高效节能天然气蓄热式熔炼炉的建设或改造方案.pdf

2 0 1 4年 4月第 2期 高效节能天然气蓄热式熔炼炉的建设 或改造方案黄 向阳 l 7 ‘夺 。 夺 ’ 夺 ‘ 夺 ‘ 夺 ‘ 夺‘ 夺’ ‘ ． ；设备节能 ’ ．争 ． 争 ． 夺 ． 争． 争 ． 争 ． 々． 争 高 效 节 能 天 然 气 蓄 热 式 熔 炼 炉 的 建 设 或 改 造 方 案 黄 向 阳 中 国铝 业 山 东分公 司 ，山 东 淄博 2 5 5 0 5 2 [ 摘要] 通过实践操 作运 行规 范化要求 以及对熔 炼炉 的炉型结 构 、 炉 衬 、 燃 烧 、 控制系 统的设 计和施工 ， 可使供 参 考本方案建设 或改造熔 炼炉 的生产单位 降低能耗 成本 并提 高产 品质量 ， 同时也可 降低环 境污染 和 C O 排量 ， 促 进 企业设备 自动化 和循 环经济发展 。 [ 关键词 ] 天然气熔炼炉 ；蓄热式燃烧 ；高效节能 ；建设 ；改造 [ 中图分 类号 ]T F 8 0 6 ． 2 ； T F 8 2 1 [ 文献 标志码 ]B [ 文章编号 ]1 0 0 8 5 1 2 2 2 0 1 4 0 2 0 0 1 70 4 Bu i l d i n g a n d Re c o ns t r u c t i o n Pl a n f o r Na t u r a l Ga s Re g e ne r a t i v e Hi g h Effi c i e n c y a n d En e r g y S a v i n g S m e l t i n g Fu r n a c e HUANG Xi a ng - y a n g Ab s t r a c tBy a n a l y z i n g t h e de s i g n，i mp l e me n t a t i o n a n d r u n ni n g p r o c e s s o f s me l t i n g f u r n a c e，t h e o p t i ma l e n e r g y s a v i n g e f f e c t s wa s r e a l i z e d a n d t he p r o d u c t i o n b e n e fit s wa s i n c r e a s e d．Th e i mp l e me n t a t i o n o f o pe r a t i o n s t a n d a r d，a n d t he d e s i g n a n d b ui l d i n g o f f ur n a c e p r o fi l e，f u r na c e l i n i n g，c o mb u s t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m o f s me l t i n g f u r n a c e c a n r e d uc e t h e e n e r g y c o n s u mpt i o n c o s t a n d i mp r o v e t h e pr o d u c t i o n qu a l i t y o f t h e e n t e r p r i s e s t h a t u s e t h e pl a n f o r r e f e r e n c e t o bu i l d a n d r e c o n s t r u c t t he s me l t i n g f ur n a c e ．