（冶金工程专业论文）高温空气燃烧技术在熔铝炉上的应用研究.pdf

鞍山科技大学工程硕士论文摘要 高温空气燃烧技术在熔铝炉上的应用 摘要 铝及铝合金的熔炼是铝加工企业生产中的第一道重要工序，而熔铝炉是熔铸 机组的关键设备，也是工厂中的主要耗能设备，在生产能耗中占有很大的比例， 在一些企业铸轧板材生产中其重油消耗达到总能耗的5 0 左右。因此对企业来讲， 熔炼的基本目的就在于用最经济的设备、工艺手段和最低的消耗为铸造提供高质 量的金属熔体。即在高生产率和低消耗条件下，生产出化学成分合格、气体和非 金属夹杂物含量符合制品要求，且温度适宜的优质熔体。 常用的熔铝炉节能技术以强化加热方式和回收烟气余热预热助燃空气来提高 炉子热效率，确保熔炼过程中最少的直接燃料消耗。其具体措施包括：( 1 ) 采用 高速或亚高速烧嘴对炉料进行冲击加热，提高燃烧效率，强化炉内传热；( 2 ) 采 用烟道换热器回收烟气余热，提高风温；( 3 ) 采用自身预热式烧嘴等。 根据铝的熔炼特性，如何提高熔铝炉的热效率，降低其能耗及大力开发和推 广少无氧化熔炼技术，减少烧损成为该行业的主要节能方向。无疑随着高温空气 燃烧技术的成熟和推广，在熔铝炉上应用此项技术成为可能，而且必将逐步成为 解决该行业节能的主要技术手段。 蓄热式燃烧技术是2 0 世纪8 0 年代以来发展起来的高效回收高温烟气余热技 术。进入9 0 年代后，在原技术高效节能的基础上，通过实现低n 0 x 排放而发展了 高温空气燃烧技术( h t a c ) ，这是近年来热工领域中最令人瞩目的技术之一。该 项技术在提高火焰炉热效率，降低污染物排放，扩大低能质燃料的使用领域等方 面具有很大优势。 高温空气燃烧是集烟气直接进炉循环、空( 燃) 气预热和燃烧改善三种节能 作用于一体的而具有最高节能效果的燃烧方式，高温空气燃烧技术发展很快，国 内在冶金、机械等领域广泛应用了这项技术，未来的应用前景依然广阔。 由于熔铝圆炉排烟温度较高，在火焰熔铝圆炉上应用高温空气燃烧技术，为 其节能起到了积极的推动作用，近年来，高温空气燃烧技术随着换向阀及蓄热体 的不断发展完善已趋于成熟，该技术应用到火焰熔铝炉上己成为必然。2 0 0 0 年鞍 山热能研究院在华北铝业有限公司国家重点科研项目铝板超薄快速铸轧机的 t 一 鞍山科技大学工程硕士论文摘要 配套设备2 5 吨熔铝炉设计中采用了蓄热式燃烧技术。 本文以铝及铝合金的熔炼设备髂铝圆炉为研究对象，介绍了熔铝圆炉节 能技术的发展过程，着重阐述了鞍山热能研究院的研究成果即高温空气燃烧技术 在熔铝炉上的应用，并对结果进行了分析。研究结果表明：将高温空气燃烧技术 应用在熔铝炉上是符合铝的熔炼特性的最佳节能措施，熔铝炉的节能应从节燃( 降 低燃料消耗) 、节料( 降低铝的氧化烧损) 两方面考虑，火焰熔铝炉应尽可能利用 烟气余热来预热助燃空气，同时该技术在熔铝炉上的工程应用还有待进一步的完 善。 关键词：熔铝炉；蓄热式燃烧；高温空气燃烧技术；节能措施； 应用研究 鞍山科技大学工程硕士论文 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fh t a ct e c h n i q u ei na l u m i n i u mm e l t i n g f u r n a c e a b s t r a c t s m e l t i n ga l u m i n u ma n da v i o n a li st h ef i r s ti m p o r t a n tp r o c e d u r ei nf a b r i c a t i n gf a c t o r i e s m o r e o v e r , a l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c ei st h ek e ye q u i p m e n ti nt h es m e l t i n ga n dt h em a i n e n e r g yc o n s u m p t i o nf a c i l i t i e s a l u m i n u mm e l t i n gf b r n a c eo c c u p i e sh i g hp r o p o r t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n f o re x a m p l e ，t h eh e a v yo i lc o n s u m e di naf u r n a c ei sa b o u t5 0 o f g e n e r a le n e r g yc o n s u m p t i o ni ns o m ee n t e r p r i s e sw h op r o d u c ec a s t r o l l i n gp l a t e s ot o e n t e r p r i s e t h ea i mo fs m e l t i n gi st oo f f e rh i g hq u a l i t ym e t a lm e l tf u rf o u n d r yw i t l lt h