張佳男， 陳 波， 張旭偉， 楊 曉

(西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院, 四川 成都 610500)

0 前言

熔鋁爐是鋁加工過程的主要熔煉設(shè)備，其作用是熔化鋁料，使其質(zhì)量均勻并達(dá)到一定化學(xué)成分要求，為鑄造及其他加工過程提供合格的鋁液。熔鋁爐的能耗約占鋁加工廠總能耗的40%以上[1-2]。因此，提高熔鋁爐的燃燒技術(shù)水平對降低鋁加工能耗、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益及實現(xiàn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略均具有重大意義。

早期的熔鋁爐為了減少煙氣帶走的熱量，在排煙管道上安裝熱量回收裝置即空氣換熱器，使助燃空氣預(yù)熱到一定的溫度后參與燃燒。根據(jù)工業(yè)爐熱工原理，助燃空氣溫度每升高100 ℃，可節(jié)省燃料約5%，或者煙氣溫度每降低100 ℃，可節(jié)省燃料5.5%，但經(jīng)過換熱器后煙氣的排放溫度仍在500 ℃以上[3]。20世紀(jì)70年代能源危機后，蓄熱式燃燒技術(shù)在加熱爐上得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它包含兩項基本技術(shù)措施：一項是采用溫度效率高達(dá)95%、熱回收率80%以上的蓄熱式換熱裝置，極大限度回收高溫?zé)煔庵械娘@熱，用于獲得高溫助燃空氣或燃?xì)猓瑢崿F(xiàn)極限熱回收；另一項是由于高溫助燃空氣或燃?xì)膺M(jìn)入爐內(nèi)，并采取燃料分級燃燒和高速氣流卷吸爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，獲得濃度為2%～15%的低氧燃燒，實現(xiàn)低NOx排放，但其頻繁的換向會造成爐溫、爐膛壓力的波動，換向瞬間燃燒不連續(xù)，同時也存在燒嘴阻塞、結(jié)焦、爆鳴、爆燃、燃?xì)舛搪返葐栴}[4]。富氧燃燒技術(shù)是將用O2和CO2混合氣體代替空氣作為助燃劑，與礦物燃料混合進(jìn)行燃燒，富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣CO2濃度高達(dá)90%以上，不需要分離就可將大部分煙氣中的CO2直接液化回收，是減少二氧化碳?xì)怏w排放的一種行之有效的方法。Bloom工程公司的L.Frank[5]通過對比冷空氣與燃料燃燒、富氧燃燒以及蓄熱式燃燒三種燃燒技術(shù)的應(yīng)用情況，分析了三種燃燒技術(shù)的成本及對爐子燃燒效率的影響，指出在熔鋁爐上使用富氧燃燒技術(shù)也能達(dá)到減少能耗的效果，但未對其進(jìn)行深入的研究。

本文設(shè)計一種熔鋁爐煙氣循環(huán)裝置，其綜合了多種燃燒技術(shù)的特點，使煙氣循環(huán)返回熔鋁爐膛參與燃燒。以常規(guī)鍋爐熱力計算中燃燒計算公式為框架，結(jié)合煙氣循環(huán)燃燒技術(shù)熱力系統(tǒng)的特點，提出了適合煙氣循環(huán)熔鋁爐試驗前的計算方法。熱平衡計算結(jié)果表明，爐內(nèi)溫度均勻穩(wěn)定，可達(dá)到節(jié)能的目的。并且循環(huán)混合氣完全代替空氣，所以燃燒產(chǎn)物不再產(chǎn)生NOx化合物。

1 煙氣循環(huán)燃燒原理

煙氣循環(huán)燃燒技術(shù)是綜合幾種前沿燃燒技術(shù)的新型燃燒技術(shù)。圖1為煙氣循環(huán)燃燒熱力系統(tǒng)示意圖。開始階段燃料與通風(fēng)機吸入的空氣燃燒，將爐門緩慢關(guān)閉，燃燒產(chǎn)生的煙氣從爐膛出口管道流出，在管道內(nèi)分為兩部分，一部分排出，另一部分經(jīng)管道循環(huán)利用。循環(huán)的煙氣與補入的氧氣混合，組成循環(huán)混合氣，其中補入的氧氣量與燃料量經(jīng)化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量配比，最后經(jīng)通風(fēng)機內(nèi)部攪拌進(jìn)一步混合，此時通風(fēng)機不再吸入空氣，同時循環(huán)混合氣和燃料在爐膛入口進(jìn)行燃燒。

圖1 煙氣循環(huán)燃燒熱力系統(tǒng)示意圖

2 裝置設(shè)計

設(shè)計的熔鋁爐煙氣循環(huán)裝置如圖2所示。

1—爐出口管道； 2—排放煙囪； 3—煙氣循環(huán)管道； 4—補氧管道； 5—通風(fēng)機； 6—爐入口管道； 7—燃料管道圖2 煙氣循環(huán)裝置

