蓄热式燃烧技术在液压倾动式熔铝炉中的应用.pdf

2 0 1 0年 4月第 2期 蓄热式燃烧技术在液压倾动式熔铝炉中的应用张全刘 蒙康自强 1 9 。夺 。 夺‘ 夺’ 孛 ’ 串‘ 牵’ 争 ’ 夺‘ ． 2设备节能 ； ’ ．々 ． 幸 ． 争． 夺 ． 争 ． 寺． 夺． 寺 蓄 热 式 燃 烧 技 术 在 液 压 倾 动 式 熔 铝 炉 中 的 应 用 张 全 刘 蒙 康 自强 1 ．中南大学 能源科 学与工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ．中孚实业股份有限公 司 技 术中心 ， 河南 郑州 4 5 1 2 0 0 [ 摘要] 本文介绍 了蓄热式燃烧技术 的工作原理和特 点 ， 结合该 技术在 液压倾 动式熔铝 炉上 的应用 实例 ， 详 细 说明 了燃烧设备 的组成 ， 分析 了该 熔铝炉 的节 能效果 。 [ 关键词 ] 蓄热燃烧 ； 熔铝炉 ；节能 [ 中图分类 号]T F 0 6 6 [ 文献标 识码]A [ 文章编 号]1 0 0 8 5 1 2 2 2 0 1 0 0 2 0 0 1 9 0 4 Ap p l i c a t i o n o f Re g e n e r a t i v e Co mb us t i o n Te c hn o l o g y i n Hy d r a u l i c - til ting Al u mi n i u m M e l t i n g Fu r n a c e Z HA N G Q u a n ， L I U Me n g ，K A N G Z i ． q i a n g Ab s t r ac tT hi s pa p e r i n t r o d uc e s t h e wo r k i n g p r i nc i p l e o f r e g e n e r a t i v e c o mbu s t i o n t e c hn o l o g y a nd i t s c h a r a c - t e r i s t i c s ．Co mbi n g wi t h t he a p p l i c a t i o n i n s a nc e o f t hi s t e c h n o l o g y i n h y d r a u l i c t i l t i n g a l u mi n i um me l t i n g f u r - na c e，t h e a u t h o r e x p l a i n s t h e c o mp a s i t i o n o f c o mbu s t i o n e q ui p me n t s，a na l y s i s t he e ne r g y s a v i ng e f f e c t s o f t h e f u r n a c e． Ke y wor dsr e g e n e r a t i v e c o mb u s t i o n；a l u mi n i u m me l t i n g f u r n a c e；e n e r g y s a v i n g 蓄热式燃烧技术是 目前发达国家普遍采用的新 型燃 烧技 术 。 自 1 9 8 2年 英 国 Ho t w o r k D e v e l o p me n t 公司和 B r i t i s h G a s 公司共 同开发 出第一台单体蓄热 式 燃 烧 器 到 1 9 9 2年 该 技 术 首 先在 日本 实 现 商 品化 以来 ， 其发 展是 十分迅 速 的 ， 已被 广泛 应用 于 各 种不 同形 式 的炉窑 上 。近 几年 国内在 各种 燃烧 系 统 上都 成 功 用到该 技 术 ， 拥有 非 常广 阔 的前 景 ⋯ 。 对 于液压倾动式熔铝炉来说 ， 蓄热式燃烧技术 可极大限度地 回收烟气余热 ， 提高炉膛热效率 ， 减少 N O 等污染物的排放 ， 降低 能耗并 扩大低 能质燃料 的使用 领域 。