e m o s te c o n o m i c a le q u i p m e n t ，t e c h n i q u ea n dt h el o w e s tc o n s u m p t i o n t h a tm e a n st h e h i 曲q u a l i t yh o tm e t a l 谢t l le l i g i b i l i t i e si nc h e m i c a lc o m p o n e n t ，c o n t e n to fg a sa n d m e t a l l o i di n c l u s i o na n dc o n d i g nt e m p e r a t u r ec a nb ep r o d u c e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f h i g hp r o d u c t i v i t ya n dl o wc o n s u m p t i o n t ok e e pe n e r g yc o n s u m p t i o no fd i r e c tf u e l si ns m e l t i n gi nl o w e s tl e v e l ，t h et h e r m a l e f f i c i e n c yo fas m e l t i n gf u r n a c ec a r lb ei m p r o v e dc o m m o n l yb ym e a n so fe n e r g ys a v i n g t e c h n i q u e ，s u c ha st os t r e n g t h e nh e a t i n gm o d ea n dt oc a l l b a c kr e m a i n i n gh e a to ff l u e g a sf o rw a n n i n g - u pc o m b u s t i o n s u p p o r t i n ga i r t h ec o n c r e t em e a s u r e sc a r tb el i s t e da s f o l l o w s ： 1 t oh e a tt h ec h a r g i n gv i o l e n tc o n c u s s i o nb ya d o p t i n g 淅t 1 11 1 i g hs p e e do rs u b h i g h s p e e db u r n e r sa n dt os t r e n g t h e nt r a n s f e rh e a ti n s i d ef u r n a c e ，a n dh e n c et oi m p r o v e b u r n i n ge f f i c i e n c y ； 2 t or a i s ew i n dt e m p e r a t u r eb yr e c y c l i n gr e m n a n th e a to ff l u eg a sw i maf l u eh e a t e x c h a n g e r ； 3 t oa d o p ts e l f - p r e h e a t i n gb u r n e r a c c o r d i n gt ot h es m e l t i n gc h a r a c t e r i s t i co fa l u m i n u m ，t oi m p r o v et h eh e a t i n ge f f i c i e n c y o fa l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c e ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，e m p o l d e ra n dg e n e r a l i z e t e c h n i q u eo fn o n o x i d a t i o ns m e l t i n g ，r e d u c eb u m i n gs p o i l a g ea r em a i ne n e r g ys a v i n g d i r e c t i o n si nt h ei n d u s t r y u n d o u b t e d l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh t a c t h et e c h n i q u e u s i n go na l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c eb e c o m et r u ea sm a i nt e c h n o l o g i c a lm e a n st os o l v e t h ep r o b l e mo f e