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蓄热式熔铝炉节能技术
蓄热式熔铝炉节能技术
一、熔铝炉的能耗与节能
国内铝加工行业熔铝炉使用传统的加热技术其能耗一般在75万大卡/吨铝左右;在国外,吨铝能耗一般低于55万大卡。因此,国内的熔铝炉节能潜力还有很大的空间。
判断熔铝炉能耗高低以及是否节能,从两个方面来看,第一,熔化率,第二,炉子热效率。
熔化率是指单位时间单位熔池体积的熔化量(生产率),炉子升温速度越快,炉子熔池越大则炉子的熔化率越高,在一般情况下,炉子生产率越高,则熔化率的单位热量消耗就越低。炉子热效率是铝被加热熔化时吸收的热量与供入炉内的热量之比。
为了降低能源消耗,应尽量提高炉子生产率,另一方面应充分回收利用出炉废气的余热。同时对燃烧装置实行燃料与助燃空气的自动比例调节,以防止空气量过剩或不足。减少炉体的蓄热和散热损失以及减少炉门开口等辐射热损失。
早期的(现在也有一部分)熔铝炉一般离炉烟气直接排放,烟气温度在750℃以上(图1)。
图1废热不利用的炉子
为减少烟气带走的热量损失,人们在排烟管道上安装了热量回收装置即空气换热器,将助燃空气预热到一定的温度(200℃左右)后参与燃料的燃烧,但换热器后的排放温度还在500℃以上(图2)。
图2安装空气预热器的炉子
采用蓄热式燃烧技术可以将烟气排放温度降低到150℃以下,助燃空气温度预热到700℃以上,这样就大大地减少了离炉烟气所带走的热量,使炉子热效率大幅度提高,燃料消耗大量减少,达到节能的目的(图3)。
图3HTAC技术的工作原理图
根据工业炉热工原理,助燃空气温度每升高100℃,能节省燃料约5%;或者烟气温度每降低100℃,能节省燃料约%。因此,采用蓄热式燃烧技术相对换热器回收装置可以节能25%以上。
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传统上有火焰炉、电阻炉、中频感应炉、反射炉以及坩埚炉等。为了获得质量高又经济的铝合金溶液,各企业对熔炼设备的选择越来越重视,近几年来,火焰炉、电阻炉、中频感应炉、反射炉都有所改进。熔炼炉结构的发展方向是:操作自动化、应用更新化、原料节能化等。新型加热材料、新型耐火材料和新溶剂得到新的应用。
采用蓄热式烟气余热回收装置,交替切换空气和烟气,使之流经蓄热体,能够最大程度上回收高温烟气热量,将助燃空气预热800度-1000度以上,其余热回收率可达85%以上。
合理组织燃烧工况,使炉内形成与传统火焰迥然不同的新型火焰型,创造出炉内均匀的温度场分布。
通过空气与燃料气流的合理组织,交替使用,是燃料在低氧环境中进行燃烧,消除炉内局部高温区。
三、蓄热式燃烧系统工作原理
蓄热式烧嘴成对布置,相对的两个烧嘴为一组(A、B烧嘴)。从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进蓄热式烧嘴A后,在流过蓄热式烧嘴A陶瓷小球蓄热体时被加热,常温空气被加热到接近炉膛温度(一般为炉膛温度的80%~90%)。被加热后的高温空气进入炉膛后,卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流,贫氧高温空气与注入的燃料混合,实现燃料在贫氧状态下燃烧;与此同时,炉膛内的热烟气经过蓄热式烧嘴B排出,高温热烟气通过蓄热式烧嘴B时将显热储存在蓄热式烧嘴B内的蓄热体内,然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。当蓄热体储存的热量达到饱和时进行换向,蓄热式烧嘴A和B变换燃烧和蓄热工作状态,如此周而复始,从而达到节能和降低NO
X排放量等目的。
蓄热式燃烧技术改变了传统的燃烧方式,主要表现为燃料与空气以适当速度从不同的喷嘴通道进入炉内,并卷吸炉内的燃烧产物,空气中的O2含量被稀释,燃料在炉膛中高温(1000℃以上)低氧浓度场(5%~%)工况下燃烧,此种燃烧方式带来了许多优点:
(1)节能效果显着,比传统熔化炉平均节能25%以上
由于蓄热体“极限回收”了烟气中大部分的余热,并由参与燃烧的介质带回炉内,大大降低了炉子的热支出,所以采用蓄热式燃烧技术的炉子比传统熔化炉节能。
(2)消除了局部高温区,炉温分布均匀
