煙氣余熱回收再利用技術在輪轂制造工藝中的應用

趙志強，張愛濤，樊勁輝，唱榮蕾，夏中雷，王 強

(1.秦皇島信能能源設備有限公司，河北 秦皇島 066000；2.河北科技大學，河北 石家莊 050018)

0 引言

國家積極倡導可持續發展戰略，節能減排已經上升為國家戰略，無論是發展形勢所需還是利益所趨，走節約能源、發展循環經濟的可持續發展之路已成為企業發展的必然選擇。鋁錠熔煉過程中，熔煉爐消耗大量天然氣，產生高溫煙氣，熱量除用于融化鋁錠外，其余熱量直接排出進入大氣造成熱量浪費。為提高資源利用效率，達到節能減排效果，對熔煉設備中的高溫煙氣進行回收熱量后降溫排放，回收熱量用于制取高溫熱水和產品涂裝前余熱工藝，以期減少能耗，達到節能減排的目的。

近些年，國外在煙氣余熱回收方面進行了深入研究，如等效焓降理論在煙氣余熱方面的應用[1]、吸收式熱泵和換熱器組成余熱回收新型機組回收余熱[2]等。國內余熱回收研究主要集中在冷凝鍋爐、熱管技術、熱泵技術和換熱器技術四個方面，但是核心元件及技術牢牢掌握在歐美日等發達國家手里。隨著煙能量回收研究的不斷深入，煙氣回收利用技術逐漸朝著理論化、系統化、產業化方向發展，新材料、新工藝、新設備在煙氣回收領域得到了系統化的應用，一批以工業余熱回收為主業的企業乘勢而起，工業余熱回收也趨于產業化。

1 熔煉爐煙氣余熱回收利用方案

1.1 煙氣余熱回收流程

汽車輪轂生產過程中，鋁錠熔煉爐會放出大量余熱，而輪轂在進行噴涂前，也需要大量熱量進行預熱，根據上述工藝，制定熔煉爐煙氣余熱回收利用方案，如圖1所示。

(1) 熔煉爐產生的高溫煙氣流經高溫相氣余熱收集器，加熱收集器中的循環水，高溫煙氣余熱回收變為低溫煙氣排出，煙氣余熱回收泵將高溫循環水泵送至余熱保溫水箱蓄熱。

(2) 煙氣余熱供熱泵泵送保溫水箱中的高溫循環水進入板式散熱器，預熱涂裝預熱箱中的輪轂后，高溫循環水變成低溫循環水再流回煙氣余熱保溫水箱蓄熱。

(3) 煙氣余熱保溫水箱中的循環水在煙氣余熱回收、利用過程中出現損耗，當液位降低時，補水泵補水。

圖1 熔煉爐煙氣余熱回收利用示意圖

1.2 煙氣余熱回收智能控制

圖2為煙氣余熱回收智能控制流程，熔煉爐膛內置煙氣壓力傳感器，余熱保溫箱內置溫度傳感器和液位傳感器，涂裝預熱箱內置溫度傳感器，各傳感器監測對應參數，傳遞至控制器。熔煉爐余熱回收煙道安裝電磁蝶閥，由控制器控制啟閉及開度?？刂品绞饺缦拢?/p>

(1) 爐膛壓力傳感器實時監測爐膛壓力，并將信號傳送至控制器進行分析，控制器通過爐膛壓力控制算法控制煙氣回收通道電磁蝶閥的啟閉和開度，調節爐膛煙氣壓至正常范圍。

(2) 煙氣余熱保溫水箱溫度傳感器實時監測水溫，當水溫達到上限值無法吸熱后，信號反饋至控制器，控制器根據水箱溫控算法，控制煙氣回收通道電磁蝶閥關閉，余熱回收泵關閉，停止取熱。液位傳感器監測到液面降低時，控制器接收信號，控制補水泵開啟補水，液面恢復到正常范圍，停止補水。

(3) 涂裝預熱箱內置溫度傳感器實時監測預熱箱溫度，當溫度超過上限值時，控制器接收溫度傳感器反饋信號，關閉煙氣余熱供熱泵；溫度降低后，供熱泵自動開啟。

2 熔煉爐煙氣余熱回收利用經濟效益分析

每套煙氣余熱器回收2臺熔煉爐煙氣余熱，表1為熔煉回收系統參數，基于表1進行余熱回收量計算。

圖2 煙氣余熱回收控制流程

表1 熔煉回收系統參數

對余熱回收采用近似計算[3]的方式，每立方米天然氣每小時燃燒需要的空氣量V0(m3)為：

(1)

其中：HL為天然氣低熱值，取值為3.64×104kJ/m3。將相關參數代入式(1)計算得V0=10.3 m3。

每立方米天然氣每小時燃燒產生的理論煙氣量V0f(m3)為：

(2)

其中：α為過量空氣系數，取值為2。將相關參數代入式(2)計算得V0f=11.2 m3。

每立方米天然氣每小時燃燒產生的實際煙氣量VN(m3)為：

VN=V0f+(α-1)V0.

(3)

將相關參數代入式(3)計算得VN=21.5 m3。

4臺熔煉爐每小時產生的實際煙氣量V(m3)為：

V=KVNV燃氣.

(4)

其中：K為煙氣利用系數，取值為0.8；V燃氣為4臺熔煉爐每小時耗氣量，取值為460 m3/h。將相關參數代入式(4)計算得V=7 912 m3。

2套煙氣余熱器每小時吸收熱量[4]Q0(kJ/h)為：

Q0=V(c1t1-c2t2).

(5)

其中：t1為高溫煙氣溫度，取500 ℃；c1為高溫(500 ℃)煙氣標況下熱容，取1.443 kJ/(m3·℃)；t2為低溫煙氣溫度，取120 ℃；c2為低溫(120 ℃)煙氣標況下熱容，取1.375 kJ/(m3·℃)。將相關參數代入式(5)計

算得Q0=4.4×106kJ/h。

(6)

折算成天然氣用量：

(7)

根據多年生產數據顯示，熔煉爐每年運行約為350天，其折算用氣總量V總(m3)為：

(8)

其中：T為熔煉爐每年運行時間，取為8 400 h。經計算得V總=4.3×105m3。

由上述計算可知，所設計的熔煉爐余熱回收再利用系統，每年理論上可以減少4.3×105m3的用量，其經濟效益頗為可觀。

3 結論

熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統已成功在輪轂生產線運行，通過現場跟蹤，并分析對比兩年以來技術指標、運行參數及經濟數據，可得出以下結論：

(1) 熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統可以充分地回收熔煉爐煙氣余熱，并將余熱傳遞至涂裝預熱工藝，輪轂預熱效果顯著，證明熔煉爐煙氣余熱回收利用技術路線是可行的。

(2) 熔煉爐煙氣余熱回收再利用智能控制系統能夠準確地對余熱回收、余熱傳送和余熱利用等各個環節進行控制，提取高品質煙氣余熱供輪轂預熱，實現熱量自動匹配功能。

(3) 分析熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統的經濟指標和成本數據，該系統每年可節省成本百余萬元，創造了巨大的經濟價值,同時有效地減少了碳排放，達到了節能減排、保護環境的目的，為企業可持續發展做出了巨大貢獻。