n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ei n d u s t r yi nt h ef u t u r e r e g e n e r a t i v eb u m i n gt h a td e v e l o p e di n1 9 8 0 i st e c h n i q u e 、v i t l ll l i g h e f f i c i e n c y 1 1 i 一 鞍山科技大学工程硕士论文 a b s t r a c t c a l l b a c kr e m n a n th e a to ff l u eg a s a sc o m i n gi n t o1 9 9 0 ，b a s e do nt h et e c h n i q u eo f h i g h - c f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n g ，h t a ci sw e l ld e v e l o p e db yr e a l i z i n gl o wl e t t i n go u t o f n o x ，w h i c hi st h eb e s tc o n s p i c u o u st e c h n i q u ei nt h ef i e l do f t h e r m a le n e r g yb e c a u s e t h et e c h n i q u ec a l li m p r o v eh e a t i n g e f f i c i e n c yo ff l a m ef u r n a c e ，r e d u c el e t t i n go u to f p o l l u t a n t s a n du s em o r ef u e l s 、析ml o we n e r g yc o n t a i n i n g h t a ci sak i n do fh i g h e f f i c i e n c ye n e r g ys a v i n gb u r n i n gm o d ec o m b i n i n gf l u eg a s e n t e r i n gi n t of u r n a c ec i r c l ed i r e c t l y , a i ra n df u e lg a sp r e h e a t i n g ，a n di m p r o v i n gt h e c o m b u s t i o n i nr e c e n ty e a r s ，h t a cd e v e l o p e df a s ta n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e f i e l d so f m e t a l l u r g y , m a c h i n ea n ds oo n s t i l l ，h t a cw i l lh a v eap r o s p e r o u sf u t u r e a sh i g h e rt e m p e r a t u r eo ff l u eg a se m i t t e df r o ma l u m i n u mm e l t i n gr o u n df u r n a c e ，t h e u s a g eo fh t a co nt h ef u r n a c ec a nf a c i l i t a t ee n e r g ys a v i n gp o s i t i v e l y r e c e n t l y , h t a c g o e st om a t u r a t i o nw i t l lt h ed e v e l o p i n go fr e v e r s i n gv a l v ea n dh e a tr e t a i n i n gm a s si ti s n e c e s s a r yt ou s et h i st e c h n i q u eo nf l a m ea l u m i n u mm e l t i n gr o u n df u r n a c e a n s h a n r e s e a r c hi n s t i t u t eo ft h e r m o - e n e r g ya d o p t e d r e g e n e r a t i v eb u r n i n gt e c h n i q u eo n a l u m i n u mm e l t i n gr o u n df u r n a c eo f2 5t o ni nd e s i g nf o rn a t i o n a lk e ys c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j e c t s ( c o r o l l a r ye q u i p m e n to fp l a t ea l u m i n u mu l