本文 介绍 了蓄热 式 燃烧 技术 的工作 原 理及特点 ； 并以 6 0 t 蓄热式倾动式熔铝炉为例 ， 对该 熔铝炉上应用的蓄热烧嘴 的结构特点 、 节能效果作 [ 收稿 日期 ]2 0 0 9 1 1 2 6 [ 作者简介 ]张全 1 9 6 2一 ， 男 ， 湖南 常德人 ， 中南 大 学教授 ， 博士 ， 从 事有色冶金热 工过程及设备 的研 究 。 食祆 o 1 蓄热式燃烧技术 的特点及工作原理 1 ． 1 蓄 热式 燃烧 技 术介 绍 传 统 的燃烧 方 式 是 利 用 含 氧 2 1 ％ 或 以 上 的 空 气作 为 氧 化 剂 与 可 燃 物 质 进 行 燃 烧 反 应 以 获 得 动 能 。加 大助 燃 空气 中的氧含 量有 利 于燃 烧 的进行 及 热能 的利用 。而蓄热燃烧技术改变了传统的燃烧方 式 ， 它利用反应后 的高温烟气预热助燃空气 ， 使其温 度达 到 8 0 0～1 0 0 0 c I ， 并 以 一 定 的速 度 喷入 炉 膛 ， 在高 速 气流 的卷 吸 和搅 拌作 用下 与 炉 内燃烧 产 物相 混合 ， 空 气 中 的 含 氧 浓 度 被 稀 释 至 1 0 ％ 甚 至 更 低 ， 在低 氧 浓度 下进 行燃 烧 。 蓄热燃烧与传统燃烧的比较请详见表 1 。 1 ． 2 蓄 热式 燃烧 技 术 的基本 工 作原 理 蓄热燃烧系统由一对装有蓄热床 的燃烧器 、 一 2 0 有色冶金节能 口设 备节能 表 1蓄热式燃烧与传统燃烧的 比较 冷烟气 2 5 0 ℃ 调节阀 套换 向系统 包括气动换向阀和控 制系统等 以及 相关管路系统构成 ， 如图 1 。燃烧器可对称布置， 也 可集 中布置在一侧。燃烧系统工作时 ， 两烧嘴交替 进行 燃烧 。 当烧 嘴 A燃 烧 时 ， 炉膛 内加 热工 件 的 高 温烟气经 由烧 嘴 B排 出， 并将显热迅速传递给蓄热 床 ， 烟气放热后温度降至 2 5 0℃以下被排出； 经过一 定时间间隔 3 0 S ～ 3 m i n 切换换向系统 ， 助燃空气 流经燃烧器 B， 蓄热体将热量迅速传给空气 这时空 气被 预热 至 8 0 0℃ 以上 ， 预 热 空气 进 入 炉膛 燃 烧 ， 燃 烧 器 A只作 为排 烟管 道 ， 烟 气经 其 排 出 。在 电气 程序的控制下 ， 换 向系统以一定频率进行组合切换 ， 如 此周 而复 始 的蓄热 和放 热 ， 从 而 实 现 助燃 空 气 的 预 热和烟 气余 热 的极 限 回收 。 图 1 蓄 热 式 燃 烧 工 作 原 理 示 意 图 1 ． 3蓄 热式燃 烧 技术 的主 要特点 熔 铝 炉采 用 蓄热 式 燃烧 技 术 ， 可 以取得 良好 的 效 果 ， 它 的主要 特点 有 1 应用 范 围广 。既适 合新 建 熔 铝 炉 ， 又 适 合 旧型 熔铝 炉 的蓄热 式技 术 改 造 ， 可 保 留原 炉基 础 及 钢结 构不 变 ， 在炉 两侧 或 同侧增 加蓄 热式烧 嘴 ， 施 工 简单 ， 技 术先 进 成 熟 。且该 技 术 适合 轻 油 、 重 油 、 煤 焦油、 混合煤气等各种燃料 ， 尤其是对低热值的混合 煤气具有很好的预热助燃作用 。 蓄热式燃烧器交替燃烧 ， 高温烟气在炉 内始终 快速循环作用 ， 有利于提高铝熔体的熔化效果 ， 加快 化铝 速度 ， 实现更 大 的小 时熔化 能力 。 2 “ 极 限 ” 回 收烟 气 余 热 。应 用 蓄 热 式 余 热 回收装置 ， 可将助燃空气预热至 8 0 0～1 0 0 0℃， 仅 比炉膛温度低 5 0～1 0 0℃。一般而言， 预热空气 温 度每提高 1 0 0℃， 理论燃烧温度可提高 5 0℃ 。能 够最大限度回收高温烟气的显热 ， 同时降低 C O ，的 排放 ， 减少 温室 效应 的影 响 。 3 温 差小 ， 炉 温分 布 均 匀 。 蓄热 式 燃 烧 是 一 种扩散燃烧方式 ， 扩展火焰燃烧区域 ， 高温炉气充满 炉膛 ， 燃烧 炉 内温 度 分 布 均匀 ， 温 度 梯 度 仅 为 3 O～ 5 0℃， 不易形成局部高温区。