再生鋁純氧燃燒熔煉技術(shù)與應用效果研究

0 引言

綠色低碳成為工業(yè)和社會發(fā)展的必然趨勢，隨著中國越來越多鋁制品達到使用壽命，中國也迎來了廢鋁回收的快速增長期，同時，海關(guān)對洋垃圾停止進口，降低了廢鋁的進口量，激發(fā)了國內(nèi)廢鋁回收體系的建設和發(fā)展。發(fā)達國家的廢鋁回收使用水平接近50%，我國廢鋁回收即將進入新的發(fā)展時期，對于以前較少使用廢鋁的鋁擠壓及鋁軋制企業(yè)，使用鋁廢料代替電解鋁錠，不僅可以減少碳排放，還可以降低原料成本，提升經(jīng)濟效益[1]。

與鋁合金錠重熔或使用純鋁錠相比，再生鋁對熔煉這一核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝設備提出了更高的要求，采用傳統(tǒng)的蓄熱式燃燒系統(tǒng)進行熔煉很難達到最佳的能效和回收率水平，蓄熱式燃燒通常存在生產(chǎn)效率低、蓄熱體等設備維護成本高、能耗大、鋁產(chǎn)品燒損嚴重，勞動強度大及環(huán)境污染嚴重等問題。

因此國內(nèi)外均針對再生鋁熔煉工藝開展了大量的研究開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新工作，純氧燃燒在歐洲再生鋁行業(yè)的成功開發(fā)及應用，證明了其在再生鋁工藝中的應用優(yōu)勢，純氧燃燒是一種較傳統(tǒng)的空氣燃燒在再生鋁生產(chǎn)中降低能耗并提高生產(chǎn)率的有效解決方案。

1)純氧燃燒、空氣蓄熱式燃燒在熱效率等方面的對比計算[2]

爐窯的燃燒系統(tǒng)有多種方式，最常見的是空氣燃燒，也可以選擇純氧燃燒或富氧燃燒，每種燃燒有不同的燃燒特性，會形成不同的燃燒效果，再生鋁熔煉是將鋁及鋁合金廢料在熔煉爐內(nèi)進行一系列的工藝處理，例如熔化、凈化、合金化、脫氣、除雜等，最終生產(chǎn)出符合設計要求的鋁合金鑄坯鑄錠或鋁水的過程。熔煉過程經(jīng)歷幾個不同階段：裝料、熔化、合金化、精煉、保溫、澆注或出料，在這些不同的階段應用不同的火焰形狀和燃燒速率，可達到最佳工藝效果。

再生鋁熔煉工藝常用的爐型是反射爐，燃燒系統(tǒng)采用蓄熱式空氣燃燒，可以提高能源效率。燃料以天然氣為例，冷空氣燃燒、蓄熱式燃燒及純氧燃燒的能耗及能效如下表所示：

表1 不同燃燒方式下的能耗及能效對比

假定煙氣溫度為1100℃，當助燃空氣的溫度被預熱至200℃時，對比在非預熱助燃空氣條件下，熱效率將從40%提高到50%，預熱溫度進一步提高將再次提高熱效率，同時，助燃空氣的預熱溫度提升會引起火焰溫度的提升，過高的火焰溫度將會帶來一些不利影響，例如爐內(nèi)耐火材料的壽命減短、鋁的燒損增加、維護成本的提升及NOx的生成量的增加。因此，采用蓄熱式燃燒的空氣預熱燃燒系統(tǒng)，助燃空氣的預熱溫度不宜過高。排放的標準也限制了 預熱溫度，一般不超過450～500℃。

鋁錠熔化所需的能量，在理想狀態(tài)下通常為316kwh/t。燃料燃燒的反應方程為：

由于燃燒反應中，助燃空氣中的氮氣等除氧氣之外的成分沒有參與真正的燃燒反應，但是卻被加熱到1100℃，隨后從煙道排出，帶走了大量的熱量，若提高助燃空氣中的氧含量或采用純氧，可大幅較少煙氣的生成量，從而有效提高燃燒效率。