t r a - t h i nc e l e r i t yc a s t i n gr o l l i n gm i l l ) o f n o r t hc h i n aa l u m i n u ml t di n2 0 0 0 t h er e s e a r c h e so ns m e l t i n ge q u i p m e n to fa l u m i n u ma n da v i o n a l ( a l u m i n u mm e l t i n g r o u n df u r n a c e ) w e r ed i s s e r t e di nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fe n e r g ys a v i n g t e c h n i q u eo na l u m i n u mm e l t i n gr o u n df u r n a c ea n di n v e s t i g a t i v ea c h i e v e m e n to f a n s h a nr e s e a r c hi n s t i t u t eo f t h e r m o e n e r g yw a si n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yi nt h ea p p l i c a t i o n o fh t a co na l u m i n u mm e l t i n gf u m a c e a n dt h e nt h er e s u l tw a sa n a l y z e d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a th t a co na l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c ei st h eb e s tm e a s u r eo fe n e r g ys a v i n g a c c o r d i n gw i t hs m e l t i n gc h a r a c t e r i s t i co fa l u m i n u m t oa na l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c e ， s h o u l db ec o n s i d e ro nf u e ls a v i n g ( r e d u c i n gf u e lc o n s u m p t i o n ) a n dm a t e r i a ls a v i n g ( r e d u c i n gb u m i n gs p o i l a g e c a u s e db y o x i d a t i o n ) ，a n dp r e h e a t i n gt e c h n i q u eo f c o m b u s t i o n - s u p p o r t i n ga i rb yf l u eg a ss h o u l db em a d et h em o s t a ts a m et i m e ，h t a c t e c h n i q u es h o u l d b ef u r t h e rp e r f e c t e dw h i l eu s i n go na l u m i n u mm e l t i n gf u r n a c e p r o j e c t k e yw o r d s ：a l u m i n u mm e l t i n gf u m a c e ，r e g e n e r a t i v eb u r n e r , h t a c ， m e a s u r eo fe n e r g ys a v i n g ，a p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得鞍山科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：l 雏窃2日期：z ! ：! ：乜! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 缝耋型嗍幽心 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 铝虽然熔点不高，但随着物态的变化热学性能会发生显著的变化，熔炼过程 需消耗大量的燃料。铝的物理参数如下： 熔点：6 6 0 熔化潜热l ：3 8 8 9 k j k g 固态铝比热c 。：1 0 2 4k j k g 液态铝比热c l ：1 6 3k j k g 理论上粗略计算，熔化每吨铝需耗电能3 2 0 k w h 或柴油( 热值为4 3 8 9 0 4 5 9 8 0 k j k g ) 约2 7 4 k g ，若将炉体蓄热、热量外泄及燃烧不完全等计入，其实际能量消耗 约为理论值的2 3 倍。