煙氣循環(huán)裝置的工作過程為：熔鋁爐內(nèi)的煙氣從爐出口進(jìn)入管道，煙氣依靠自身的動能和熱能在排放煙囪內(nèi)向上流動，流經(jīng)煙氣循環(huán)管道時，一部分煙氣進(jìn)入煙氣循環(huán)管道，另一部分繼續(xù)在排放煙囪中流動，直至排向大氣。氧氣從補氧管道流入煙氣循環(huán)管道，煙氣與氧氣一起流入通風(fēng)機，經(jīng)通風(fēng)機攪拌混合均勻后從爐入口管道進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒。

3 熱平衡計算

熱平衡分析方法是依據(jù)熱力學(xué)第一定律，揭示能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中的“數(shù)量關(guān)系”，通過對熔鋁爐的熱平衡計算，可以計算出爐子的最大燃料消耗量(或最大熱量消耗)。熔鋁爐熱平衡是指爐子輸入熱量和輸出熱量之間的平衡，即熱收入項和熱支出項[6]。

熱平衡方程式為：

Q1+Q2=Q3+Q4+Q5+Q6+Q7

(1)

式中：Q1—甲烷燃燒化學(xué)熱,kJ；

Q2—循環(huán)混合氣的物理熱,kJ；

Q3—熱離解損失,kJ；

Q4—爐墻吸收熱量,kJ；

Q5—爐門吸收熱量,kJ；

Q6—鋁料吸收熱量,kJ；

Q7—煙氣帶走熱量,kJ。

3.1 熱收入項

3.1.1 甲烷燃燒化學(xué)熱

甲烷燃燒化學(xué)熱是指熔鋁爐每小時消耗的甲烷所具有的全部化學(xué)熱，本文假設(shè)輸入的甲烷完全燃燒產(chǎn)生熱量Q1。

Q1=BQd

(2)

式中:B—甲烷消耗量，m3/h；

Qd—甲烷低位發(fā)熱量，kJ/m3。

3.1.2 循環(huán)混合氣帶入的物理熱

在循環(huán)階段，補入的與甲烷呈當(dāng)量比的氧氣和循環(huán)煙氣組成的混合氣所帶入熔鋁爐的物理熱為Q2。

Q2=B1ct(tk-t0)

(3)

式中:B1—循環(huán)混合氣流量,m3/h；

ct—循環(huán)混合氣比熱容,kJ/(m3·℃)；

tk—循環(huán)混合氣溫度,℃；

t0—空氣溫度,℃。

3.2 熱支出項

3.2.1 熱離解損失熱量

在一般工業(yè)爐的工作溫度和壓力下，通常只考慮CO2和H2O的熱離解反應(yīng)。

Q3=12 623.6fCO2VCO2+10 784.4fH2OVH2O

(4)

式中:fCO2—二氧化碳離解度；

fH2O—水蒸氣離解度；

VCO2—二氧化碳體積,m3；

VH2O—水蒸氣體積,m3。

3.2.2 爐墻及爐門吸收熱量

Q4/Q5=3.6ΣA·q

(5)

式中：A—包括爐墻、爐頂、爐底及爐門在內(nèi)的計算面積，m2；

q—爐墻單位面積熱損失，W/m2；

3.2.3 鋁料吸收熱量

為計算方便，把鋁料的受熱面積近似看成一個平面。在熔鋁爐內(nèi)，爐氣對爐門和鋁料的輻射熱量如下式：

(6)

式中:σ—導(dǎo)出輻射系數(shù),W/(m2·℃4)；

T1、T2—傳熱雙方的溫度,℃；

φ—材料表面投向爐壁的輻射角度系數(shù)；

A1—受熱面積,m2。

通過熱平衡方程式(1)可計算出煙氣帶走熱量Q7。

4 熱平衡計算的程序設(shè)計

設(shè)計熔鋁爐時，當(dāng)無法進(jìn)行熱平衡試驗，但設(shè)計中卻需要燃料消耗量、煙氣熱量等數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行熱平衡估算或預(yù)算。估算時可根據(jù)燃料特性、燃燒方式、按經(jīng)驗數(shù)據(jù)取值，將鋁料熔化過程作為一個整體計算[7]，這種方法的缺點是估計值會使計算不準(zhǔn)確，而且不能反映爐內(nèi)熱量變化過程。本文采取的方法是將整個熔煉過程劃分為若干時間節(jié)點，計算兩個時間節(jié)點間的熱平衡，并且前一個時間節(jié)點內(nèi)熱平衡計算出的結(jié)果作為下一個時間節(jié)點的初始條件進(jìn)行迭代計算，待整個過程計算完畢后,累加時間節(jié)點的次數(shù)就是熔鋁爐熔煉鋁料的時間。因手動迭代計算熱平衡較為繁瑣，本文采用MATLAB軟件編寫計算程序,計算程序流程如圖3。

圖3 計算程序流程

5 計算實例與結(jié)果分析

基準(zhǔn)工況：本文所采用的熔鋁爐裝滿鋁料后的爐膛空間如表1所示，甲烷流量100 m3/h，所選用風(fēng)機參數(shù)如表2，時間節(jié)點間的時間步長為180 s。

