淺析蓄熱式燃燒技術(shù)以及在西南鋁熔鑄廠的應(yīng)用

婁熙承

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 九龍坡 401326）

淺析蓄熱式燃燒技術(shù)以及在西南鋁熔鑄廠的應(yīng)用

婁熙承

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 九龍坡 401326）

摘要：闡述了蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理，并通過對蓄熱式燃燒技術(shù)在西南鋁熔鑄廠的應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)出一些可行的改進(jìn)措施，以期進(jìn)一步提高燃燒質(zhì)量，延長工業(yè)爐的使用壽命。

關(guān)鍵詞：蓄熱式燃燒；節(jié)能；工業(yè)爐

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷推進(jìn)，資源和環(huán)境問題日顯突出。工業(yè)爐作為能源消耗大戶，如何盡快推行高效、環(huán)保的節(jié)能技術(shù)成為重中之重。蓄熱式燃燒技術(shù)從根本上提高了工業(yè)爐的能源利用率，特別是對低熱值燃料的合理利用，既減少了污染物的排放，又節(jié)約了能源，成為滿足當(dāng)前資源和環(huán)境要求的先進(jìn)技術(shù)。另外，蓄熱式燃燒技術(shù)的采用還強(qiáng)化了工業(yè)爐內(nèi)的爐氣循環(huán)，使?fàn)t內(nèi)的溫度場更均勻，提高了燃燒質(zhì)量，效果也非常顯著[1]。

1 基本原理及特點(diǎn)

1.1 蓄熱式燃燒裝置的原理

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)原理如圖1所示[2]。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)原理示意圖

蓄熱式燃燒呈對布置(A、B狀態(tài))，從鼓風(fēng)機(jī)出來的常溫空氣由換向閥切換進(jìn)蓄熱式燃燒器B后，再經(jīng)蓄熱體（陶瓷小球或蜂窩體）加熱，在極短時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度（一般為爐膛溫度的80%～90%），被加熱的高溫?zé)峥諝膺M(jìn)入爐膛后，卷吸周圍爐內(nèi)的煙氣形成一股含氧量大大低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，同時(shí)往稀薄高溫空氣附近注入燃料，燃料在貧氧狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒；與此同時(shí)，在爐膛內(nèi)燃燒后的熱煙氣通過另一個(gè)蓄熱式燃燒器A將顯熱儲存于其內(nèi)部的蓄熱體中，最后以低于150℃的低溫?zé)煔饨?jīng)過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定頻率進(jìn)行切換，使得兩個(gè)蓄熱式燃燒器處于蓄熱與放熱狀態(tài)交替工作，從而達(dá)到節(jié)能的目的。常用換向周期30～180s。

1.2 新型蓄熱式燃燒裝置的特點(diǎn)

初期采用蓄熱式燒嘴的主要目的是為了進(jìn)一步提高空氣的預(yù)熱溫度，更大程度地回收煙氣帶走的熱量，以節(jié)約能源。但由于高溫燃燒帶來了高NOx排放，因此限制了它在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的推廣使用。

近入90年代后，低NOx的蓄熱燒嘴開始進(jìn)一步研究，1992年開發(fā)成功，被稱為高溫空氣燃燒技術(shù)。這種技術(shù)的原理是通過降低燃燒空間中的氧濃度，創(chuàng)造貧氧條件，消除局部熾熱高溫區(qū)，用高速噴出的空氣射流卷吸周圍煙氣形成貧氧燃燒區(qū)，此時(shí)形成的火焰體積大大增加，亮度減弱，溫度均勻，梯度很小，這就有效地減少了NOx的產(chǎn)生。

新開發(fā)的蓄熱式燒嘴采用分段燃料供應(yīng)法降低NOx，即一次燃料流量為5%，二次燃料為95%，并使助燃空氣以100m/s的速度噴出，高速空氣的射流卷吸周圍爐氣回流，使燃燒過程減緩，火焰燃燒區(qū)氧濃度低，形成的火焰體積大大增加，亮度減弱，溫度均勻，梯度很小，在爐溫1300℃時(shí)產(chǎn)生的NOx達(dá)到30×10-6（以煙氣中含氧量11%計(jì)算）。

2 蓄熱式燃燒系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：換向閥及控制機(jī)構(gòu)；蓄熱室及蓄熱體；高溫氣體通道和噴口；空氣、天然氣供給系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。

2.1 換向閥及控制機(jī)構(gòu)

在蓄熱式高溫燃燒系統(tǒng)中，煙氣和空氣的切換裝置是必須的，因而換向閥是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

