蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析

蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析桂冠冠;陈镇江【摘要】详细分析了某蓄热式铝熔炼炉理论热平衡,了解了整个熔炉系统的各项热损失,为提高铝熔炼炉能源利用率、减少热损失提出了工艺操作和设备结构方面的改进建议.【期刊名称】《有色冶金节能》【年(卷)，期】2017(033)001【总页数】4页(P24-27)【关键词】蓄热式燃烧;铝熔炼炉;理论热平衡;热损失【作者】桂冠冠;陈镇江【作者单位】湖北君邦环境技术有限责任公司，湖北武汉430000;湖北君邦环境技术有限责任公司，湖北武汉430000【正文语种】中文【中图分类】TF821.06某铝液直供项目采用的铝熔炼炉为反射炉，采用的燃料为天然气。通过对该项目采用的蓄热式铝熔炼炉进行理论热平衡计算，了解整个熔炉系统的各项热损失，找出节能途径，为提高铝熔炼炉能源利用率提出工艺操作和设备结构方面的改进建议。该项目选用矩形倾动式熔炼炉，容量为18t。将经分选过的回炉铝材通过自动加料机投入炉内熔化。铝液温度控制在720^左右，熔炼时间为5h左右。选择反射炉是因为反射炉能够保持炉内的还原性气氛，减少合金的吸气和氧化作用。熔炼炉额定容量为18t,实际入炉料按16t计算，则熔炼炉物料平衡见表1。为了简化计算，铝原料(纯铝锭、回收铝锭、回收料)的固态比热容均按下式计算：Cl=a+bt，其中a=0.94,b=2.96x10-3(固态铝比热容公式)[1];根据相关资料铝原料熔化温度取660°C,溶解热为398kJ/kg，液态比热容为1.176kJ/kg%,铝原料燃烧热为30481kJ/kg。熔炼炉铝液出炉温度为720C,铝液烧损率取0.3%[2]。由公式：式中：Q——吸、放热量，kJ;C——•物质比热容，kJ/(kgK);M——物质质量，kg;△t——物质初、终态温度差，K。计算得1kg铝原料从0C加热至20C吸热量为Q1=19.392kJ/kg、1kg铝原料从0C加热至660C吸热量为Q2=1265.088kJ/kg。则铝原料带入热量为Qr=16000kgx19.392kJ/kg=310272kJ/炉。铝液带出热量Qc=15520kgx[1265.088kJ/kg+398kJ/kg+1.176kJ/kg・°Cx(720-660)C]=26906216.96kJ/炉。铝灰带出热量Qz=480kgx[1265.088kJ/kg+398kJ/kg+1.176kJ/kg・°Cx(720-660)°C]=832151.04kJ/炉。铝液熔化吸热量Ql吸=26906216.96+832151.04-310272=27428096kJ/炉。铝液烧损放热量Ql放=16000kg/炉x0.3%x30481kJ/kg=1463088kJ/炉。炉体表面散热量按公式(2)计算[3]:式中：Q散——炉体表面的散热量，kJ/h;K—系数，根据经验取4.88kJ/(m2h°C4)E——炉体表面黑度，取0.8;tb——炉体外表面平均温度，取80°C°(GBT15319—94火焰加热炉节能监测方法中规定的火焰加热炉炉体外表面最高温度合格指标)te——车间环境温度，20C;ad——炉体外表面与车间环境的对流换热系数，kJ/(m2hC);A——炉体外表面积，为50m2。车间内风速Wf=0.6m/s，则ad可按式(3)计算[3]:计算得Q=109941.22kJ/h，熔炉熔炼时间为5小时，则Q散=549706.09kJ/炉天然气燃烧反应化学方程式如下：由以上化学方程式可知，1kgCH4燃烧需消耗O2约4kg,生成CO22.75kg,生成水2.25kg;1kgC2H6燃烧需消耗O2约3.73kg，生成CO22.93kg，生成水1.8kg;1kgC3H8燃烧需消耗O2约3.64kg，生成CO23kg，生成水1.64kg。