熔鋁爐煙氣循環結構設計與分析

張佳男， 陳 波， 張旭偉， 楊 曉

(西南石油大學機電工程學院, 四川 成都 610500)

0 前言

熔鋁爐是鋁加工過程的主要熔煉設備，其作用是熔化鋁料，使其質量均勻并達到一定化學成分要求，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水平對降低鋁加工能耗、提高企業經濟效益及實現國家節能減排戰略均具有重大意義。

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，使助燃空氣預熱到一定的溫度后參與燃燒。根據工業爐熱工原理，助燃空氣溫度每升高100 ℃，可節省燃料約5%，或者煙氣溫度每降低100 ℃，可節省燃料5.5%，但經過換熱器后煙氣的排放溫度仍在500 ℃以上[3]。20世紀70年代能源危機后，蓄熱式燃燒技術在加熱爐上得到了突飛猛進的發展。它包含兩項基本技術措施：一項是采用溫度效率高達95%、熱回收率80%以上的蓄熱式換熱裝置，極大限度回收高溫煙氣中的顯熱，用于獲得高溫助燃空氣或燃氣，實現極限熱回收；另一項是由于高溫助燃空氣或燃氣進入爐內，并采取燃料分級燃燒和高速氣流卷吸爐內燃燒產物，稀釋反應區的含氧體積濃度，獲得濃度為2%～15%的低氧燃燒，實現低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，同時也存在燒嘴阻塞、結焦、爆鳴、爆燃、燃氣短路等問題[4]。富氧燃燒技術是將用O2和CO2混合氣體代替空氣作為助燃劑，與礦物燃料混合進行燃燒，富氧燃燒產生的煙氣CO2濃度高達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，是減少二氧化碳氣體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的應用情況，分析了三種燃燒技術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也能達到減少能耗的效果，但未對其進行深入的研究。

本文設計一種熔鋁爐煙氣循環裝置，其綜合了多種燃燒技術的特點，使煙氣循環返回熔鋁爐膛參與燃燒。以常規鍋爐熱力計算中燃燒計算公式為框架，結合煙氣循環燃燒技術熱力系統的特點，提出了適合煙氣循環熔鋁爐試驗前的計算方法。熱平衡計算結果表明，爐內溫度均勻穩定，可達到節能的目的。并且循環混合氣完全代替空氣，所以燃燒產物不再產生NOx化合物。

1 煙氣循環燃燒原理

煙氣循環燃燒技術是綜合幾種前沿燃燒技術的新型燃燒技術。圖1為煙氣循環燃燒熱力系統示意圖。開始階段燃料與通風機吸入的空氣燃燒，將爐門緩慢關閉，燃燒產生的煙氣從爐膛出口管道流出，在管道內分為兩部分，一部分排出，另一部分經管道循環利用。循環的煙氣與補入的氧氣混合，組成循環混合氣，其中補入的氧氣量與燃料量經化學反應當量配比，最后經通風機內部攪拌進一步混合，此時通風機不再吸入空氣，同時循環混合氣和燃料在爐膛入口進行燃燒。

圖1 煙氣循環燃燒熱力系統示意圖

2 裝置設計

設計的熔鋁爐煙氣循環裝置如圖2所示。

1—爐出口管道； 2—排放煙囪； 3—煙氣循環管道； 4—補氧管道； 5—通風機； 6—爐入口管道； 7—燃料管道圖2 煙氣循環裝置

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

3 熱平衡計算

熱平衡分析方法是依據熱力學第一定律，揭示能量傳遞和轉換過程中的“數量關系”，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—甲烷燃燒化學熱,kJ；

Q2—循環混合氣的物理熱,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 甲烷燃燒化學熱

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

Q1=BQd

(2)