換向閥是通過閥體的運(yùn)動使空氣與煙氣在閥內(nèi)定時(shí)換向。一般地說，換向閥有四個(gè)進(jìn)出口，其中有兩個(gè)口分別通向一對交替使用的蓄熱室，另外兩個(gè)口分別連接排煙煙囪和供空氣管道。在前一個(gè)換向周期內(nèi)，換向閥使蓄熱室與排煙煙囪相連，將廢氣排出；在后一個(gè)換向周期內(nèi)，換向閥使蓄熱室與供空氣管道相連，使空氣進(jìn)入蓄熱室去完成預(yù)熱。閥內(nèi)采取特殊的密封結(jié)構(gòu)來保證密封性能和靈活的換向動作。

換向閥的換向時(shí)間與爐內(nèi)煙氣溫度及蓄熱體的透熱厚度有關(guān)，對于透熱厚度一定的蓄熱體，換向時(shí)間越長，離開蓄熱室的煙氣溫度越高，空氣（或天然氣）的預(yù)熱溫度也會越低，熱回收率也越低；若換向時(shí)間過短，則會降低換向閥的壽命，因此應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定最佳的換向時(shí)間是至關(guān)重要的。對于小球體的蓄熱室，其換向周期一般取2.0 ～ 3.0min；蜂窩體的蓄熱室，其換向周期為30 ～ 45s或更短[4]。

當(dāng)換向閥的切換時(shí)間為30s，其每年的動作次數(shù)為100萬次，即使是換向閥的切換時(shí)間為3min，每年的動作次數(shù)也達(dá)到17萬次。因換向閥換向頻繁，因而換向閥機(jī)械方面的可靠性、耐久性和密封性就相當(dāng)重要。對于蓄熱式高溫燃燒系統(tǒng)來說，選擇一個(gè)穩(wěn)定可靠的換向閥是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

2.2 蓄熱室及蓄熱體

目前在國際上所使用的蓄熱體主要有小球體、蜂窩體和片狀體。我國普遍使用的是小球體和蜂窩體[3、5]。

蓄熱室是放置蓄熱體的設(shè)備，也是熱交換的區(qū)域。它可以放置在爐墻內(nèi)，稱為內(nèi)置式；也可以在爐墻外單獨(dú)設(shè)置，稱之為外置式。內(nèi)置式以加厚的爐墻為四壁，外置式的外殼是由型鋼及鋼板焊接而成或由混凝土澆筑而成，四壁砌筑耐火材料。蓄熱室中間堆放蓄熱體，要求蓄熱室密封性能要好，焊接處要求氣密性焊接，耐火材料砌筑泥漿要飽滿，絕不允許有串火或氣體泄露。我國目前通常采用的是陶瓷小球體式蓄熱體，其理由是盡管在壓力損失方面與蜂窩體式蓄熱體相比有些不利，但考慮到單位體積的蓄熱量、蓄熱體的耐用強(qiáng)度、堵塞時(shí)的清掃、以及便于更換已破碎和損壞的蓄熱體等方面陶瓷小球體式蓄熱體具有一定的優(yōu)越性。

2.3 高溫氣體通道和噴口

高溫氣體通道可以同爐墻有機(jī)地配合砌筑在一起，也可以在爐墻外單獨(dú)設(shè)置。噴口設(shè)置在爐墻內(nèi)，噴口既是傳統(tǒng)意義上的燒嘴，同時(shí)也是加熱爐的排煙口。

空氣、天然氣的高溫氣體通道之間砌體要求砌筑嚴(yán)密，不能串氣，以避免發(fā)生爆炸。因此，對爐墻砌體材料的要求相對其它加熱爐要高。

2.4 空氣、天然氣供給系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)

蓄熱式燃燒技術(shù)的空氣、天然氣供給系統(tǒng)與傳統(tǒng)工業(yè)爐供熱系統(tǒng)一樣，也需進(jìn)行分段供給控制。從空氣、天然氣總管分出的各段支管連接各自的換向閥，換向閥后分兩路連接到爐子兩側(cè)的一對蓄熱室。在換向閥前的空氣、天然氣支管上設(shè)有流量檢測和調(diào)節(jié)裝置，并設(shè)有安全保護(hù)裝置。氣體供給壓力應(yīng)考慮到換向閥和蓄熱室在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的阻力損失。

煙氣從蓄熱室出來，溫度已降至200℃以下，借助排煙機(jī)抽力，流經(jīng)換向閥、排煙管送至煙囪排入大氣，在排煙管上設(shè)有煙溫檢測和爐膛壓力控制裝置。由于煙氣溫度在200℃以下，因而普通的標(biāo)準(zhǔn)排煙機(jī)就能夠滿足使用要求。排煙機(jī)的能力根據(jù)排煙量和煙氣管路的系統(tǒng)阻力確定，所以正確確定煙氣流經(jīng)蓄熱室和換向閥時(shí)的阻力損失也是十分重要的。

