蓄热式熔铝炉的设计与应用

蓄热式熔铝炉的设计与应用

张路宁1,王春健2,武德刚3

(1.沈阳工业学院,辽宁沈阳110015;2.渤海铝业有限公司,河北秦皇岛066000;

3.鞍山市科学技术咨询中心,辽宁鞍山114000)

摘要:介绍了蓄热式熔铝炉的设计与应用情况。生产实践表明:通过采用蓄热式燃烧技术,熔铝炉的油耗指标由原来的120kg 柴油/t 铝降为54166kg 柴油/t 铝,节油率达54145%。

能耗指标达到了世界同类炉子的先进水平。改造投资回收期6个月左右。

关键词:蓄热式燃烧;熔铝炉;燃烧器;四通换向阀;热效率

中图分类号:TF066.1+2　文献标识码:B 文章编号:10021752(2002)02004203

1　概述

与国外先进水平相比,我国目前现有熔铝炉,无

论是自行设计的,还是由国外引进的,大多存在着炉子结构较为陈旧、能耗高的弊病。这主要是因为熔铝炉的排烟道直接开设在熔池上方的炉膛上,排烟温度较高,几乎等于炉气温度。这就使得使用通常的预热回收技术(如金属换热器、自身预热式烧嘴等)很难充分有效地回收烟气中热量,从而造成炉子热效率低,浪费燃料。同时,又因造渣时所产生的烟气极具腐蚀性,常规预热回收设备的寿命也受到极大的限制。渤海铝业有限公司每年熔铝炉、静止炉的燃油量约为2000～3000t ,单炉能耗指标为120～150kg 柴油/t 铝,而同类世界先进炉子的能耗指标

在60kg 柴油/t 铝以下。为了节能降耗,促进科技进步,提升炉子的装备水平,渤铝决定于2000年对两台旧式30t 熔铝炉进行全面的技术改造,由鞍山市科学技术咨询中心实施工程承包。

20世纪80年代在燃料燃烧领域出现了一项全新的燃烧技术-蓄热高温(预热)空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion )。它包括两项基本技术手段:一是燃烧产物显热最大限度回收(即极限回收);二是可实现燃料在低氧气氛下燃烧。这一技术的出现,不仅使燃烧理论有了新的突破,也给传统的能源利用工业带来了变革性的发展,将这一技术应用到熔炼炉、工业炉上可大幅度降低能耗、减少烟气中有害气体排放。1992～1998年的六年间,日本工业炉株式会社已在近150台工业窑炉上应用

5　结语

目前国内大多数铝电解槽平均寿命在4年左右。而国外一些先进国家如法国彼施涅公司180kA 铝电解槽平均寿命达6～8年,比我国槽寿命高出两年以上。这反映了我们在设计水平,材料质量、操作技术及装备水平方面有较大的差距。这正是我们努力的方向。通过一系列越来越符合实际的电解槽优

化设计和电解槽的正确维护、操作管理是可以逐渐缩短这一距离的。

参考文献:

〔1〕邱竹贤.预焙槽炼铝〔M 〕.冶金工业出版社.1980.〔2〕长铝公司科技部.铝电解生产文集(内部资料).〔3〕吕定雄等.我国开发大容量预焙铝电解槽的技术进步〔J 〕.铝镁通

讯,2000,(4).〔4〕干益人.铝电解槽底部保温问题的分析与对策〔J 〕.轻金属,1999,

(6).

〔5〕黄永忠等.铝电解生产.中南工业大学出版社.