2）污染物排放

較高的火焰溫度會導致氮氣和氧氣反應生成熱力型NOx，純氧燃燒便可以完美解決這個難題，采用純氧助燃直接避免了常規(guī)助燃空氣中的大量氮氣進入爐內(nèi)，只有少量的氮氣由于爐體漏風或者跟隨物料進入爐內(nèi)，阻斷了氮的來源，有效減少了NOx的大量生成。

氧氣加入后的節(jié)能效果是顯而易見的，例如，在助燃空氣中增加30%的氧氣，相當于將助燃空氣完全預熱至600℃的節(jié)能效果，實際生產(chǎn)中，無法預熱到600℃，因為助燃空氣預熱到600℃后會生成大量的NOx。

使用純氧或富氧的燃燒的另一個需要考慮的問題為氧氣或助燃空氣的過剩系數(shù)，沒有一種燃燒工藝可以實現(xiàn)氧氣和天然氣的完全燃燒，無任何殘氧。因此，需根據(jù)爐內(nèi)實際狀況對燃燒器的氧燃比進行精確的控制。通過對燃燒器的實時控制，改變火焰形狀以適應不同工藝的實際需求，并實現(xiàn)對爐內(nèi)殘氧量的控制，并避免過量的氧氣長時間接觸熔煉爐內(nèi)壁，減少耐火材料的氧化，并減少形成鋁渣的可能性，提高收得率。

3）純氧燃燒系統(tǒng)的構(gòu)成及經(jīng)濟性研究

針對再生鋁熔煉的特點和發(fā)展需求，開發(fā)了純氧燃燒系統(tǒng)，包括液氧儲罐，汽化器，流量控制閥組，純氧燃燒器及相應的傳感器。根據(jù)熔煉反應的不同階段，精確控制氧氣與天然氣流量，從而改變火焰形狀，適應各個熔煉階段的需要。綜合國內(nèi)外的應用，純氧燃燒器可以實現(xiàn)快速高效熔煉，在實驗室研究開發(fā)的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)鋁合金制品企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)應用：

在20 噸 再生鋁反射爐內(nèi)安裝了兩支低NOx高速純氧燃燒器，最大功率4WM，另一臺20 噸反射爐保持原有的蓄熱式燃燒器，并進行對比測試。噸鋁能耗從100Kwh 降低到 49.8kwh。實現(xiàn)了節(jié)能50%的目標。加料初期的熔化階段是發(fā)揮純氧燃燒效能的最佳階段，這一階段，物料為常溫，火焰和物料的溫差最大，較大的溫度梯度實現(xiàn)了快速的熱量傳遞，同時，爐體的排煙溫度較低，熔化一爐原料的時間從8h 縮短為6h，爐次從每天3 次增加為4 次，大大提高了生產(chǎn)率。附帶的優(yōu)勢是，純氧燃燒系統(tǒng)的使用，煙氣量大幅降低，環(huán)境更加友好。

由于避免了無效的氮氣帶走燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，純氧燃燒技術(shù)顯著提高了能效，降低了能耗，同時，氧氣的使用增加了部分成本，因此，對使用氧氣后的成本進行了比對，結(jié)果如下：

天然氣節(jié)約量：100kwh/t～50kwh/t，即100-50=50m3/t

天然氣價格：3 元/m3

氧氣消耗：2×50=100m3/t

氧氣價格：1 元/m3

效益：50×3 -100x1=50 元/t

年生產(chǎn)量 20000t～24000t

利潤 200 元/t

年度效益：50×24000+(24000-20000)×260=200(萬元/年)

項目投資約80 萬元，因此不到半年可以回收投資。

2 熱傳遞效率與金屬燒損率：

鋁由于對氧氣的高親和力而傾向于被氧化為Al2O3，因此固態(tài)和液態(tài)鋁的表面時常會覆蓋著一層氧化膜，氧化膜可以保護鋁產(chǎn)品免受進一步氧化。鋁可以被氧氣、二氧化碳、水蒸氣和一氧化碳氧化，反應方程如下[3，4]：

