影响熔铝炉热效率的因素探讨

影响熔铝炉热效率的因素探讨文/上海埃鲁秘工业炉制造有限公司/刘荣章能源是制约国民经济发展的命脉，世界各国都在积极制定适合本国国情的能源发展战略。尤其是在目前国际油价持续攀升以及地球气候不断变暖的大背景下，开展“节能减排”工作至关重要。我国政府在“十一五”规划中，明确要求能源发展要“坚持开发节约并重、节约优先”的政策，制定了“十一五”期间每百万元GDP产值的能耗降低20%的战略目标。为此，各行各业都有必要针对本行业的特点大力开展节能降耗的工作。一、引言能源是制约国民经济发展的命脉，世界各国都在积极制定适合本国国情的能源发展战略。尤其是在目前国际油价持续攀升以及地球气候不断变暖的大背景下，开展“节能减排”工作至关重要。我国政府在“十一五”规划中，明确要求能源发展要“坚持开发节约并重、节约优先”的政策，制定了“十一五”期间每百万元GDP产值的能耗降低20%的战略目标。为此，各行各业都有必要针对本行业的特点大力开展节能降耗的工作。近五十年来，铝已成为世界上最为广泛应用的金属之一。在建筑业上，由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观而受到广泛应用；在航空及国防军工部门，铝合金材料是许多关键零部件的主要加工原料；汽车、集装箱运输、日常用品、家用电器、机械设备等领域都大量使用铝及铝合金。与之相关的熔铝炉成为上述企业必不可少的加热设备，粗略估计全国各种容量的熔铝炉数量在上万台。尽管铝的熔点温度低（660C），但是铝的熔化潜热和比热容大，熔铝所需的能耗较高。因此，提高熔铝炉热效率，减少能源消耗，降低污染物和温室气体的排放是实现国家能源战略目标的具体举措之一。熔铝炉主要有反射炉、感应炉、电阻炉等形式。反射炉使用的燃料主要有天然气、煤气、重油等。本文结合生产实际，重点探讨影响燃用天然气的熔铝炉热效率因素，提出熔铝炉优化设计方案和运行策略。其中部分内容对提高感应炉、电阻炉的热效率也是有益的。二、影响热效率的因素分析理论上熔化1t铝耗电能320kWh或天然气约32.3Nm3。若将炉体升温、热量泄漏、燃烧不完全等计入，目前实际能耗为理论值的2-3倍，甚至更多。可见，提高熔铝炉热效率的潜力很大。众所周知，送入炉膛的热量等于送入炉内物料的吸热量以及各种热损失之和。其中，送入炉膛的热量包括燃料的化学热（发热量）和物理热（显热焓）以及空气和物料的物理热（显热焓）；各种热损失主要包括排烟热损失（排烟显热焓）、不完全燃烧损失、炉壁散热损失等；如果是固体燃料则还包括灰渣热损失等。针对燃烧天然气的熔铝炉，提高其热效率主要措施是降低排烟温度、减少炉壁散热损失；另外，降低过量空气系数能够有效提高火焰温度、减少氧化烧损；提高炉膛温度均匀性，能够提高加热质量、降低物料氧化烧损量，从而提高熔铝炉单位时间内的产量，降低能耗。下面，具体分析各项热损失的影响因素。1、排烟温度由于铝的熔点温度约为660℃，则由热力学第二定律可知，熔铝炉的炉膛出口排烟温度不可能低于450℃，一般多为500℃以上。如果这样高温度的烟气直接排放到外界环境，不仅浪费能源，更给周围环境带来热污染，恶化工作环境。目前，竖炉形式的熔铝炉多数采用高温排烟预热入炉物料。但由于物料形状多变，一般体积较大，堆积在加料通道内，而且由于熔铝炉在车间内的安放位置有限，不可能有很大的空间布置加料通道。因此，烟气对物料的传热面积有限，导致熔铝炉的排烟温度多数在450℃以上，尤其是小容量熔铝炉由于其炉膛小，炉膛出口烟气温度高而使得熔铝炉排烟温度更高。故传统熔铝炉的热效率多为45%左右，甚至更低。近年来，逐步发展起来的蓄热式燃烧技术在冶金行业得到了广泛的推广应用。蓄热式燃烧技术一般要求至少布置一对烧嘴，每对烧嘴周期性交替喷射燃料、助燃空气和排放烟气，其蓄热体起到中间载体的作用，把排烟中的显焓传递给助燃空气，从而降低加热炉的排烟温度，提高助燃空气温度，实现提高加热炉效率的目的。