式中:B—甲烷消耗量，m3/h；

Qd—甲烷低位發熱量，kJ/m3。

3.1.2 循環混合氣帶入的物理熱

在循環階段，補入的與甲烷呈當量比的氧氣和循環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—循環混合氣流量,m3/h；

ct—循環混合氣比熱容,kJ/(m3·℃)；

tk—循環混合氣溫度,℃；

t0—空氣溫度,℃。

3.2 熱支出項

3.2.1 熱離解損失熱量

在一般工業爐的工作溫度和壓力下，通常只考慮CO2和H2O的熱離解反應。

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，爐氣對爐門和鋁料的輻射熱量如下式：

(6)

式中:σ—導出輻射系數,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；

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計

設計熔鋁爐時，當無法進行熱平衡試驗，但設計中卻需要燃料消耗量、煙氣熱量等數據，傳統的方法是進行熱平衡估算或預算。估算時可根據燃料特性、燃燒方式、按經驗數據取值，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確，而且不能反映爐內熱量變化過程。本文采取的方法是將整個熔煉過程劃分為若干時間節點，計算兩個時間節點間的熱平衡，并且前一個時間節點內熱平衡計算出的結果作為下一個時間節點的初始條件進行迭代計算，待整個過程計算完畢后,累加時間節點的次數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 計算實例與結果分析

基準工況：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，所選用風機參數如表2，時間節點間的時間步長為180 s。

通過對每個時間節點所列熱平衡方程，可得出每個時間節點內鋁料吸收熱量。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；熔點溫度下由固態鋁料熔化為相同溫度的液態鋁料所需熱量；從熔點溫度升高到出爐溫度所需熱量[8]。當完成以上三部分熔煉時，時間節點即可停止。通過計算得到普通燃燒和煙氣循環燃燒的熱平衡表，如表3、表4所示。

表1 爐膛的結構尺寸

表2 風機參數

可以看出，熱收入項絕大部分來自于燃燒反應生成熱，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%，熱平衡計算所得數據顯示，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]。煙氣循環燃燒中煙氣損失熱量一項占總支出的38.28%，但其大部分轉化為熱收入中的循環混合氣帶入物理熱，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[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 煙氣循環燃燒熱平衡表

(7)

圖4 兩種燃燒方式鋁料吸收熱量

根據熱平衡計算結果，代入相應的數據，可得普通燃燒熱效率為28.37%，煙氣循環燃燒熱效率為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燃燒，每次時間節點內煙氣循環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，普通燃燒的時間節點次數是220次，煙氣循環燃燒的時間節點次數是124次，且每次時間節點時間為180 s，所以進一步計算可得普通燃燒所用時間為11 h，煙氣循環燃燒所用時間為6.2 h，節約燃料43.6%。在煙氣循環燃燒的初始，鋁料吸收熱量有較大的變化，這是由于開始時普通燃燒產生的煙氣循環進入爐膛入口造成的不穩定。

圖5 鋁料吸收熱量與煙氣溫度隨時間節點的變化

如圖5在煙氣循環燃燒中，煙氣溫度在時間節點次數初始時期有較大的變化，隨著時間節點次數增加，煙氣溫度呈緩慢、穩定上升趨勢，絕大多數保持在926～950 ℃，上下波動較小，由于煙氣溫度間接反映爐溫狀況，所以可見其能使爐溫保持穩定。鋁料吸收熱量則相反，鋁料吸收熱量曲線和循環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混合氣物理熱，而且根據相關研究[10]，助燃氣體被預熱會使燃燒溫度極大提高，使煙氣溫度、熱量隨之升高，根據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 結論

為了解決熔鋁爐熔煉鋁料耗能嚴重的問題，利用熔鋁爐排出煙氣的熱能節約燃料，設計了煙氣循環的工藝流程及完成煙氣熱能循環利用的設備，使用MATLAB軟件進行熱平衡計算，對數據系統進行分析與研究。

(1)煙氣循環燃燒的循環混合氣為熱收入項增加了物理顯熱，即起到了預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燃燒做上述熱平衡計算，經計算驗證節能效果明顯。

(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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