铝的化学活性极强，能与炉气中的c 0 2 、h 2 0 、残存的0 2 发 生化学反应而造成铝损失。氧化烧损的大小取决于残氧浓度、温度、表面积、时 间以及烟气与金属间的活性度。液态铝具有强烈的氧化、吸气倾向，随熔炼温度 的升高，时间的延长，氧化烧损和吸气倾向加重。铝在火焰炉内直接熔炼时，金 属烧损价值约等于燃料价值的3 倍。从经济角度计算，烧损每降低1 ，熔炼吨铝效 益相当于节约燃料油6 0 k g 左右。以上便是铝的熔炼特性。 铝加工企业的熔铸设备主要包括熔化炉、保温炉及铸造机。铝及铝合金的熔 炼是生产中的第一道重要工序，熔铝炉便成为熔铸机组的关键设备，它也是工厂 中的主要耗能设备，在生产能耗中占有很大的比例。以华北铝业公司为例，其原 铸轧分厂熔铝炉的重油消耗占铸轧板材生产总能耗的5 0 左右1 2 j 。 对现代企业来讲，熔炼的基本目的就在于用最经济的设备、工艺手段和最低 的消耗为铸造提供高质量的金属熔体。即在高生产率和低消耗条件下，生产出化 学成分合格、气体和非金属夹杂物含量符合制品要求，且温度适宜的优质熔体。 根据铝的熔炼特性，如何提高熔铝炉的热效率，降低其能耗及大力开发和推广少 无氧化熔炼技术，减少烧损成为该行业的主要节能方向。 1 2 熔铝炉的基本炉型 铝及铝合金的熔炼主要采用电阻炉和火焰炉两种，大型熔铝炉基本采用火焰 炉型式。近l o 年来，由于电阻炉熔池深度有限，生产效率低、能耗高以及加料困 难等原因造成设备投资、运行成本偏高且难以适应频繁开停炉等方面的要求。而 相对来说，火焰炉成本低、生产率较高且产量大，其严格遵守熔炼工艺制度并进 行在线铝熔体处理，可得到高质量的熔体，满足铸锭生产的质量要求。所以这几 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 年新建或改建的熔铝炉绝大多数为燃油、燃气甚至是燃煤的火焰炉。 ( a ) 图1 1 卧式熔铝炉 ( b ) 表1 1 卧式熔铝炉与竖式熔铝炉性能比较 2 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 火焰熔铝炉的基本炉型主要分为卧式炉及竖式炉两种【3 1 。目前，国内熔铝炉多 数为卧式矩形反射炉，并且以燃油( 柴油、重油) 为主，燃气( 天然气、煤气) 和燃煤为辅，图1 1 即为常见的卧式炉结构示意。 。妒 、擅 、 缪 一 锹蒯碧 图卜一2 竖式熔铝炉 1 一揭盖机构；2 一炉盖；3 一烟道；4 出料口；5 一炉门；6 一烧嘴安装口 2 0 世纪7 0 年代，借鉴冲天炉的特点，国内开发出了熔铝竖炉( 熔化速率为2 l o t h ) 。炉子为圆形，炉顶为圆拱顶，上面设置有炉盖提升装置。炉盖周围采用水 冷套，拱内壁砌粘土砖。加料时，揭盖机将炉盖移开，炉料定时用天车从炉顶加 入，不断被熔化而沉入熔池。由于一次加料量大，从而减少了加料时间，使生产 周期缩短。烧嘴沿圆周均布于炉腹位置。该型式熔铝炉热效率高，开、停炉方便【4 “。图l - - 2 n j 为常见的竖式炉结构示意。 鞍山科技大学工程硕士论文第一章文献综述 此外，两种炉型的熔铝炉均可建造成固定式或倾翻式的。这主要取决于资金 预算的可行性及设备的操作方式。采用固定式炉，熔铝炉在车间内的位置要比保 温炉和铸造机高，要修建宽畅的车辆专用通道，占据空间较大。建造倾翻式炉， 所有设备可安装在车间的同一地平面上，此外还具有快速和容易输送液态铝的优 点。但其投资和维修费用较耐6 】。 不同炉型的熔铝炉对企业熔铸设备的投资、生产成本以及操作环境和环境保 护等所产生的效果有着较大的区别。 卧式矩形熔铝炉与竖式圆炉的特点如表1 1 所示。 1 3 熔铝炉的节能技术 熔铝炉的熔炼过程大致可分为4 个阶段，即炉料装入到软化下榻；软化下榻至 炉料化平；炉料化平到全部熔化( 该阶段产生氧化浮渣) ；1 铝液升温。其中在装 料时，为了不损坏炉底及侧墙的耐火材料以及考虑在铝料熔化时得到有效的热交 换，要注意投入料的构成、配比及放置方式。对铝料的加热是通过烧嘴火焰的对 流传热、火焰和炉墙的辐射传热以及铝料间的传导传热来完成的。在整个过程中， 三者之间的比率是不断变化的。固态时铝的黑度小，导热能力强。随着熔炼过程 的进行，炉料进入半液半固的临界状态，其导热能力下降，热学性质发生了根本 性的变化。液态铝的导热能力仅为固态铝的4 0 ，熔池上部向底部的传导传热过程 十分缓慢。金属镜面上漂浮的疏松浮渣构成热传递的绝热阻挡层。此时熔池表面 氧化膜化开，失去了保护作用，氧化、吸气倾向增强。对于火焰熔铝炉来讲，在 铝的熔化期，炉膛温度一般控制在1 1 0 0 1 2 0 0 | 。c ，此时的出炉烟气温度即为炉膛 温度，烟气带走的热量约占炉子热负荷的5 0 7 0 ，考虑到1 0 的其它热损失，有 效热利用只有3 0 4 0 ，如果不充分利用这部分余热，势必会造成很大浪费，使炉 子热效率很低。采用换热器方式可回收烟气热量的3 0 ，有效热可提高约1 0 。【7 】 综上所述，选择有效的强化加热方式和回收烟气余热来预热助燃空气是提高炉子 热效率，确保熔炼过程中最少的直接燃料消耗的有效途径。其具体措施如下： ( 1 ) 采用高速或亚高速烧嘴对炉料进行冲击加热，提高燃烧效率，强化炉内传 热； ( 2 ) 采用烟道换热器回收烟气余热，提高风温； ( 3 ) 采用自身预热式烧嘴。 