不是導致排煙中含有可燃氣體，就是導致排煙中含有大量空氣，影響熔鋁爐的節能效果，甚至帶來安全隱患。為實現過量空氣系數可控，可采取以下措施：

　　1)精確測定燃料流量流速，實現流量流速的快速精確控制，保持燃料流速的穩定。

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

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

　　1.3爐壁爐門節能分析及措施

　　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射率較低，但是鋁液上面漂浮的一層氧化物發射率較高，況且輻射換熱與熱力學溫度的四次方成正比，因此，爐壁爐門熱損失特別大。另外，個別耐火材料和保溫介質破損地方往往引起局部漏熱，導致爐內熱量散失。

　　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化設計的反射罩結構，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進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間，減少熱損失。

　　3)采用短流程熔鑄工藝，流槽內鋪墊保溫介質，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，對爐壁溫度進行監控，及時修補引起漏熱的爐壁。

　　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能影響及措施

　　在大型熔鋁爐中，爐溫分布不均勻會導致鋁液燒損，煙氣中氧化鋁含量增加，煙氣排放溫度升高，同時爐膛內高溫區可能使爐壁溫度超限，縮短熔煉爐壽命。由于爐內溫度不均，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)合理設計燒嘴噴射的角度，防止出現升溫死角。一般情況下，圓形熔鋁爐內氣氛流動均勻，不容易出現升溫死角；方形熔鋁爐由于結構的限制，在四角處容易出現升溫死角。因此，應合理設計燒嘴噴射角度，增加爐內氣氛流動性，分散受熱面積，使爐內溫度場均勻化。

　　2)鋁熔平后進行適當電磁攪拌，讓鋁液在爐內實現紊流，進行熱對流，實現鋁液溫度的均勻化和成分均勻化，減少局部過熱。

　　1.5爐渣節能分析及措施

　　作為鋁合金熔煉時的雜質，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，爐內雜質等)，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，改善爐內氣氛等措施減少爐渣生產量。另一方面要減少扒渣時間，減少熱損失。通過合理設計抄灰房位置，使用專用扒渣工具來減少扒渣時間。

　　根據以上分析，某公司，通過采用陶瓷球式蓄熱式系統、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，降低了生產成本。

　　2、蓄熱式熔鋁爐中低溫煙氣余熱利用

　　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，但熔鋁爐排煙溫度仍然達到500℃左右，其蘊藏的潛熱仍然具有巨大的利用價值。

　　為了充分利用熔鋁爐煙氣中的余熱，根據煙道結構和行走路徑，設計了一種余熱利用的新裝置，通過熱交換，將煙氣余熱傳導到純水中，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：

　　微信圖片_20200306084156.jpg

　　圖1熔鋁爐煙氣余熱利用示意圖

　　由圖1可知，熔鋁爐內煙氣經蓄熱裝置后，由引風機1引出進入煙道中，在引風機1和引風機2間的煙道上設置有熱交換器，在熱交換器前設置溢流閥，溢流閥由彈簧控制；在熱交換器一側設置有溢流管道，用于控制煙道內氣壓。

　　使用此余熱利用裝置，在不增加煙道內氣壓的情況下，通過熱交換器內不同介質的熱交換，實現中低溫煙氣的余熱利用。

　　3、結束語

　　隨著我國鋁工業的飛速發展，鋁材產量也由2010年的2026萬噸升至2016年的5785.9萬噸；但鋁加工行業屬于高耗能行業，隨著我國環境狀況的進一步惡化，節能減排也成為企業發展應有之義。同時，由于我國鋁型材產能的進一步擴大，鋁型材產能已呈現過剩之勢，鋁型材企業間的競爭壓力越來越大。通過采取有效節能技術和措施，一方面可以響應國家號召，提升企業發展的技術水平；另一方面可以有效降低企業成本，提高鋁型材企業的競爭力。