蓄热式燃烧技术属于非稳定燃烧技术，一般它要求改变传统稳态加热炉的炉膛布置形式，必须优化烧嘴的运行参数和结构参数，使用抗热振、耐金属氧化物腐蚀的蓄热体，而且对燃烧自动控制系统要求较高。目前，国内已有一些企业使用蓄热式熔铝炉，取得了较好的节能效果。埃鲁秘公司与同济大学合作研发了适合熔铝工艺要求的蓄热式熔铝炉及保温炉系列产品，在重庆仁寿公司应用中取得了比该公司原有炉子节能50%的效果，实际测试每吨铝锭耗气量低于70Nm3，这里已经包括了铝熔化、硅、铜、精炼除气等的熔化和合金化过程。2、炉壁散热损失炉壁散热损失是仅次于排烟温度过高而降低熔铝炉热效率的主要因素。其中，取料口、炉门等处的漏热非常大。尽管高温铝液本身的发射率较低，但是铝液上面漂浮的一层氧化物发射率较高，况且辐射换热与热力学温度的四次方成正比，故在取料口和炉门处需要采用优化设计的反射罩结构，起到遮热板的作用，防止热量的大量散失。另外，个别耐火材料和保温介质破损地方往往引起局部漏热，导致炉内热量散失。此时，仅凭肉眼是无法看出的，重庆东海埃鲁秘工业炉有限公司拥有国内最先进的非制冷焦平面红外热成像仪，可以直观对炉壁温度进行测量、分析和热损失计算，甚至可以直接看到炉内铝液泄漏，并对炉壁进行拍照，把照片送入计算机进行热分析计算处理，能够及时有效防止安全事故的发生。炉壁与周围空气、周围环境的对流换热量和辐射换热量，同炉壁温度直接相关。采用导热系数较低的保温材料尽管原材料价格昂贵，但是能够有效降低炉壁温度。另外，对流换热与炉壁的位置有很大关系。一般来说，单位面积的炉顶散热量大于单位面积侧炉壁散热量，炉底的散热量相对最少。因此，一般要求炉顶采用性能更好的轻质耐火、保温材料。埃鲁秘公司与同济大学合作研制了炉壁保温设计优化软件，为熔铝炉、保温炉等的炉壁设计提供了理论指导，同时采用红外成像仪在每个产品上检验是否存在漏热问题，保证了熔铝炉、保温炉的炉壁具有良好的保温、隔热性能，在此基础上研发并取得了多项专利保温技术。埃鲁秘的炉子采用了一系列进口纳米绝热保温材料，使埃鲁秘公司的产品在同类产品中能耗是较低的。图1为1t/h集中熔铝炉的结构图。根据实际测试，重庆东海埃鲁秘工业炉有限公司的熔铝炉与某公司的熔铝炉散热量对比分析见表1。由表1可见：光炉壁散热每天二者相差189KW，按照柴油每公斤6元6KW有效发热量（50%热效率）计算发热量计算，每天要多花费人民币189元，按照年340天计算，将多花费燃料费64260元。3、过量空气系数过量空气系数表征输送入炉膛的助燃空气量与理论燃烧需要的空气量的比值。过量空气系数过大，则导致排烟中含有大量未参与燃烧的空气，这些空气将降低炉温，随烟气携带走大量的热量，导致热效率低下，理论计算：在600℃排烟温度条件下，当过量空气系数等于1.0时，排气损失在28%左右，而在同等排烟温度时，如果过剩空气系数上升至1.5时，则排气损失上升至40%，可见控制过剩空气系数对燃烧效率的影响非常大。但是过剩空气系数也不能小于1.0，否则会造成燃料不完全燃烧而降低热效率，燃料的化学热不能充分释放出来，而且还导致烟气中含有CO等致命的污染物。由于熔铝炉在工作过程中，经常出现负荷波动的情况，此时助燃空气量务必要求跟随燃料量的波动而调整。否则，不是导致排烟中含有可燃气体，就是导致排烟中含有大量空气。总之，不及时调整助燃空气量将使得加热炉的热效率急剧下降。使用过一段时间的熔铝炉一定要通过检测烟气中的含氧量，来调整助燃空气量。埃鲁秘公司的调试和售后服务人员配备德国进口烟气分析仪，对已出厂产品进行燃烧调整，确保熔铝炉和保温炉处于最佳燃烧工作状态，从而使得其热效率始终保持较高值。4、氧化烧损铝是一种化学性质活泼的金属，它能与炉气中的CO2、H2O、残存的O2发生化学反应，造成铝的损失；而且从铝土矿、氧化铝到工业纯铝需要耗费大量的电能，仅以60kA熔炼电解铝为例，每产1t铝需要碳素阳极560kg，电耗16500kWh。有文献分析认为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三倍。故减少氧化烧损可以节省大量的金属，实现直接节料，间接节能。