上述化學反應并非全部在同一時間和溫度下發(fā)生。通常，一氧化碳的濃度不高，因此通常不會發(fā)生液態(tài)鋁與一氧化碳的反應。在燃燒過程中，多余的氧氣保持在最低水平，因此，鋁被過度氧化也不太常見。爐內(nèi)氣氛主要成分為CO2和H2O，這些反應最有可能發(fā)生。在這兩者之間，H2O 還原為H2主要發(fā)生在鋁熔體的熔煉溫度范圍內(nèi)。當Al 氧化成Al2O3時，它的重量約為89%。在實驗室規(guī)模的測試設備上，可以測量這種重量增加。氧化鋁釋放熱量，每千克Al2O3釋放出4.56 kw 的熱量，并且對爐內(nèi)熱平衡具有積極的影響[5]。

金屬鋁極易氧化，且其氧化在較高的溫度和周圍較高的氧化氣氛濃度下會加速，，所以必須格外小心對于溫度及氧化性氣氛的控制。鋁在過熱條件下會產(chǎn)生渣，局部過熱會導致爐內(nèi)產(chǎn)生熱區(qū)和冷區(qū)，導致無法有效利用熔煉爐的容積進行熔化處理，在相對較冷的爐段中，爐底或爐端積渣量增多。爐子局部過熱或火焰偏斜會造成耐火材料損失過多和能量損失較大。而局部過熱通常是由短火焰引起的。對于爐子而言太長的火焰容易使爐子的另一端過熱，并可能損壞對面爐壁的耐火材料，火焰長度過長甚至可能造成火焰直接穿過爐子而引發(fā)著火，從而導致能量損失增加，因此，火焰長度的控制也是燃燒控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于實現(xiàn)了更好的熱量傳遞，純氧燃燒可以顯著提高熔化效率，縮短熔化時間，提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)量。爐內(nèi)鋁水暴露在氧氣過剩的爐氣內(nèi)的時間相應縮短，減少了渣的生成量。另一方面，雖然純氧燃燒后的爐氣量大幅減少，降低了爐氣流過物料表面的總量，影響了熱量傳遞，但火焰溫度高，溫差大，帶來的對流換熱及輻射換熱的速度快，抵消了這一負面影響。

研發(fā)過程中，針對熔煉工藝的不同階段，對燃燒系統(tǒng)進行了精確控制，這一點尤為重要。

在熔煉初期，采用較高的功率，火焰方向偏下，實現(xiàn)快速加熱，在原料吸熱充分并開始熔化為鋁水后及時降低功率，避免過度加熱，引起壁面溫度過高，造成鋁液氧化，生成鋁渣。鋁渣一旦生成就會影響熱傳遞效率，避免漂浮鋁渣的生成和及時扒渣是工藝控制的重要環(huán)節(jié)，因此，燃燒系統(tǒng)的精確控制是實現(xiàn)良好的熔煉效果的關(guān)鍵，這其中也包括燃燒器的安裝位置和角度的設計，燃燒系統(tǒng)內(nèi)多因素協(xié)同完成對爐內(nèi)氣氛的控制實現(xiàn)低金屬燒損。由于再生鋁工廠的氧氣使用量一般不大，較為常見的是由工業(yè)氣體公司提供液氧儲罐，安裝在客戶工廠，用液體槽式運送液氧，保障氧氣供應，客戶支付儲罐租賃和氧氣使用費用。這一費用已經(jīng)包含在前述的經(jīng)濟效益分析計算之中。

為了避免火焰在給定的爐子內(nèi)布置不當，必須調(diào)整火焰的長度及寬度，并且必須仔細計劃和設計煙氣路徑。只有在燃燒技術(shù)和熔煉工藝得到調(diào)整和最優(yōu)化時才有可能實現(xiàn)。獨特的控制技術(shù)與無焰純氧燃燒技術(shù)相結(jié)合，可確保在熱量需求高的工藝段具有較高的能量輸入速率，而在預期氧化速率較高時可確保較低的能量輸入速率，以降低燒損。