3 應(yīng)用案例

西南鋁熔鑄廠于2007年從法國引進(jìn)了2臺傾斜式熔煉爐，基本規(guī)格如下：

類型：長方形，傾動式；熔化率：12t/h（爐料全為固體時(shí)）；熔池容量：55t；液位安全線：100mm；運(yùn)行時(shí)間為每天3班，24h運(yùn)行，每年工作約300d，其余時(shí)間用于清理和維護(hù)。

3.1 燃燒系統(tǒng)簡介

爐子的燒嘴裝置由兩個(gè)交流蓄熱燒嘴構(gòu)成，所使用的燃料為天然氣。爐子最高溫度達(dá)1100℃，燃燒空氣溫度為900℃，所需燒嘴功率8400kW。燒嘴裝置包含所有必須的燃料和空氣入口組合、安全設(shè)備和燃料/空氣比控制器。從燃料消耗來講，交流換熱燒嘴是目前最具燃料效率的，與周圍空氣燒嘴系統(tǒng)相比，燃料消耗可減少40%。每一臺燒嘴有緊湊型換熱器，包括陶瓷球，成對操作，一臺點(diǎn)火，另一臺則排氣，其原理如圖2所示。

圖2 蓄熱燒嘴系統(tǒng)的原理

燃燒空氣在點(diǎn)火燒嘴蓄熱床內(nèi)預(yù)熱，爐氣放熱給排氣燒嘴的蓄熱床。燒嘴的操作在具體應(yīng)用時(shí)間內(nèi)切換，點(diǎn)火的燒嘴在排氣，而排氣的燒嘴則點(diǎn)火，燒嘴的操作就在點(diǎn)火和排氣之間連續(xù)循環(huán)。離開換熱器的排氣溫度控制燒嘴的循環(huán)，離開換熱器的排氣溫度控制流過換熱器的氣流。如果溫度過低，通過換熱器的排放氣流便增強(qiáng)。

一般情況下大約80%的爐氣通過換熱器排出，其余20%通過壓力控制的煙道。燒嘴噴口的安裝是傾斜的，使達(dá)到熔池的熱傳輸最佳，而且能耗降到最低。燒嘴的輸出和燃料/空氣比由PLC控制。

3.2 燃燒系統(tǒng)優(yōu)勢

該型號燒嘴較扁熔車間21～24號熔煉爐燒嘴有明顯的技術(shù)優(yōu)勢：

（1）節(jié)能潛力巨大，節(jié)能15%～30%，同時(shí)大大緩解了大氣的溫室氣體排放，CO2的排放量降低約30%。

（2）蓄熱式燃燒是一種先進(jìn)的彌漫式燃燒方式，擴(kuò)展火焰燃燒區(qū)域，火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界，從而使得爐膛內(nèi)溫度分布均勻，不易形成局部高溫，一方面提高了加熱質(zhì)量，另一方面延長了爐膛壽命。

（3）爐膛的平均溫度增加，加強(qiáng)了爐內(nèi)傳熱，在相同產(chǎn)量情況下，熔煉爐的尺寸可以縮小10%～20%，提高了產(chǎn)量和舊爐子的裝備水平。

（4）采用傳統(tǒng)的節(jié)能燃燒技術(shù)，助燃空氣預(yù)熱溫度越高，煙氣中的NOx含量越大。而采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，在助燃空氣預(yù)熱溫度高達(dá)1000℃情況下，由于燃料在貧氧（2%～20%）狀態(tài)下燃燒，爐內(nèi)NOx生成量反而大大減少，NOx排放量可達(dá)50～150×10-6，達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)以上。

（5）爐膛內(nèi)為貧氧燃燒，使得爐內(nèi)鋁錠的氧化燒損得以減少。

4 改進(jìn)方案

4.1 換向閥

由于必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣與煙氣的頻繁切換，換向閥也成為與余熱回收率密切相關(guān)的關(guān)鍵部件之一[4]。盡管經(jīng)換熱后的煙氣溫度很低，對換向閥材料無特殊要求，但必須考慮換向閥的工作壽命和可靠性。因?yàn)闊煔庵泻休^多的微小粉塵以及頻繁動作，勢必對部件造成磨損，這些因素應(yīng)當(dāng)在選用換向閥時(shí)加以考慮。如果出現(xiàn)閥門密封不嚴(yán)、壓力損失過大、體積過大、密封材料不易更換、動作速度慢等問題，會影響系統(tǒng)的使用性能和節(jié)能效果。

4.2 燒嘴

燒嘴的設(shè)計(jì)原則是不能讓空氣和天然氣混合得太快，這樣容易形成局部高溫，但也不能混合得太慢，防止天然氣在蓄熱室出現(xiàn)“二次燃燒”甚至燃燒不充分。為了保證燃料在低氧氣氛中燃燒，必須在設(shè)計(jì)其供給通道時(shí)，考慮燃料和空氣在空間的擴(kuò)散、與爐內(nèi)煙氣的混合和射流的角度及深度，而這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)加熱裝置尺寸、加熱工藝要求、燃料種類、燒嘴大小、預(yù)熱溫度和空氣、天然氣壓力等因素來確定。