(责任编辑　何允平)

收稿日期:2001-09-01

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其开发的几种类型的蓄热式高温空气燃烧器(烧嘴)

近900台套〔1〕。目前这项技术已在工业发达国家中

开始推广应用。

早在1982年,参与本次技术改造的主要工程技术人员就开始了该项技术的研究开发工作,其中包括:不同形式蓄热体的传热及流动特性的研究、蓄热式烧嘴的结构及火焰特性的研究、空气/烟气及各种燃料换向阀的开发、燃烧控制系统研制等,并取得了许多成果。在此基础上我们设计建造了渤海铝业公司的两座容量30t 熔铝炉,并于2000年9月顺利投产使用。这是迄今为止国内自行设计建造,采用蓄热式燃烧技术最大的两座熔铝炉。

2　蓄热式燃烧的基本原理

蓄热式高温(预热)

空气燃烧系统主要由蓄热式燃烧器、蓄热室、烟气及燃料换向装置、控制系统等组成,图1给出了它的工作原理。

蓄热式烧嘴必须成对使用,两个烧嘴可以相对放置,亦可以成某一角度安装。当烧嘴A 处于燃烧状态时,烧嘴B 则处于排烟状态。高温烟气进入蓄热室B ,烟气显热被蓄热体吸收储存,烟气温度降至200℃以下经引风机排出。一定时间间隔后,换向阀

动作,烧嘴A 与烧嘴B 工作状态互换,助燃空气进入蓄热室B 立刻被预热到仅低于炉内温度50℃～150℃的温度水平。烧嘴A 与烧嘴B 如此周而复始

的交替工作,将烟气余热充分回收利用。由于蓄热式燃烧系统的换向周期很短,因而炉内温度可以保持稳定。

蓄热式燃烧的原理并不复杂,但要想利用这一原理开发出有效可用的产品却存在着许多技术难题。

图1　蓄热式燃烧原理图

3　工程设计特点

3.1　炉体结构及烧嘴布置

原炉炉盖为拱顶结构,经核算炉膛过高,这样非

常不利于炉气充满炉膛。改造后的炉盖采用了掉挂平顶结构,即降低了炉膛高度,也减少了炉盖重量。

原炉设置四个烧嘴,切向布置。改后炉子采用一对蓄热式烧嘴,火焰交叉布置,强化了炉内对流传热。

3.2　CDR -J -350型蓄热式烧嘴的研制

燃烧器是火焰炉最主要的设备,烧嘴性能的高低直接影响到炉子性能的好坏。而要研究出高效蓄热式燃油烧嘴就必须解决许多技术难题。为此我们做了大量的实验研究工作。

从雾化方式上划分,燃油烧嘴分为内混式和外混式。与外混式相比,内混式烧嘴具有气耗率低、雾化质量高、单嘴能力大、燃料燃烧完全等优点。但也存在着调节比小、燃油与雾化介质互相封堵等缺陷,这对于燃烧控制十分不利。CDR -J -350型蓄热式烧嘴由于具有特殊的结构,从而解决了这一难题。它的最大燃烧能力为350kg (油)/h ,最小仅为20kg (油)/h 。试验结果表明,在雾化介质耗量较小的情况下,索太尔平均直径SMD (液雾颗粒粒度)小于40

μm 。由于蓄热式烧嘴既是燃烧设备也兼做排烟道,因而如何能够保证它在排烟时不被烧坏,同时油枪里残油又不至于被烤焦结碳,是蓄热式燃油烧嘴研制的又一难点。CDR -J -350型蓄热式烧嘴从材质、结构两个方面入手,很好地解决了这一难题。

此外,CDR -J -350型蓄热式烧嘴还具有以下特点:

⑴燃烧器不结焦;⑵燃烧器不堵塞;⑶火焰刚性强;

⑷烧嘴砖采用过孔结构,抑制热态NO x 生成;⑸火焰喷射速度及形状满足加热工艺要求;⑹油枪拆装方便,便于维护。3.3　CDR -R 型陶瓷球蓄热室

蓄热室的热工指标随操作参数和结构参数的变化规律,称之为流动特性和传热特性。在操作参数一定的情况下,两种特性取决于蓄热室的结构参数。因此,蓄热室结构的设计是否合理直接影响到它的使用性能。