Th e e n v i r o n me nt a l p o l l u t i o n a n d CO2 e mi s s i o n we r e r e d uc e d，a nd t h e e qu i p me n t a u t o ma t i o n a n d c i r c u l a r e c o n o mi c de v e l o p me n t we r e i mp r o v e d． Ke y wor ds n a t ur a l g a s s me l t i n g f u r n a c e；r e g e ne r a t i v e c o mb u s t i o n；hi g h e f f i c i e n c y a n d e n e r g y s a v i n g； c o ns t r u c t i o n；r e c o ns t r u c t i o n O 前言 当前冶金和铸造加工行业普遍采用天然气熔炼 炉 熔铝 、 铜 、 铁 作为熔炼设备 ， 但其存在天然气能 耗偏高和对外环境排放余热烟气量大的问题。高天 然气 能耗 增 加 了生 产 成 本 ， 甚 至 降 低 产 品 质 量 和 生 产效率 ， 使企业缺乏市场竞争力 ， 同时也会引起环境 污染和温室效应 。促进经济发展的同时保持绿色生 产 ， 是 当前制约该行业 和社会发展 的矛盾 。建设高 [ 收稿 日期]2 0 1 3 0 9 2 0 [ 作者简 介】黄 向阳 1 9 6 6 一 ， 男 ， 山东淄 博人 ， 大学 本 科 ， 高级工程师 ， 主要从事装备能 源管理及招标工作 。 能耗熔炼炉或计划依托能源生产 的熔炼炉时 ， 应考 虑选择节能型高效率熔炼炉。针对熔炼炉的建设或 改造 ， 本文提 出了一种天然气蓄热式高效节能方案。 本文从几方面阐述普通天然气熔炼炉如何建设 或改造成为一种高效节能的熔炼炉。 1 燃 料 的选择 天然气是一种 比较清洁的能源 ， 燃烧后热效率 高、 污染物少 ， 相 比其他燃料如重油 、 焦炭具有很大 优势 ， 所以熔炼 炉的燃料 主要是天然气。但具有其 他丰富资源的地区可综合考虑经济和环境价值选择 其他燃料。 1 8 有色冶金节能 口设备节能 2 炉体的建设 或改造 铸造熔池容量和装料量决定了炉体的大小。加 料和放液铸造方式的方位决定 了炉体的结构。加料 方式要考虑原料形状大 小、 再生原料 的存 放场所。 炉门的方位和大小既要方便装料、 缩短生产时间， 也 要考虑炉 内热量损失 。炉门是熔炼炉热量损失最大 的漏 点 ， 其热量 损失 由两方 面产 生 一是炉 门 的密封 性差 ； 二 是熔化 过程 中二 次 加 料 和配 料 打 开 炉 门时 间过长。炉门越大越有利于加料和缩短操作时间但 其热量损失也越多 ， 所以需要综合考虑原料情况， 设 计合理的炉 门结构和尺寸。放液 铝 口的位置与 铸造设备位置关联 ， 主要考虑其与熔池的倾斜度， 以 利于放干净熔池里的液体。 通常根据工艺需求和空间布置选择矩形炉 、 拱 顶形炉或 圆形炉。从经济和实用角度， 矩形炉和拱 顶形炉使用比较多。矩形炉制作工艺简单 ， 但炉顶 承受 力不 如拱 顶形 炉 ， 生 产 时 间较 长 时 炉 顶 的浇 注 料 易脱落 。拱 顶形 炉 的炉顶 制 作 工 艺相 对 复杂 ， 成 本高于矩形炉 ， 但经久耐用。应综合考虑建设熔炼 炉的场所 、 空 间位置 、 所在地 区燃料及 材料供应情 况 、 地质与气候情况等因素 ， 确定合理的炉形方案。 炉体 大小 、 熔 池容 量 、 炉 门和放铝 口的位 置基 本 炉墙镶嵌的耐热钢 决定 了整个 熔炼 炉 的空 间结构 。炉体 的新 建或 改造 包括外部钢结构 、 炉墙保温层和炉内衬。 