5 小結(jié)

蓄熱式燃燒技術(shù)在熔鑄廠的應(yīng)用充分說明了其明顯的經(jīng)濟(jì)效益。通過長時(shí)間的使用和消化，我們也總結(jié)出了有待改進(jìn)的問題，如投資大、維護(hù)成本高、安全性不如常規(guī)爐、溫度精確控制困難等，在一定程度上束縛了其進(jìn)一步發(fā)展。我們將本著精益求精的態(tài)度，對其不斷地加以完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫國宏.淺談蓄熱式燃燒技術(shù)及其發(fā)展前景[J].中國科技信息，2005(18)

[2] 朱長華.蓄熱室加熱爐燃燒技術(shù)[J].湖南冶金，2001(6)

[3] 蔡九菊，陸鐘武.填充球蓄熱室技術(shù)及其在工業(yè)爐上的應(yīng)用[J].冶金能源，1997(5)

[4] 吳曉波，危木建.蓄熱式燃燒技術(shù)在馬鋼的應(yīng)用與改進(jìn)[J].工業(yè)爐，2008(4)

[5] 沈君權(quán)，沈弘濤.蓄熱燃燒與陶瓷球蓄熱式換熱器[J].工業(yè)爐，2001(5)

（編輯：張為賓）

我國航空級鋁合金板材張力拉伸機(jī)裝備取得重大創(chuàng)新成果

“12000噸航空級鋁合金板材張力拉伸機(jī)裝備”項(xiàng)目通過了科技成果鑒定，專家組認(rèn)為該項(xiàng)目取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，在鉗口負(fù)載系數(shù)、斷帶緩沖保護(hù)技術(shù)等方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

該項(xiàng)目由中國重型機(jī)械研究院、西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、重慶大學(xué)等9家單位共同參與完成。該項(xiàng)目在全浮動張力拉伸技術(shù)、預(yù)應(yīng)力組合梁式機(jī)頭的小變形多單元結(jié)構(gòu)技術(shù)、鉗口復(fù)合斜面夾緊技術(shù)、重型拉伸機(jī)多項(xiàng)斷帶緩沖保護(hù)技術(shù)、大拉伸力主缸同步控制技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，有效解決了大噸位拉伸機(jī)對基礎(chǔ)和設(shè)備的緩沖保護(hù)、單個(gè)零件重量過大和鉗口變形過大、寬板均勻夾緊及高可靠性、斷帶沖擊易造成設(shè)備損傷、板材均勻變形等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了對板寬4000mm、板厚250mm、板長30000mm的航空級鋁合金板材的預(yù)拉伸，鉗口負(fù)載系數(shù)達(dá)到63kN/mm，拉伸速度1-6mm/s并無級可調(diào)，板材延伸率精度達(dá)到±0.1%，兩側(cè)主拉伸缸同步精度達(dá)到0.5mm以下。

東北地區(qū)首條鋁型材晶泳生產(chǎn)線落戶賽斯德

東北地區(qū)首條鋁型材晶泳生產(chǎn)線落戶賽斯德。這條全新的生產(chǎn)線主體從日本引進(jìn)，配套設(shè)備來自廣東。生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中采用水性油漆，不會產(chǎn)生污水，與傳統(tǒng)工藝相比具有更大優(yōu)勢。新項(xiàng)目計(jì)劃投資2億元，達(dá)產(chǎn)后可年產(chǎn)鋁型材3.5萬噸。

美鋁計(jì)劃與CBA合并

CBA與美鋁正就合并事宜進(jìn)行商談。CBA和美鋁在巴西均有比較完整的鋁產(chǎn)業(yè)。CBA是巴西工業(yè)集團(tuán)（Votorantim）的下屬公司。

中圖分類號：TG232

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4898（2014）06-0022-04

doi:10.3969/j.issn.1005-4898.2014.06.05

作者簡介：婁熙承（1986-），男，漢族，重慶市江津人，大學(xué)本科。

收稿日期：2014-06-10

Analysis on Application of Regenerative Combustion Technology in Melting and Casting Plant of SWA

LOU Xi-cheng
(Southwest Aluminum (Group) Co., Ltd., Chongqing 401326, China)

Abstract：The principle of the regenerative combustion technology is expounded in this paper. Some feasible improvement measures are summarized by means of this technology in the application practices of the Melting and Casting Plant of SWA in order to improve the quality of combustion and extend the service life of furnace.

Keywords:regenerative combustion; energy saving; furnace