鞍山热能研究院同华北铝业有限公司( 以下简称华北铝) 合作从1 9 9 4 年1 0 月 开始到1 9 9 8 年先后对华北铝铸轧分厂的5 座熔铝炉进行了技术改造。主要技改措施 如下： ( 1 ) 采用亚高速烧嘴替换原有的g j 系y o # t - 燃式烧嘴【89 】 亚高速烧嘴是鞍山热能研究院自行研制的重油烧嘴，其形式简图如图1 3 所 4 一 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 不o i 空气 图1 3 亚高速烧嘴形式间图 1 一燃料管；2 一调风器：3 一点火口 该烧嘴的特点是：自带燃烧室和点火系统，冷炉状态下点火不冒黑烟。 燃烧效率达9 5 以上。燃气喷出速度大于7 0 t r d s 。 此外，每座熔铝炉的4 个烧嘴沿圆炉圆周呈9 0 。等分布置，切圆( ( p 6 5 0 ) 燃烧。 这种布置方式强化了炉内对流换热。其示意如图1 4 所示。 图1 4 烧嘴布置图 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 ( 2 ) 采用箱式喷流换热器回收烟气余热，预热空气瞄“l u j 熔铝炉的回收存在几个主要难点：在熔铝生产工艺过程中需加入一些盐类 覆盖剂，在高温、高风压的环境下，烟气中夹杂较多的盐类飞灰，对金属设备的 腐蚀极大，一般的金属换热器使用两、三个月便烧坏了；烟气中夹有金属粉末， 粘性很强，极易粘附在换热设备上，影响换热效果，且不好清除；一般熔铝炉 的工段场地比较狭窄，不适合安装体积较大的管式换热器。 鞍山热能研究院根据喷流技术自行研制的喷流换热器即是针对上述难点特制 的烟气余热回收装置，可以说是为熔铝炉量身定做的，其传热方式主要靠空气的 喷射作用强化空气侧传热，烟气侧为高温烟气的辐射换热。其结构示意如图1 5 所示。 图1 5 喷流换热气结构示意图 箱式喷流换热器具有几大特点：其换热面由平面和圆弧面组成，材质选用 耐热不锈钢。因此传热快，耐腐蚀。由于空气侧气流冲击，其表面持续微振动， 烟尘不易粘附，产生自净化作用。该换热器体积小、重量轻，既可单片安装， 又可串联组合。由于采用平面换热，可安装在烟道的顶面和侧面，不占烟道空 间，减小烟道内阻损。通过测试得出，预热温度可达2 0 0 以上，取得了较好的换 热效果。 通过以上方式，鞍山热能研究院为华北铝铸轧分厂5 座熔铝圆炉的节能改造取 得了较为满意的成果。在改造前为冷空气直接燃烧，单耗重油1 9 8 1 2 k 吨铝，热 效率仅为1 5 7 1 。改造后空气预热温度为2 0 0 以上，换热器的换热效率可达3 3 ， 单耗重油1 0 9 2 1 k g 吨铝，热效率为2 2 4 4 1 1 1 、1 21 3 1 。 自身预热烧嘴是将燃烧装置、热交换装置以及排烟装置三者结合为一体的、 结构紧凑的供热装置。一般情况下可将助燃空气预热到烟温的4 0 左右，燃料节约 率可达3 0 5 0 i l ”。其结构示意图如图1 6 所示。 一6 一 鞍山科技大学工程硕士论支 第一章文献综述 图1 - - 6 自身预热烧嘴示意图 从上个世纪的7 0 年代英国开发了首台自身预热式烧嘴起，到目前为止，国内 外研制了各种形式的该种烧嘴多达几十种。自身预热烧嘴我国最早将其应用在钢 铁锻造炉和热处理炉上，近几年开始应用到铝加工行业上。采用自身预热烧嘴的 熔铝炉与采用烟道换热器的熔铝炉相比，燃料节约率可达2 0 左右。表1 2 给出了 不回收烟气余热的普通熔铝炉、烟道中设置换热器的热风熔铝炉以及配置自身预 热烧嘴的熔铝炉之间的对比情况( 表中参数均为实际生产测试所得) 。 表1 2 普通熔铝炉、热风熔铝炉、自身预热烧嘴熔铝炉性能比较 综上所述，从实际的工程应用来看，在企业条件许可的情况下，火焰熔铝炉 在考虑炉内强化加热的同时应尽可能利用烟气余热来预热助燃空气，甚至采用自 身预热式烧嘴，是可以取得较显著的节能效果的。 此外，合理安排生产工艺、装炉与操作机械化、实现熔炼过程自动控制以及 设置熔体搅拌装置均能为实现熔铝炉的节能降耗起到一定的积极作用【7 j 。采用少无 氧化熔炼技术，控制烟气中的含氧量，从而降低氧化烧损，亦可实现直接节料， 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 间接节能，且经济价值更为显著。 1 4 高温空气燃烧技术简介 2 0 世纪8 0 年代以来发达国家为了高效回收高温烟气余热而采用了蓄热式燃烧 技术。进入9 0 年代后，日本率先在原技术高效节能( 节能3 0 以上) 的基础上，通 过实现低n 0 。排放而发展了高温空气燃烧技术( h t a c ) 。这是近年来热工领域中最 令人瞩目的技术之一。该项技术在提高火焰炉热效率，降低污染物排放，扩大低 能质燃料的使用领域等方面具有很大优势1 1 5 1 61 7 1 8 1 。 蓄热式高温空气燃烧技术发展很快，国内这项技术在冶金、机械等领域得到 了广泛应用，未来的应用前景依然广阔。国内应用蓄热式高温空气燃烧技术应用 实例如表l 一3 所示【1 92 0 、2 ”。 