当代技术水平可以满足任何炉体钢架结构的制 作。炉墙的保温层关系到整个炉体的保温性能和热 量损失 ， 所以保温材料的选择 和安装工艺都非常重 要 。无 论新 建还 是 旧炉 改 造 ， 采 用 保 温 性 能较 好 且 有效时间长的材料对减少炉体热量散失和降低能耗 都具有重要作用。炉衬基本采用高强度耐高温浇注 料整体浇筑 ， 淘汰了过去的高铝砖砌筑 ， 大幅提高了 炉体整体强度和密实性 。考虑熔炼技术的更新速度 和整体炉的性能， 内衬材料的寿命达 8～ 9 年即可。 炉 门的密封性是熔炼炉建造或改造中比较难 以 解 决 的 问题 。无论 使用 液压 密封 装置 还是 机械 密封 装置 ， 随着炉的使用 ， 其高温受热时间长 ， 炉门框 的 浇注墙 面 和炉 门均会发 生变 形 ， 导 致无 法密 封 ， 炉 内 热量散失使炉的热工效率也加速下降。为了解决此 问题 ， 结合国外熔炼炉门制作经验和实践中的遇到 的问题 ， 设计 了一 种经 济 实用 的炉 门 在 炉 门框 墙 四周 同一平 面 预 制 1 2 0 0℃ 耐 热 钢 ， 炉 门 四周 同样安 装耐热 钢 ， 并 在 炉 门耐 热 钢 中镶 嵌 陶瓷 软 密 封圈， 保证炉门框 四周不变形 ， 使得炉 门与炉门框 墙 之间固体耐热钢通过 陶瓷软密封圈接触压紧 密 封 ， 其 设计 结构 如 图 1 。 炉门框镶嵌的耐热钢 图 1 炉 门防变形和密封 陛设计 辅助烟道是基于安全考虑用于平衡炉膛压力的 与大气的连通管道。其 口径依据燃烧器 的最大燃气 量燃烧温升后的气体膨胀量泄压流速确定 ， 以维持 炉膛 的正 常压力 。辅助 烟道 一般安 装在 炉 内 的侧 墙 接近炉顶处 。为了防止热量损失而不安装或将其堵 死是不可取的， 必须保证其长期处于连通状态。 3 燃烧系统的设计 和安装 3 ． 1 蓄 热式燃 烧器 原理 燃 烧 系统 的性 能是 整个 熔 炼 炉 最关 键 的部分 。 蓄热式燃烧器的原理是交替换 向蓄热使助燃风吸收 烟气余热， 使其预热到低于炉膛温度 1 2 0℃左右 ， 催 2 0 1 4年 4月第 2期 高效节能天然气蓄热式熔炼炉的建设或改造方案 黄向阳 1 9 化燃 烧 快 速 反应 放 出热 量 ， 降 低 排 烟 温度 至 1 5 0℃ 以下排放到大气 。但 以往并没有充分考虑热传递过 程和燃烧效率 问题 ， 即怎样加长火焰以及高温热烟 气气流组织形程 ， 增加热传递 时间和吸热过程 。在 燃烧前将助燃 空气与燃料充分 混合达 到最佳空燃 比， 即厌 氧燃 烧 。这样 控 制助燃 空 气不 过 多 ， 没 有燃 烧 的燃料还具有很强的亲氧性 ， 可以将 炉膛 剩余 的 氧气 继续 结合 燃 烧 完全 ， 最 后 无 过剩 空 气且 燃 料 热 量全部释放。在调试燃烧 过程 中， 很 多燃烧工程 师 认为火焰燃烧刚烈， 则燃烧效果好 ， 这种情况实则属 于 富氧燃 烧 。虽 然 燃料 得 到充 分 燃 烧 ， 热 量也 全 部 释放 ， 但是过量的空气将带走大量热量并产生过多 污 染 物 N O 。 同时 富 氧 燃 烧 缩 短 了 燃 烧 过 程 时 间 ， 使得火焰形程短 ， 不利于气流形成热传递 ， 而且其冲 击熔化速率高 ， 能源消耗大且烧损率高。 3 ． 2蓄热 燃烧 方 式 当前有 两种 蓄热式燃烧方式 换 向燃烧 与不 换 向燃烧 。换 向燃烧 是指 助燃 风周期 性 蓄热换 向， 燃 料 直接送人炉膛再与助燃风混合 燃烧 。因为在 炉膛 内燃 料密度大， 扩散后使得这种方式燃料与助燃风混合不 均匀 ， 为保证充分燃烧， 助燃风中的氧必须远大于反应 需求量 ； 同时炉膛的空间 限制 了火焰长 度 ， 减 少 了热 烟 气的行程 降低热传递时间 ， 以上两方面 排烟气量加 大和热传递时间缩短 降低了燃烧效率； 不换向燃烧是 指燃料与助燃风在燃烧室混合后燃烧再进入炉膛 ， 火 焰的根部在燃烧器的出口， 这样既保证了充分燃烧 ， 又 拉长 了火焰和烟气在炉膛 的行程 。 