2 無焰純氧燃燒在鋁熔煉工藝中的應用

目前，全球范圍內(nèi)對于無焰燃燒還沒有進行非常明確的定義，我們可以通俗的理解為，燃燒發(fā)生在非常寬廣的空間之內(nèi)，火焰沒有明顯的邊界。無焰燃燒也被稱為稀釋燃燒、彌散燃燒等。無焰燃燒通常有以下兩種方法直接獲得[5]：

1）通過將部分煙氣再循環(huán)到燃燒器中來稀釋火焰，助燃空氣需預熱到400℃～500℃；

2）使燃料和助燃劑高速分離并延遲混合來實現(xiàn)，通常，助燃劑有三種形式：一、純氧助燃；二、空氣助燃，需預熱至1000℃以上；三、富氧空氣助燃，也需預熱。

無焰燃燒有助于獲得非常良好的溫度均勻性。實施無焰燃燒后的爐膛內(nèi)，低溫區(qū)域的溫度上升，高溫區(qū)域的溫度下降，這意味著，爐膛內(nèi)將獲得更小的溫度梯度，對于溫度均勻性要求高的工藝環(huán)境是非常有利的。其次，無焰燃燒可以將燃燒產(chǎn)物中的NOx降到很低的水平，這可以很好的解決很多工業(yè)過程帶來的環(huán)境污染問題。無焰燃燒的一個附帶的優(yōu)勢是燃燒過程的噪音低，為操作人員創(chuàng)造了一個更加安全且相對舒適的工作環(huán)境。

將無焰燃燒技術(shù)與純氧燃燒技術(shù)相結(jié)合，能融合兩種燃燒方式的優(yōu)勢，進一步降低能耗以及使NOx的排放量降到更低的水平。

無焰純氧燃燒在鋁熔煉工藝中的應用之一，Air Liquide公司的BoostAL DDC 系列的燃燒器，具有兩種工作模式，一種為動態(tài)火焰模式，火焰可見，如圖1 所示，在熔化段，調(diào)節(jié)火焰的噴射角度，使可見火焰外略固體料表面，強化對流換熱，提高換熱效率，可實現(xiàn)廢料的快速升溫及熔化；另外一種工作模式為無焰純氧燃燒，如圖2 所示，在保溫段，利用無焰燃燒溫度均勻性高、節(jié)能等優(yōu)良特性，實現(xiàn)鋁液的低能耗保溫并將燒損降至最低。

圖1 BoostAL DDC 的可調(diào)節(jié)火焰工作模式

圖2 BoostAL DDC 無焰工作模式

根據(jù)以往的應用案例，使用BoostAL DDC 后，對比傳統(tǒng)的純氧燃燒技術(shù)，可為客戶節(jié)約20%的氧氣及15%的天然氣的同時，獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量及更少的燒損。

3 結(jié)論及應用展望

1) 再生鋁行業(yè)反射爐應用結(jié)果顯示，純氧燃燒可以將熔化效率提高20%以上，與冷空氣助燃相比可節(jié)能50%，與蓄熱式相比，可節(jié)能20%以上，降低了氮氧化物的排放，對金屬燒損無不利影響，經(jīng)濟效益顯著。因此，純氧燃燒對比傳統(tǒng)的空氣蓄熱式燃燒在降低能耗方面有非常突出的表現(xiàn)，加之可以有效降低再生鋁熔煉過程中產(chǎn)生的氮氧化物等有害物質(zhì)并具有減少維護、操作更友好等優(yōu)勢，使之具有非常可觀的應用前景。

2) 無焰純氧燃燒具有無焰燃燒和純氧燃燒共同的優(yōu)勢，可進一步將產(chǎn)能及污染物的排放降到最低，且同時獲得最佳的爐溫均勻性及燃燒的低噪聲，在再生鋁熔煉工藝中具有非常有意義的應用價值。

3) 純氧燃燒在再生鋁行業(yè)中的應用方興未艾，隨著我國液氧供應覆蓋區(qū)域的擴大，再生鋁純氧燃燒會逐漸成為眾多行業(yè)領(lǐng)先公司對節(jié)能減排，實現(xiàn)“綠水青山”的突破口，在實現(xiàn)高效燃燒和低碳發(fā)展的同時，獲得最佳的經(jīng)濟效益。