同时平均温度 的提高 使 得炉 内的辐射 换 热 能 力大 大加 强 ， 既 提 高 了加 热 质量 ， 又减少 了工件氧化烧损率 ， 大大提高了产量 ， 延 长 了炉膛 寿命 。 4 节能效果显著。蓄热体 回收烟气余 热， 热 回收率可 达 8 0 ％ 以上 ， 温度 效率 达 9 0 ％ 以上 。实 现完 全 燃 烧 的过 剩 空 气 系数 接 近 1 ， 减 少 了炉子 的 排烟损失 ， 进一步提高炉子的燃料节约率 。 5 延长炉子耐火 材料使用 寿命 ， 降低噪声。 炉 温均 匀 及 消 除 局 部 高 温 区可 使 耐 火 材 料 受 热 均 匀 ， 保证其始终工作在合理 的温度范围内。助燃空 气在进入炉膛之前就被预热至高温， 可减轻对耐火 材料 的热 震性 影 响 。火 焰 不 是 在烧 嘴 中产 生 ， 是 在 炉膛 内进 行燃 烧 ， 因而 噪声较 低 。 6 减 少 污 染 物 的排 放 。 炉 气 中影 响 N O 生 2 0 1 0年 4月 第 2期 蓄热式燃烧技术在液压倾动式熔铝炉中的应用张全刘蒙康 自强 2 1 成量 的主要 因素 是 温 度 、 氧气 浓 度 和 在 炉 内的 停 留 时问， 而高温低氧的燃烧环境以及高温烟气 的掺混 作用 ， 使得燃烧气体 的 回流影 响了反应区氧的浓度 与火 焰温 度 ， 从 而大 大 降 低 了 N O 的 生成 量 。 同时 余 热烟气 的“ 极 限” 回 收 ， 又 减少 了 C O、 C O 和 其 他 温 室气 体 的排放 ， 有 利 于保 护 环境 。 由此 可 看 出蓄 热燃 烧在 节 能控 制 和低 污 染物 排 放上 均 有重 大优 势 。 2 蓄热式燃 烧技术在液 压倾 动式熔 铝 炉上 的应 用实例 2 ． 1 液 压 倾动 式熔 铝 炉概 述 液 压倾 动 式熔 铝保 温 炉是 集 熔化 和 调质 保 温于 一 体 的新 型铝熔 炼 炉 ， 具 有 快 速 熔 化 炉 和 保 温 炉 的 双 重作 用 。可使 铸 造 质 量 显 著 提 高 ， 具 有 设 备 结 构 紧凑 、 占地面积小 、 使 用寿命 长、 铝液控温效果好及 节 能环 保 等优 点 。 2 0 0 8年在 某 熔 炼 车 间 ， 共 建 造 安 装 了 4座 6 0 t 液 压倾 动 式燃 气熔 铝／ 保 温炉 ， 用 于其 圆棒 和扁锭 熔 铸 生产 线 。下 面着 重 介绍 该 液压 倾 动式 熔铝 保 温炉 的蓄热 燃 烧装 置及 节 能效 果分 析 。 2 ． 2液 压 倾动 式熔 铝 炉 的技 术性 能 倾 动 式 熔 铝 保 温 炉 的 设 计 技 术 性 能 如 表 2所 示 。 由于 熔池 的深 度 高 达 1 m， 所 以熔 炼 时 的扒 渣 工 作 由机 械扒 渣 车来 完成 。 表 2倾动式熔 炼炉的设计技 术性能 项 目名称 技术数值 用途 形式 容 量 ／ t 炉料 铝 液温度／ ℃ 炉温控制精度／ ℃ 炉膛 温度／ ℃ 煤气热值／ k J m 燃烧烟气量／ m 3 h 烧嘴型式 熔化能力／ t h 炉门形式 炉 门 升 降 噪 声 ／ d B 铝及铝合金熔炼及 合金 成分调整 煤气加热倾动式矩形炉 ， 设 有受 铝液 口 6 0 7 5 ％ 一 8 0 ％电解原铝液 2 O ％ ～ 2 5 ％固体料 7 2 0～7 6 0 ≤ 土5 ～ 1 1 5 O 4 ．1 8 3 8 0 0 3 7 0 0 蓄热 式烧 嘴 5 纯 铝锭 考核 大炉门 液压 ， 自动／ 手 动式倾 动 ≤ 8 5 2 ． 3 蓄 热式 燃烧 设 备组 成及 节 能效 果 分析 2 ． 3 ． 1 蓄热 式燃 烧 系统 圆形倾动式燃气熔铝炉 的烧嘴按炉子 中心 圆的 切线方向向下倾斜 1 5 。 安装 ， 使火焰直冲熔池 ， 炉膛 内形 适 于气 流循 环 ， 无火 焰 死角 ， 以保证 对 流加 热 效 果 。煤气 和 空气 均 由烧 嘴头 通 入 炉 内 ， 并 且 在 烧 嘴 砖内即开始混合燃烧 ， 燃烧废气经排烟风机抽出 ， 其 最终 排 出的温 度取 决 于 喷 嘴切 换 周 期 及 炉 内温 度 ， 但最高不超过 2 5 0 o C。