CDR -R 型蓄热室的设计主要考虑了蓄热体形

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状、比表面积、耐热冲击性、高温耐热强度、蓄热能力、透热深度、生产成本等因素。蓄热体采用陶瓷耐热小球,比表面积达250m 2/m 3。3.4　CDR -V 型四通空气/烟气换向阀

具有独特结构的CDR -V 型四通空气/烟气换向阀,体积小、结构紧凑;换向动作时间小于2秒,工作平稳可靠;执行机构由进口气缸驱动,换向周期为1分40秒。此外换向阀还具有良好的密封性能。3.5　检测及控制系统

为了完成对炉温、炉压、换向以及整个工艺过程的自动控制、自动检测、信号联锁、保护及故障诊断等实时任务,现场设备控制站采用德国SIEM ENS 公司的S7-300系列PLC 产品。该产品性能、价格比在工控界占有很强的优势,具有易操作、易维护、可靠性高等优点,且注重开放性;过程,信息监控系统选用台湾研华公司的5862控机;炉前设有现场操作柜,显示炉了各控制、操作参数,可实施手工操作。

控制系统的组态软件为STEP7V510。该软件是用于SIMA TIC S7可编程控制器的标准的组态工具;采用SIEM ENS 公司的WinCC 监控软件,开发工程师工作站、操作人员所需的人机界面及各种功能。

自行开发的工程控制应用软件,主要功能如下:⑴显示功能:“主菜单、监控画面、实测温度、压力、流量等参数、各种运行状态、提示及报警,加注文字、实时显示各种时间-温度过程曲线,不同曲线用不同颜色显示。

⑵控制功能:炉温、炉压、换向燃烧控制;联琐控制。

⑶报警功能:超温(炉温、蓄热室温度、排烟温度)、超压(炉压、油压、气压)、熄火、故障报警。⑷存储功能:每炉全部过程数据、曲线按给定编号存入档案文件。

⑸打印功能:过程结束可即刻打印本炉报表及过程曲线;档案文件可在线或离线调出,复制成过程

曲线或表格,以备质量分析所用。

4　改造后炉子性能指标

熔炼炉砌体尺寸:内很:5000mm ;熔池深度:

685mm ;炉膛高度:2325mm 。

装料量:30t

设计熔化速率:正常条件下:5t/h ;最大产量时,7t/h 。

炉子热负荷:正常条件下:1014×106kJ /h ;最大产量时:1416×106kJ /h 烧嘴型式:蓄热式燃烧器;烧嘴个数:2个/台炉;燃料种类:柴油;雾化介质:压缩空气;点火烧嘴个数:2个/台炉;点火烧嘴燃料:石油液化气;蓄热体型式:耐火陶瓷球;蓄热球比表面积:250m 3/m 3;换向阀型式:四通空气/烟气换向阀;换向周期:1min40s ;单位油耗:60kg/t 铝;炉膛温度:1150℃;

空气预热温度:低于炉温50℃～150℃;烟气排放温度:150～300℃;最大空气消耗量:4340Nm 3/h ;最大烟气排放量:4720Nm 3/h ;嘴前燃油压力:0105MPa ;雾化介质压力:012MPa

5　炉子使用效果

自2000年9月投产以来,炉子各项技术指标十分理想,燃烧系统工作正常,节能效益显著。我们曾多次组织对炉子进行测定,并对炉子各项指标进行生产统计。测定和统计结果表明:空气预热温度仅比炉温低100℃,温度效率达80%以上,排烟温度小于150℃;熔化速率最大时可达8t/h ;油耗指标由原来的120kg 柴油/t 铝降为54166kg 柴油/t 铝,节油率达54145%。单炉测定油耗达到42kg 柴油/t 铝。这些能耗指标均达到了世界同类炉子的先进水平。两台炉子的年节油效益达700万元,改造投资回收期仅为6个月左右。

参考文献:

〔1〕祁海鹰,徐旭常.中国开发应用高温空气燃烧技术的前景.Hight

Tempererature Air Combustion.Beijing ,1999.

(责任编辑　何允平)

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