3 ． 3 蓄 热 室和燃 烧 器布 置安 装 为 了 延 长 燃 烧 器 的火 焰 和 气 流 组 织 的排 烟 行 程 ， 根 据燃烧 和传 热 的过 程 原 理 ， 斜 对 角 气 流 组 织 行程最长 布置是效率最高 的方式。这是 因为送风 与引风可以拉长燃烧火焰 ； 传热时间长 ， 炉膛受热均 匀 ， 熔化速率提高。 同侧相邻的燃烧室布置中火焰和高温烟气直接 回流易造成近侧温度高 ， 远侧温度低 ， 造成炉料熔化 不 均匀 ， 熔 化 速 率 低 延 迟 熔 化 时 间 ， 增 加 了燃 料 消 耗。燃烧器形成的火焰要具有一定 的倾角 ， 强制使 火焰 与金属 块料 间形成对 流 ， 即促使 熔液 快速脱 离 固 体块料表面 ， 加强向金属固体 内部传热的速度而增加 熔化速率。两种燃烧器布置结构如图2 、 3 所示。 4 自动化控制 系统和运行调节 方法 设计 并 改 造 完 熔 炼 炉后 ， 熔 炼 炉 的控 制 系 统 自 图 2 斜对角燃烧器布置 图 占用空 间位置大 图 3 同侧 相 邻 燃 烧 器 布 置 图 集 中 安 装 和 管 遭 连 接 动调节整个炉的效率和生产经济性。根据工艺过程 和金属热工特性 ， 动态调节炉膛 温度适应 阶段化料 需求 ， 是实现经济生产 自动化 的标志。由于燃料 随 温度 炉膛和熔液 动态变化 ， 空燃 比恒定调节是熔 炼炉 自动化关键技术 考验 自动化调节稳定性 、 精 确 度 和 实 时 性 。 由于 炉 内 的烟 气 量 不 断 变 化 ， 气 流组 织 复杂 ， 因此 排烟 含 氧量也 随之 变化 ， 只 有通过 调试将不 同天然气流量多个点的空燃 比进行函数拟 合 ， 才能在燃烧过程中根据燃料量来调节助燃风量。 随着助燃风和排烟管道在不 同阶段的阻力不 同， 使 得 风 阀开 度 只能 以满 足在 最不利 情 况下测 试 的空燃 比 函数 曲线 为 准 。随 炉膛 ／ 熔 液 温 度 的 变 化 调整 燃 气 流量 和 助燃 风量 的控 制 原理 如图 4 。 4 ． 1控制 逻辑 说 明 1 初期熔化 阶段 ， 由炉膛温度控制天然气 阀 供给燃料量， 待金属固体原料全部熔化后 由熔液温 度控制燃料供给量。 2 排烟含氧量控制助燃风阀的空燃 比。 3 排烟温度控制换向时间。一般将排烟温度 设 置 在 1 3 0～1 5 0℃ 排 烟 温 度要 用 “ 炯 损 ” 分析 来 2 0- 有色冶金节能 口设 备 节能 图 4燃 气 流 量 和 助 燃 风 量 控 制 原 理 图 确 定 ， 并不 是 越低越 好 。 4 炉膛压力控制 引风机 的排烟量 ， 其保持在 3 5 P a左右 为佳 。 4 ． 2控 制 设 备选择 建议 1 传感器 熔液温度传感 器采用 s分度热 电 偶 刚玉保护套管， 熔 液温度传感器保护套管要求 使 用 耐高 温和 防腐 蚀 的 特 种材 质 变送 器在 高 温 环 境 下 不适 宜 ， 若 炉底 有 电磁搅 拌 器 的磁场 干 扰很 大 ， 导致测试数据不 准确 ， 炉压仪表选用进 口高精度 微压 2 0 0 P a 传感器 如横河 。 2 燃气电磁阀门 考虑安全保护和长期在高温 环境 下 工作 ， 宜 选用 M A D A S 、 E L E C T I C G A S 、 K R O M S C H R O D E R、 H O N E Y WE L L等品牌 ， 调节 阀门需要选 用 防爆型， 密封好的阀体如 E B R O、 B E I I M O等。 