燃料在高温低氧浓度工况下燃烧,在炉内形成没有明显火焰的弥漫燃烧,消除了火焰产生的局部高温区,火焰边界几乎扩大到整个炉膛,使炉温更加均匀。蓄热式烧嘴工作状态频繁交换,使燃烧热点的位置及炉气流动方向频繁改变,强化了炉气对流,减小炉内死角,也使炉温更加均匀。
(3)提高加热质量
均匀的炉温使铝锭加热更均匀,降低了局部高温以及富氧环境对铝液的挥发和氧化作用。
(4)延长炉子耐火材料使用寿命
炉温均匀和消除局部高温区使耐火材料受热均匀,并保证耐火材料始终工作在合理的使用温度范围内。
(5)减少温室效应气体CO2排放量及NOX生量
燃料节省25%,相应的CO2排放量也减少25%。由于局部高温区的消除,有效的降低了NOX的生成量。
四、蓄热体材料
蓄热体是蓄热式燃烧技术关键部分,它要求蓄热体具有蓄热量大、换热速度好、高温强度好、阻力损失小、抗氧化抗渣性强,而且经济耐用。
陶瓷球的原理就是在蓄热室内填冲直径相同的许多陶瓷实心球,堆积呈固定床,球径一般在15-25mm之间。
陶瓷球蓄热体比表面积240m2/m3,众多的小球将气流分割成很小流股,气流在蓄热体中流过时,形成强烈紊流,有效地冲破了蓄热体表面的附面层,又由于球径很小,传热半径小,热阻小,密度高,导热性强,加之换向系统设计独特,故可实现频繁且快速的换向,固此,蓄热体可利用30次/H,高温烟气流经蓄热体床层后便可将烟气降至150℃排放。常温空气流径蓄热体在相同路径内即可预热至反比烟气温度低50
℃,温度效率高达95%以上。另外,因为蓄热体体积十分小巧,加之小球床的流通能力强,即使积灰的阻力增加也不影响换热指标,陶瓷小球的更换,清洗非常方便,并可重复利用。
蓄热体材质陶瓷材料
形状球形
蓄热体体积3m3
换向时间120秒
空气预热温度1000℃
高温烟气温度1050℃
排烟温度≤150℃
材料比表面积(m2/m3)240
球径25mm
热回收率约70%-80%
五、应用案例
下面以燃油、燃气蓄热式熔铝炉为案例,对采用某公司单蓄热(空气)技术及专利设备(换向阀)等应用节能效果做比较和分析。
——新建项目
熔化材料:铝坯及再生铝材
炉子形式:矩形固定式
炉子容量:30T炉膛工作温度:<1100℃
铝液温度:720℃~830℃熔体温差:≤±5℃
熔化期熔化率:h
熔池面积:×=
熔池深度:650mm
熔化期吨铝消耗:≤62m3/吨铝
铝坯入炉温度:常温
燃料:天然气
发热值:8500kcal/Nm3
排烟温度:<150℃
蓄热材料:陶瓷小球
烧嘴型式:含点火及常明式蓄热式烧嘴
——改造项目
改造前:为常规的烧嘴技术,即采用机械式雾化油枪技术,熔化率为吨,吨铝耗油76千克。经过改造后的熔化率达到5吨,熔铝热耗53千克,平均节油率30%。
相关参数如下:
熔化材料:30%铝及铝合金锭、废料+70%电解铝液
炉子形式:矩形固定式、一扇组合大炉门、机械扒渣
炉子容量:25T
炉膛工作温度:<1100℃
铝液温度:730℃~860℃
熔化期熔化率:5t/h
熔池面积:5×4=20m2
熔化期吨铝消耗:~53公斤/吨铝
熔料入炉温度:常温
燃料:0#轻柴油
发热值:10200kcal/kg
排烟温度:<150℃
六、总论:
从热平衡角度来说,采用蓄热式换热技术的熔化炉燃料节约率与炉子砌体的蓄热量、炉体的表面散热损失有关。因为烧嘴是通过烟气回收余热的,炉体的蓄热量减小,表面散热损失越少,则排烟余热量越大,燃料节约率就越高。
同时,由于熔铝炉间歇性工作特点,在不同工作状态时炉温、蓄热体中空气流速、烟气出口温度有较大波动。这样烧嘴换向时间也应随工作状态变化而变化,优化蓄热体的利用率,使余热回收达到更好的效果。
由于空气通过蓄热体后温度升高,带进炉内大量显热,使得燃料的理论燃烧温度显着提高。在采用相同的炉型和燃料时,蓄热炉比常规炉有更高的综合加热温度和更快的加热速度。
采用蓄热式换热技术,带来的直接经济效益主要是节省燃料。由于消除局部高温区,炉温分布均匀,使耐火材料使用寿命延长,同时提高了加热质量,减少了氧化烧损。由这些因素带来的经济效益也是相当可观的。
从环境保护角度来说,燃料节省25%,烟气中CO2等温室气体总量也相应减少了25%。同时由于燃料在高温空气贫氧环境下,降低了NOX的产生。总之,蓄热技术应用到熔铝炉上,起到了很好的节能效果;也降低了CO2和NOX的排放,减轻环境污染。同时,蓄热技术还有待进一步研究,达到更好的节能、环保效果。
蓄热式熔铝炉
【节能技术】