这就要求在燃烧组织方面，采用接近于1.05的过量空气系数，防止空气射流直接冲刷铝液表面。经常使用烟气分析仪的检测设备能够及时调整燃烧状态，不仅提高热效率，而且可以减少氧化烧损。同时，烧嘴的布置与射流速度的优化，能够有效减少氧化烧损。5、炉温均匀性在大型熔铝炉中，烧嘴的运行参数以及与炉膛结构对炉温均匀性有很大影响。炉温分布不均匀，一方面导致部分铝液烧损严重，烟尘中氧化铝含量急剧增加，另一方面，炉膛高温区有可能使炉壁温度超限，缩短耐火材料、保温材料的使用寿命。ComputationalFluidDynamics（CFD）技术能够在熔铝炉运行之前，预估炉内温度场、速度场和压力场，判断烧嘴的运行参数以及炉膛结构设计是否合理？结合国际最新熔铝炉设计理念以及CFD技术，埃鲁秘公司与同济大学开展了熔铝炉优化设计研究，促进了企业产品性能的提升。6、自动控制系统及检测仪表通过埃鲁秘公司的长期应用实践，发现熔铝炉的自动控制系统控制精度高，既可以实现燃气熔铝炉的安全运行，又可以降低能源消耗。同时，采用耐高温和防铝液侵蚀的进口SIALON热电偶保护套管，能够实时检测铝液温度变化，保证熔铝质量。结论熔铝炉是众多工业炉中的一种，对其热效率影响因素的分析，对其它种类工业炉热效率分析具有同样重要的指导意义。从加工制造熔铝炉到使用维护熔铝炉的每一环节，都有必要严格按照“优化设计、精心制造、及时检测、用心维护”的原则，既提高企业能源利用率，降低能源成本，又能够提高产品质量。上海埃鲁秘工业炉制造有限公司拥有上述多项熔化炉节能方面的专利，并在公司拥有较先进的燃烧实验室，可以对炉子的各种工况进行测试分析，其产品在国内、日本、韩国以及东南亚都有着很好的口碑。过量空气系数表征输送入炉膛的助燃空气量与理论燃烧需要的空气量的比值。过量空气系数过大，则导致排烟中含有大量未参与燃烧的空气，这些空气将降低炉温，随烟气携带走大量的热量，导致热效率低下，理论计算：在600℃排烟温度条件下，当过量空气系数等于1.0时，排气损失在28%左右，而在同等排烟温度时，如果过剩空气系数上升至1.5时，则排气损失上升至40%，可见控制过剩空气系数对燃烧效率的影响非常大。但是过剩空气系数也不能小于1.0，否则会造成燃料不完全燃烧而降低热效率，燃料的化学热不能充分释放出来，而且还导致烟气中含有CO等致命的污染物。由于熔铝炉在工作过程中，经常出现负荷波动的情况，此时助燃空气量务必要求跟随燃料量的波动而调整。否则，不是导致排烟中含有可燃气体，就是导致排烟中含有大量空气。总之，不及时调整助燃空气量将使得加热炉的热效率急剧下降。使用过一段时间的熔铝炉一定要通过检测烟气中的含氧量，来调整助燃空气量。埃鲁秘公司的调试和售后服务人员配备德国进口烟气分析仪，对已出厂产品进行燃烧调整，确保熔铝炉和保温炉处于最佳燃烧工作状态，从而使得其热效率始终保持较高值。4、氧化烧损铝是一种化学性质活泼的金属，它能与炉气中的CO2、H2O、残存的O2发生化学反应，造成铝的损失；而且从铝土矿、氧化铝到工业纯铝需要耗费大量的电能，仅以60kA熔炼电解铝为例，每产1t铝需要碳素阳极560kg，电耗16500kWh。有文献分析认为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三倍。故减少氧化烧损可以节省大量的金属，实现直接节料，间接节能。这就要求在燃烧组织方面，采用接近于1.05的过量空气系数，防止空气射流直接冲刷铝液表面。经常使用烟气分析仪的检测设备能够及时调整燃烧状态，不仅提高热效率，而且可以减少氧化烧损。同时，烧嘴的布置与射流速度的优化，能够有效减少氧化烧损。5、炉温均匀性在大型熔铝炉中，烧嘴的运行参数以及与炉膛结构对炉温均匀性有很大影响。炉温分布不均匀，一方面导致部分铝液烧损严重，烟尘中氧化铝含量急剧增加，另一方面，炉膛高温区有可能使炉壁温度超限，缩短耐火材料、保温材料的使用寿命。ComputationalFluidDynamics（CFD）技术能够在熔铝炉运行之前，预估炉内温度场、速度场和