3 换 向阀 相 比过 去 4个 碟 阀组 合 工 作 4通 换 向阀操 作简 单 ， 1个 阀就 解 决 过 去 4个 阀 的 问题 ， 也 町采用 2个 3通阀组合到达 4通阀的效果 。 只有 合理 的控 制 逻辑设 计 和可 靠 的硬 件产 品相 结 合 的先进 的熔炼 炉控 制 系统 才能 达 到连续 精 确控 制燃烧效率使天然气耗最低 、 提 高熔 化率 和减少氧 化 烧损 率 。 5 增 强外 围辅助设备应用 熔 炼 炉 中的 固体 原 料 熔 化 后 ， 需 进 行搅 拌 以改 善炉内合金熔体的成份均匀性及温度均匀性 。机械 搅拌存在炉内温度高人工操作 困难 、 打开炉 门热量 损失大的问题 。而电磁搅拌装置可 以通过熔体的搅 拌流动 ， 显著缩短铝锭熔化时间， 从而节约能源， 减 少 金 属烧 损 。实 践 表 明 ， 熔 铝 炉采 用 电磁 搅 拌 装 置 后 ， 熔化速率可提高约 1 5 ％ ， 能源消耗可降低 l 5 ％ ～ 2 0 ％ ， 此 外炉 内熔 体 成 份 的均 匀 性 及 温 度 均 匀性 也有显著的提高 ， 因此电磁搅拌装置在常规熔 铝炉 生 产上 同样 具 有 良好 的使用 效果 。 熔液温度直接测量如何参与自动控制也是控制 系 统 的一个 棘 手 问题 。若熔 液温 度传 感器 直接 安装 在熔 池 里 ， 则 在 装 料 、 搅 拌 和 扒 渣 时 易 将 其 碰 撞 损 坏 ； 而埋 在 炉墙 内测 温 误 差 大 不 能 直 接 反应 熔 液 温 度 ， 会造 成燃 烧 控 制 系 统 工 艺 温 度误 差 增 大 。 因此 需要设计传感器 自动探测装置 ， 即在需 要测熔液时 液压传动或气动装置将传感器插入熔池 ， 在打开炉 门时 自动拔出。这样既保护了温度传感器也可准确 测量 熔液 温 度 。根 据 熔 液 温 度精 确 控 制 燃 烧 系统 ， 可 以最 大 限度节 约熔 炼 炉能 源并 提高 工艺 品质 。 6 生产过程操作方法 熔炼炉的操作人员的水平差异也影响燃气能耗 和熔炼炉使用寿命。即使熔炼炉设计和施工质量都 很理 想 ， 自动 化 控制 系统 也按 前述 实现 ， 但操 作人 员 不按操作规程要求作业 ， 熔炼炉的能耗也不能达到 理想状态。以下是在操作过程中影响熔化率和能耗 的 主要 方面 1 加料 时 问过 长 ， 应 快 速 加 料 减 少 炉膛 热 量 损失 。 2 炉 门关 闭不 严 ， 既 加 大 热 量 散 失 也 烧 坏 炉 门 ， 应严 格按 照 规程操 作 。 3 二次加料延误 ， 浪费燃烧时间， 应合理堆料 和提 前 加料 ， 多 次搅拌 。 4 减少配料次数 ， 争取一两次产品即可合格 。 5 合格熔液 出炉过长时间。 7 改造实施及效果 根 据此 原理 ， 对 某公 司 电解 铝 厂 3 0 t 熔 铝 炉 进 行 了改 造 。更换 了燃 烧 器 和 控制 系统 ， 并对 炉 门进 行了密封性 设计 和改造 。原炉体 和 内衬 已运行 7 年 ， 因受 原熔 体 结 构 限 制 无 法重 新 布 置 燃 烧 器 。在 没有 改 造 上 述 结 构 的 情 况 下 ， 取 得 了 节 约 天 然 气 2 8 ． 6 ％ 的好效 果 。 某公司 电解铝厂熔铝炉改造前后效果对 比见表 1 。 下转 第 5 7页 口视野 有色冶金节能 5 7 神 ， 推进生态文 明建设 、 建设美丽 中国， 2 0 1 2年 ， 国 家 环境 保 护 部 启 动 了再 生 铅 行 业 环 保 核 查 工 作 。 2 0 1 3年 ， 环保部委托 中国有色金属工业协会对再生 铅行业实施 了环保大检查并发布了符合环保法律法 规的再生铅企业名单 ， 河南豫光金铅股份有 限公司 和江苏春兴再生资源有限公司通过环保核查 。