表l 一3 国内部分应用蓄热式高温空气燃烧技术应用实例 鞍山科技大学工程硕士论文 第一章文献综述 表1 3 ( 续)国内部分应用蓄热式高温空气燃烧技术应用实例 根据以往的经验，在工业炉窑上使用该项技术燃料节约率在5 5 左右，比采 用一般余热回收装置的燃料节约率高2 0 3 0 ，从而大大提高了炉窑的热效率。 另外，使用该技术余热回收的温度效率可以达到9 0 以上，空气预热温度接近烟 气入口温度，提高了燃烧温度，使得火焰辐射能力增强，加热速度加快，最终提 高炉窑的生产率1 7 1 8 1 。 鞍山科技大学工程硕士论文第二章关于蔷热武高温空气燃烧技术 第二章关于蓄热式高温空气燃烧技术 2 1 蓄热式高温空气燃烧技术的特点 高温空气燃烧改变了传统燃烧方式，采用烟气再循环方式或燃料炉内直接喷 射燃烧的方式，主要表现为经过陶瓷蜂窝体的助燃空气被预热至1 0 0 0 以上，以 适当的速度喷入炉膛，在高速气流卷吸、搅拌作用下与炉内燃烧产物混和，空气 中2 1 的氧被稀释，在低氧浓度( 最低5 6 5 ) 流体中燃烧【1 7 2 5 1 。由此产生许 多优点： ( 1 ) 热回收率可达8 0 以上，温度效率可达9 0 以上。 ( 2 ) 消除了局部高温区，炉温分布均匀，提高加热质量。 ( 3 ) 延长炉子耐火材料使用寿命。 ( 4 ) 在高温空气条件下燃烧可实现低空气系数燃烧，减少钢坯氧化烧损。 ( 5 ) n o 。及c 0 2 生成量降低。 高温空气燃烧与传统燃烧的比较如表2 一l 所示【2 7 8 1 。 表2 1 高温空气燃烧与传统燃烧的比较 从表2 1 中可以看出，高温空气燃烧在节能控制以及低污染方面均有重大飞 跃，它成为2 1 世纪的关键技术之一。 1 0 鞍山科技大学工程硕士论文第二章关于蓄热式高温空气燃烧技术 2 2 蓄热式高温空气燃烧系统的结构特征 蓄热式高温空气燃烧系统包括一对装有蓄热体的燃烧器和一套换向系统( 包 括换向阀及控制系统) 以及相关管路系统，它周期性换向操作，是集烧嘴、蓄热 室、排烟器为一体，同时具备组织燃烧，空气预热，烟气排放三种功能的燃烧系 统。 2 3 蓄热式高温空气燃烧系统的两种基本型式 蓄热式燃烧系统根据其蓄热体的不同基本分为r c b ( r e g e n e r a t i v ec e r a m i c b u r l l e r 一陶瓷蓄热式燃烧系统) 和h r s ( h i g h c y c l er e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ns y s t e m 一高频蓄热式燃烧系统) 。r c b 蓄热体一般采用m 1 5 q ) 2 0 耐火球，比表面积2 0 0 2 5 0m 2 ，m 3 ，换向时间3 m i n 左右。h r s 蓄热体一般采用蜂窝体，以1 0 0 格孔( 2 5 4 m m ) 2 为例，其比表面积在1 3 0 0 m ：m 3 以上，换向周期3 0 s 。f i r s 与r c b 比较有以下几点不 同之处：采用h r s 系统温度效率可达9 5 ，热效率达8 0 以上，l l r c b 约高1 0 ； h r s 系统的蜂窝体内空气通道规则，压力损失小，约为r c b 的1 3 ；h r s 换向 频繁，使炉内温度更为均匀，但同时也增加了换向系统的负担。而r c b 系统对换 向阀门的要求就较低。 r c b 系统的耐火小球易清洗，可重复使用，所以相对更 换率偏低。 2 4 蓄热式高温空气燃烧系统的工作原理 蓄热式高温空气燃烧系统正常工作时，两只燃烧器分别处于两种不同的工作 状态( 即燃烧状态或蓄热状态) 。工作原理如图2 1 所示。 如图2 1 中的状态i 所示，由鼓风机供给的助燃空气经换向系统进入右侧蓄 热室。预热后的空气在烧嘴喷口处与燃料混合，并从喷口喷出燃烧。燃烧产物对 炉内物料加热后进入左侧喷口，并通过左侧蓄热室进行热交换，将大部分热量传 给左侧蓄热体后，以1 5 0 左右的温度进入换向机构，然后经引风机排入大气。3 0 秒至3 分钟后控制系统发出指令换向机构动作，系统变为如图2 状态i i 所示，此时 空气通过左侧蓄热室在喷口处和燃料相遇并混合燃烧，这时右侧喷口只作为烟道， 在引风机作用下，高温烟气通过右侧热蓄热体排出，一个换向周期完成。周而复 始，达到交替燃烧、蓄热的目的。 2 5 蓄热式高温空气燃烧节能分析 高温空气燃烧是集三种节能作用于一体的而具有最高节能效果的燃烧方式。 其三种节能作用分别是烟气直接进炉循环、空( 燃) 气预热和燃烧改善。主要体 现在以下几个方面 2 8 3 6 1 。 立型生型墨查兰三垦里圭! 哒 笙三主羞堇垫垄堕塑窒皇鉴塑垫查 状态i 状态i i 图2 1 蓄热室高温空气燃烧系统工作原理 1 2 燃料 鞍山科技大学工程硕士论文 第二章关于蓄热式高温空气燃烧技术 2 5 1 “极限”回收烟气余热 采用蓄热式高温空气燃烧技术可以将空气温度预热到仅比炉膛温度低5 0 1 0 0 4 c 的状态，实现所谓的“极限”回收。其原因有两点： 高温炉膛烟气直接进入蓄热体，通过切换阀的作用完成与空气的换热过程。 传热过程的换热量可以用如下公式表示： q o = k f f 其中：蜴一换热量，k j ； k 一综合传热系数，k j ( m 2 ) ： 出一对数平均温度，； f 一换热面积，m 2 。 从公式中可以看出，蓄热室的换热面积是影响换热量大小的重要因素之一。 