表 3给出了该蓄热式燃烧 系 统 的 主要性 能 参数 。 表 3燃 烧系统主要性 能参 数 烧 嘴能力 7 0 0 m ／ h煤气 设计 换向周期／ s 助燃空气量／ m h 烟气生成量／ m h 空气预热温度／ ℃ 烟气排放最 高许 可温度／ ℃ 正常工作烟气排放温度／ ℃ 蓄热介质 每个蓄热体 蓄热介 质装入量／ k g 6 0 3 500 3 7 0 0 6 0 0 8 0 0 2 5 0 l 0 0 ～1 2 0 直径 2 4 m m 陶瓷氧化铝球 1 2 0 0 2 ． 3 ． 2蓄热 体 高 温 烟 气 通 过 蓄热 床 时 ， 烟 气 中 的大 量 粉尘 都 留了下来 ， 考虑到烟气成分较脏及带有侵蚀性 的特 点 ， 本系统采用 陶瓷氧化铝球为蓄热介质 ； 这种氧化 铝球 稳 定 ， 耐热 冲击 性 非 常好 ， 蓄热 能力 强 ， 用量 少 ； 加之蓄热箱壁材料 隔热性 能好 ， 所 以蓄热箱体 积小 ， 节 省空 间。氧化 铝球 是可更 换 并重 复使 用 的， 在 正 常工 作条件下， 氧化铝球每 1～ 2月更换一次， 每次更换时 间约需 1 h ， 更换下来 的脏球经清洗后可 以重新使用。 2 ． 3 ． 3点火 及 火焰 监测 系统 在主 烧 嘴旁 ， 设 有 一个 煤气 点 火小 烧 嘴 ， 该 点火 烧 嘴 功率 约 2 0 k W ， 在 工 作 状 况 下 ， 该 烧 嘴 连 续 燃 烧 ， 确 保煤 气 主烧 嘴安 全 可靠 点火 。 每 个 点 火 烧 嘴 均 配 有 一 个 电离 式 火 焰 检 测 装 置 ， 在 燃烧 全 过程 中对 火 焰进 行不 问 断 的监 控 ， 以确 保 点 火火 焰始 终处 于燃 烧 状态 。 同时， 在主烧嘴旁 ， 还另配有一个紫外线火焰探 测 器 U V ， 当主 烧 嘴燃烧 期 问对 主烧 嘴进 行 连续 监 控 ， 以确保 进 一 步 的燃 烧 安全 。 如果 在 运 行 期 间 点火 枪 或 主火 焰熄 灭 ， 控 制器 将 关 闭所 有 电磁 阀并 报警 显示 。 2 ． 3 ． 4助 燃排 烟 系统 助 燃 排 烟 系 统 由一 台助 燃 风 机 和 一 台 排 烟 风 机 、 管道 、 换 向阀、 流量 阀及伺服 电机、 差压传感器 、 各 类 调节 阀及 相 应 的控制 件 组成 。 由于熔 铝 炉具 有 鲜明的周期性工作特点 以及较高的炉温控制要求 ， 设置四个独立 的换向阀方式是熔铝炉蓄热式烧嘴 比 较好的选择方式 。当炉 内不需要热负荷 时， 可 以较 方便实现助燃风机排烟的全切断控制 ， 其动作快速、 准确 ， 故障率极低 。 下转第 3 3页 2 0 1 0年 4月第 2期 总 降压变 电站变 压 器容 量及 台 数 的选择 蔺 萍 3 3 1 3 1 0 4 8 k W h 。 已 知计 及 基 本 电价 后 的综 合 电价 为 0 ． 5元／ k W h ， 于是第二方 案每年所节约 的电能损 耗 费用 为 1 3 1 0 4 80 ． 5 6 5 5 2 4元 。 第 二方 案 比第 一方 案 多增 加 的投 资为 2 5 4 0 1 0 04 2 9 0 0 02 2 2 0 0元 变电设 备 的 年折 旧率 为 5 ． 8 ％ ， 年维 修 率 为 5 ． 8 ％， 两项合计为 1 1 ． 6 ％ ， 于是第二方案 比第一方 案每年多付出的折旧维护费为 2 2 2 0 0 x 1 1 ． 6 ／ 1 0 02 5 7 5 ． 2元 因此 ， 第二方案与第一方案相 比， 每年节约费用 为 6 5 5 2 42 5 7 5 ． 26 2 9 4 8 ． 8元 ， 这 样 ， 第 二 方 案 比第 一方 案 多增 加 的投 资可 用其 每 年净 节 约费 用来 补偿 ， 其 偿还 年 限为 N 2 2 2 0 0 ／ 62 9 48 ．80． 3 6 a 5 方案确定 从上述分析可知 ， 第二方案所增加的投资可在 上接 第 2 1页 在炉子一侧 ， 还设有小 的辅助排放烟道 ， 其 目的 是 缓解 烧 嘴切 换 瞬 问产 生 的压 力 波动 ， 起 一 定 的 平 衡 炉压 的作 用 。 