通过 环保核查的企业将享受增值税 即征 即退 5 0 ％的税 收优 惠 政策 。 9 ． 2 0 1 3 年 ， 7家中国有色企业入围 财富 世界 5 0 0 强， 江西铜业集团、 中国有色矿业集团首度上榜。 2 0 1 3年 7月 8日， 财富 杂志公 布了 2 0 1 3年 “ 世界 5 0 0强” 排行榜 ， 中 国五矿集 团公 司 、 中国铝 业 公 司 、 中国冶金 科工 集 团有 限公 司 、 山东 魏桥 创业 集团有限公司、 中国电力投资集团公司 、 江西铜业集 团公司 、 中国有色矿业集团有限公司等中国有色企 业入围。其中， 江西铜业集 团公司、 中国有色矿业集 上接第 2 0页 团有 限公 司是本 年度 新入 围 的企业 。 江西铜业集 团公 司 以营业 收入 2 7 8 ． 7 9 6亿 美 元 ， 列 第 4 1 4位 。 中 国 有 色 矿 业 集 团 有 限公 司 以 2 4 1 ． 4 6 2亿美元的营业收入， 排名第 4 8 2位。 1 0 ．汀 江重 大污 染事 故整 改竣 工 。 2 0 1 2年 7月 3日汀江重大污染事故发生后 ， 紫 金矿业集 团公 司开始全面推进整改工作 。2 0 1 0年 至 2 0 1 2年 ， 紫金矿业集 团累计投入 8 ． 3亿元资金完 成了 6 1 项整改内容 ， 采用双层防渗和复合防渗相结 合方式综合治理 ， 用 HD P E膜和 G C L ． 钠基膨润土垫 多重 防护 方 式 进 行 工 程 修 复 改 造 。2 0 1 3年 1月 9 日至 1 1日， 中国有色金属工业协会组织专家组完成 了对紫金山金铜矿整改方案建设工程竣工现场考察 和评估 。2 0 1 3年 1月 2 3日， 铜矿湿法厂取得 了上 杭 县人 民政府 同意 恢 复生产 的批 复 。 表 1 3 0 t 熔铝炉 改造 前的主要参数 改造前 改造后 序号 项 目 单位 数据及说 明 序号 项 目 单位 数据及说明 1 炉子用途 铝锭及废铝熔化 1 炉子用途 铝锭 及废铝熔化 2 装入量 I ／ 炉 3 O 2 装 入量 t／ 炉 3 O 3 炉 内温度 ℃ 1 0 5 0～1 2 0 0 3 熔化率T ／ h 4 ． 5 4 燃料 天然气 4 炉内温度 ℃ 1 0 5 01 2 0 0 5 成品综合吨铝能耗 11 1 。 ／ t 1 1 5 5 成品综合吨铝能耗 I1 1 ／ t ≤8 2 ． 0 6 不换向蓄热式燃烧器 1 对 2套 6 换 向蓄热式燃 烧器 1 对 2套 7 最大供风lff l ／ h ≥7 0 0 0 7 供热强度 m ／ h 天然气 2 7 0 8 鼓风压力 P a ≥7 5 0 0 8 排烟气温度 ℃ ≤1 4 0 9 排烟气量 m ／ h ≥1 5 0 0 0 9 鼓风机／ 引风机 鼓 风 量 和 l 0 排烟气温度 ℃ 2 0 0以上 1 O 蓄热体形式 耐火球 1 1 燃料热值 k c a l ≥8 6 0 0 1 l 自动控制 系统 实现全 自动化监控 8 结束语 按照上述 6个方面综合考虑建设 ， 基本可 以将 天然气蓄热式熔炼炉建设或改造成为高效节能的生 产设备并达到当前行业的先进水平。此高效节能的 熔炼炉建设或改 造方式 比传统方法成本 高约 1 ／ 3 ， 但是投入运行后 的节能投资 回报期不超过 6个月。 从 长久 性 和节 能减 排 的角 度 ， 对 经 济 性 和环 保 都 具 有重要意义 。因此 ， 为了促进企业经济循环发展 ， 建 议采用传统技术 的熔炼炉生产企业 ， 根据 自身情况 参考本方案进行建设或改造 ， 使企业市场竞争实力 得 到进 一步 提升 。