通過對每個時間節(jié)點所列熱平衡方程，可得出每個時間節(jié)點內(nèi)鋁料吸收熱量。本次熔煉的鋁料為10 t，鋁料熔煉消耗的熱量包括三部分：從入爐溫度升高至熔點所需熱量；熔點溫度下由固態(tài)鋁料熔化為相同溫度的液態(tài)鋁料所需熱量；從熔點溫度升高到出爐溫度所需熱量[8]。當(dāng)完成以上三部分熔煉時，時間節(jié)點即可停止。通過計算得到普通燃燒和煙氣循環(huán)燃燒的熱平衡表，如表3、表4所示。

表1 爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸

表2 風(fēng)機參數(shù)

可以看出，熱收入項絕大部分來自于燃燒反應(yīng)生成熱，其在表3普通燃燒中占總熱收入的100%，在表4煙氣循環(huán)燃燒中占總熱收入的85%。普通燃燒中煙氣損失熱量占總支出的49.08%，熱平衡計算所得數(shù)據(jù)顯示，普通燃燒排放煙氣溫度在1 002～1 028 ℃之間，所以其煙氣帶走的熱量很大[9]。煙氣循環(huán)燃燒中煙氣損失熱量一項占總支出的38.28%，但其大部分轉(zhuǎn)化為熱收入中的循環(huán)混合氣帶入物理熱，占總熱收入的14.65%，實際上煙氣熱量損失為其差，23.63%。

熱效率是評價爐窯能源利用水平的一項重要指標(biāo)[8]。熔鋁爐的熱效率按下邊公式計算：

表3 普通燃燒熱平衡表

表4 煙氣循環(huán)燃燒熱平衡表

(7)

圖4 兩種燃燒方式鋁料吸收熱量

根據(jù)熱平衡計算結(jié)果，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，可得普通燃燒熱效率為28.37%，煙氣循環(huán)燃燒熱效率為42.53%。

由圖4可見，在相同的條件下分別采用普通燃燒和煙氣循環(huán)燃燒，每次時間節(jié)點內(nèi)煙氣循環(huán)燃燒的鋁料所吸收熱量均高于普通燃燒，在熔煉所用的時間上，普通燃燒的時間節(jié)點次數(shù)是220次，煙氣循環(huán)燃燒的時間節(jié)點次數(shù)是124次，且每次時間節(jié)點時間為180 s，所以進(jìn)一步計算可得普通燃燒所用時間為11 h，煙氣循環(huán)燃燒所用時間為6.2 h，節(jié)約燃料43.6%。在煙氣循環(huán)燃燒的初始，鋁料吸收熱量有較大的變化，這是由于開始時普通燃燒產(chǎn)生的煙氣循環(huán)進(jìn)入爐膛入口造成的不穩(wěn)定。

圖5 鋁料吸收熱量與煙氣溫度隨時間節(jié)點的變化

如圖5在煙氣循環(huán)燃燒中，煙氣溫度在時間節(jié)點次數(shù)初始時期有較大的變化，隨著時間節(jié)點次數(shù)增加，煙氣溫度呈緩慢、穩(wěn)定上升趨勢，絕大多數(shù)保持在926～950 ℃，上下波動較小，由于煙氣溫度間接反映爐溫狀況，所以可見其能使?fàn)t溫保持穩(wěn)定。鋁料吸收熱量則相反，鋁料吸收熱量曲線和循環(huán)煙氣溫度曲線呈對稱分布，這是由于熱收入項中不但增加了循環(huán)混合氣物理熱，而且根據(jù)相關(guān)研究[10]，助燃?xì)怏w被預(yù)熱會使燃燒溫度極大提高，使煙氣溫度、熱量隨之升高，根據(jù)熱平衡原理鋁料所吸收熱量降低。所以提倡“少量多次”的熔煉方式，每次投入的鋁料量降低，使每一批鋁料熔煉吸收熱量的速率都保持在高效階段。

6 結(jié)論

為了解決熔鋁爐熔煉鋁料耗能嚴(yán)重的問題，利用熔鋁爐排出煙氣的熱能節(jié)約燃料，設(shè)計了煙氣循環(huán)的工藝流程及完成煙氣熱能循環(huán)利用的設(shè)備，使用MATLAB軟件進(jìn)行熱平衡計算，對數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究。

(1)煙氣循環(huán)燃燒的循環(huán)混合氣為熱收入項增加了物理顯熱，即起到了預(yù)熱助燃劑的效果又回收了熱能，助燃劑由混合氣完全代替了以往使用的空氣，燃燒產(chǎn)物將不再有NOx化合物。

(2)在相同的條件下分別使用普通燃燒和煙氣循環(huán)燃燒做上述熱平衡計算，經(jīng)計算驗證節(jié)能效果明顯。

(3)提倡“少量多次”的熔煉方式，減少每次投入爐內(nèi)的鋁料量，使鋁料吸收熱量的速率還沒降低太多時完成熔煉，再投入新一批的鋁料，使每一批鋁料的熔煉都保持在高效階段。

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