2 ． 4节能 效果 分析 采 用 “ 气 随 风 动 ” 的 控 制 方 式 及 全 自动 的 火 焰 大 小调 节 系统 ， 即燃 气 的 流 量 随 空 气 的 流 量 变 化 而 变 化 ； 在燃 气 管路 上安 装 比例 调节 阀 ， 可根 据 助燃 空 气 的流量 自动 调 节 燃 气 流 量 ， 在 3 0 ％ ～1 0 0 ％ 内 自 动 调节 烧 嘴燃 烧输 出能 力 ， 使 烧 嘴 燃 烧 始 终 保 持 在 最 佳 的空燃 比燃烧 状 态 ， 燃 料燃 烧 完全 ， 减 少 在燃 烧 过 程 中产 生 的燃料 浪 费 ， 即增加 燃 料利 用 率 。 同 时蓄 热 装 置 的 温度 效 率 也 得 到 了大 幅 提 高 ， 蓄 热体 的 温度 效率 竹 二 1 0 0 ％ 叼 式 中t 预热 空气 人 口平 均 温度 ， ℃ ； ￡ 预热 空气 出 口平 均 温度 ， c ； t 烟 气入 口平 均 温度 ， ℃ 。 结合 该 熔 铝 炉 的实 际 工作 数 据 ， t 2 0℃ ， t 2 7 2 0 q C，t 7 8 0℃ ， 可 以得 出温度 效率 9 1 ． 2 ％ 。可见 该炉 子 应 用 蓄热 燃 烧 技 术 ， 具 有 较 好 0 ． 3 61 2 4 ． 3 2月内偿还 ， 因而它符合节电和经济 运行 的原则 ， 故 最后 选定 第 二方 案 。 变压器的容量这样选定后 ， 当一台变压器退 出 运行 时 ， 另一 台变 压 器完 全 能负担 起 对全 厂一 、 二 级 负荷 的供 电。 [ 参 考文 献 ] [ 1 ] 民用建筑 电气设计 规范．中国计划 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ] 建筑 电气 设 计 手 册 编 写组 ．建 筑 电气 设 计 手 册 [ M] ．北京 中国建筑工业 出版 社 ， 1 9 9 1 ． [ 3 ] 中国航空工业规范设计 研究院．工业 与民用配 电设 计 手册 [ M] ．第 3版 ．北京 中国电力 出版社． ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 工厂供电．北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 的温度效率 ， 节能效果显著。 3 结论 蓄 热 式燃 烧 技 术 在 倾 动式 熔 铝 炉 上 的 应 用 ， 可 较显 著地 节 省燃 料 ， 降低 成 本 ， 提 高 加 热质 量 ， 并 在 减少 污染 物 排放 方 面 有 着 很 大 的 优 势 ； 它 是 一 项 既 节能又利于环保且极具活力的技术 ， 该技术将是未 来几 年熔 铝 炉节 能 的发 展 方 向 ， 拥 有 十 分 广 阔 的前 景 。 [ 参 考 文献 ] [ 1 ] 熊茹 ．熔铝 炉 的炉 型与 节 能 [ J ] ．轻合 金 加工 技 术 ， 2 0 0 2 5 1 9～2 1 ． [ 2 ] 周瑞增 ， 杜万 明， 高山虎．熔 铝炉节能改造 与效 益[ J ] ． 有色冶金节 能 ， 1 9 9 8 4 3 1 3 4 ． [ 3 ] 杨卫 红．数值 模拟 在 工业 炉 窑研 究与 开发 中的应 用 [ M] ．长沙 中南大学 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 王政 民．高温 低 氧燃 烧方 法 的热 工规 律 和扩 大应 用 [ J ] ．冶金能源 ， 2 0 0 3 3 5 4 1 ． [ 5 ] 蔡九菊 ， 陆钟武．填充 球蓄 热室技 术及 其在 工业 炉上 的应用 [ J ] ．冶金能源 ， 1 9 9 6 5 1 51 8 ． [ 6 ] 周怀春．高 温空 气燃 烧技 术一2 1世 纪关 键技 术之 一 [ J ] ．工业炉 ， 2 0 0 6 1 1 9 2 7 ．