上述“蓄热式高温空气燃烧系统的两种基本型式”一节中提到，无论是陶瓷球还是蜂 窝体均具有较高的比表面积，这使得h t a c 烧嘴的诞生成为可能。 综上所述，显然空气被预热到高温增加了燃烧所带进的物理热，具有明显的 节能效果。预热空气的燃料节约率可用下述公式计算： s ：上 p + 日 其中：s 一燃料节约率 p 一预热空气带入的物理热，k j m 3 日一被炉膛利用的燃料有效热，k j ( m 3 h ) 以丙烷为例，假设烟气入口温度为1 2 0 09 c ，空气系数取1 0 5 ，丙烷流量为 0 0 1 m 3 。利用以上公式可得燃料的节约率为4 7 6 。如果烟气入口温度提高，燃料的 节约率还可进一步上升。 2 5 2 低空气系数燃烧 h t a c 烧嘴由于实现了烟气余热的“极限”回收，使得助燃空气的预热温度达到 燃料的着火点以上，燃料与高温空气接触后便能迅速燃烧。另外由于烟气再循环 使得燃烧火焰体积成倍增大，燃料余助燃空气的混合更为均匀。因此h t a c 烧嘴在 空气系数接近1 的情况下亦能完全燃烧。 文献( 3 3 ) 中指出，在加热炉炉膛废气温度7 0 0 9 0 0 。c 的条件下，当空气系 数大于1 时，空气系数每减少0 1 ，则炉子热耗降低3 5 ，如果实际炉子空气系 数在1 2 以上，那么降低空气系数的节能潜力会更大。 鞍山科技大学工程硕士论文 第二章关于蓄热式高温空气燃烧技术 2 5 3 炉膛温度均匀使得换热效率提高 采用h t a c 技术，燃料在高温低氧的状态下燃烧，高温炉气充满炉膛，炉内温 度分部趋于均匀，温度梯度仅为3 0 5 0 。c 左右。同时平均温度的提高使得炉内的 辐射换热大大加强。这样不但提高了产品质量，同时也提高了产量，间接起到节 能的作用。 2 5 4 缩短炉膛尺寸，减少热损 采用h t a c 技术，换热效率得到了很大的提高，使得炉膛尺寸减小，从而减少 了炉衬的散热、蓄热损失，从这个角度也间接起到了节能的作用。 2 5 5 低氧燃烧，降低氧化烧损 采用h t a c 技术，燃料是在低氧的气氛下完成快速燃烧过程的，这样就降低了 工件的氧化烧损，起到了直接节料、间接节能的作用。 从分析得出，采用h t a c 技术其燃料节约率完全可以达到6 0 以上。 综上所述，由于熔铝圆炉排烟温度较高，这一技术的应用，无疑为火焰熔铝 圆炉的节能起到了积极的推动作用。近年来，高温空气燃烧技术随着换向阀及蓄 热体的不断发展完善已趋于成熟，将其应用到火焰熔铝炉上已成为必然。 鞍山科技大学工程硕士论文第三章 高温空气燃烧技术在熔铝炉上的应用 第三章高温空气燃烧技术在熔铝炉上的应用 3 1 原始条件 华北铝业有限公司( 以下简称华铝) 主要产品为铝加工板、带、箔及型材等。 主要产品产量为3 万吨年。其铸轧分厂原有熔铝炉5 座，其中4 座( 设计容积2 0 t 炉) 用于生产板材，一座( 设计容积1 5 t 炉) 用于生产型材。该5 座熔铝炉均以重 油为燃料，年消耗重油5 0 0 0 吨，占铸轧分厂总能耗的5 1 以上，从统计数据来看， 其重油单耗在1 9 0 k g t 铝左右，炉子热效率在1 5 左右。从1 9 9 4 年到1 9 9 8 年华北铝业 有限公司同鞍山热能研究院合作，先后对其5 座熔铝炉进行了技术改造( 改造措施 及节能效果在“熔铝炉的节能技术”一节已有叙述) 。近年来，考虑到油源不稳定及 环境污染的问题，华铝提出了烧重油改烧液化石油气的方案。2 0 0 0 年在同鞍山热 能研究院的进一步技术交流后决定在其国家重点科研项目一铝板超薄快速铸轧机 的配套设备一2 5 吨熔铝炉设计中采用蓄热式燃烧技术，燃料为液化石油气。原始 资料如下： 熔池容量2 5 t ； 熔化速度5 t h ； 燃料热值q d = 2 1 0 0 0 k j n m 3 ； 炉气温度1 0 0 0 1 2 0 0 ； 原炉单耗l o o k g 重油t 铝； 装料方式移动炉盖，顶口天车吊装； 炉盖移动方式采用轨道式揭盖机； 出料方式炉底出料口塞棒控制出料； 出料温度7 3 0 7 6 0 ； 铝液最高温度8 5 0 。 3 2 蓄热式熔铝炉的设计说明 3 2 1 炉体结构设计说明 ( 1 ) 熔池 熔池内径4 7 3 0 m m ，熔池侧墙底部设出水口，炉底出水口有一下降坡度，熔池 深度7 1 0 m m ，熔池容积9 3 m 3 。 ( 2 ) 炉膛 熔铝炉的炉膛容积热负荷取( 3 0 0 0 5 0 0 0 ) 1 0 3k j ( m 3 h ) d 7 】，依此确定燃 烧室容积( 铝液以上容积) 。计算公式如下： 鞍山科技大学工程硕士论文 第三章高温空气燃烧技术在熔铝炉上的应用 矿：堡盟 q 其中：矿燃烧室容积，m 3 q d 8 一燃料低位发热量，k j m 3 q 一炉膛容积热负荷，k j ( m 3 h ) 曰一燃料消耗量，m 3 h 经计算确定：炉膛内径4 7 3 0 m m ，炉膛上口收缩变为4 5 0 0 m m ( 其作用是减少 开炉盖期间炉1 2 1 散热量，若不考虑温度变化影响，可减少炉1 2 1 辐射散热量的2 0 ) ， 炉膛液面线以上高度为1 4 2 4 m m 。 ( 3 ) 炉壳钢结构 采用1 0 m m 厚钢板，外加加强筋。 ( 4 ) 炉衬 炉底为2 0 4 m m i r