1m3天然气组分及物性见表2,1m3天然气完全燃烧各组分质量如表3,各组分物性见表4。由物质吸热、放热公式：式中：Q——吸、放热量，kJ;Cp物质定性温度下定压比热容，kJ/(kgK);M——物质质量，kg;(t2-t1)物质初、终态温度差，K。则天然气带入热、空气带入热、烟气带走热见表5。(天然气、空气初始温度为20C,排烟温度为180C,以0C为基准)。由表3可知，1m3天然气完全燃烧生成烟气质量为14.26kg，若产生的烟气经蓄热体降温至180C排放，则排烟带走的热量为2907.79kJ(表5),实际情况会有烟气从炉门逸出，设本项目熔炼炉经蓄热体降温后排放的烟气质量为X(kg/炉),则排烟带走净热量为：Q排=X-14.26x（2907.79-277.46-30.75）=182.299X炉门开启逸气量按式（5）计算：式中：一一系数，根据经验取值1997；B——炉门宽度，2m;H——炉门高度，1m。计算得qva=3994m3/h炉门处逸气温度约为700°C,根据烟气各组分体积比计算各组分分压力，根据分压力、温度查询各组分密度，根据压力、定性温度查询各组分定压比热容，计算逸气带出热量（基准温度0°C）。烟气成分体积比见表6，逸气组分及带走热量计算见表7。由表7可知炉门逸气量为1405.89kg/h，每小时带走热量1251230.095kJ/h（相对于基准温度0C）,由表3、表5可知生成质量为14.26kg的烟气对应的天然气、空气质量分别为0.713kg、13.55kg，带入的初始热量（相对于基准温度0°C）分别为30.75kJ、277.46kJ,铝熔炼炉炉门开启时间约为1.5h/炉，则炉门开启逸气散热量（相对于环境温度20°C）Q逸=[1251230.095-1405.89-14.26x（30.75+277.46）]x1.5=1831261.206kJ/炉。根据相关资料文献数据，取其它热损失（冷风保护冷却等）占燃料燃烧放热量比值a=4%[5]。设熔炼炉每炉天然气耗量为Y（m3/炉测生成的理论烟气量为14.26Ykg，根据热平衡有如下平衡公式，天然气燃烧放热量Q燃为：天然气燃烧热值取35544kJ/m3，由式（6）可得：根据烟气质量守恒有：解方程(7)、(8)得X=10538.69,Y=887.03根据熔炼炉每炉天然气耗量算出理论空气量、烟气量。本项目熔炼炉理论热平衡见表8。由熔炼炉的理论热平衡计算可知，在天燃气完全燃烧的理想情况下蓄热式铝熔炼炉的理论全炉热效率可达80.14%，而目前国内铝熔炼炉热效率普遍在40%左右，还有很大的节能空间，结合该铝液直供项目铝熔炼炉的理论热平衡计算提出以下节能建议：优化燃料的燃烧过程，尽量减少燃料的不完全燃烧损失。燃料的不完全燃烧既会造成燃料的化学热损失，还会带走炉内的部分物理热量。排烟损失与排烟温度紧密相关，建议进一步改良烧嘴蓄热体蓄热性能，尽量降低排烟温度(接近烟气露点温度)。炉门开启散热量主要与从炉门逸出的烟气量有关，而炉门逸出的烟气量与炉内压力及炉门开启时间有关。建议一方面尽量减少炉门的开启时间，另一方面采用燃烧器不成对配置方式，少烧多排，加大排烟通道面积并配合采用变频风机，维持炉内较低的烟气压力。⑷建议优化筑炉材料，采用新型节能炉衬材料，优化炉衬结构，减少炉衬的蓄热与炉体散热。⑸减少保护冷风量，建议保护风机采用小风量、高风压与变频控制，减小运行时的冷风量，继而减少因冷风鼓入的降温，降低能耗。【相关文献】彭云冬，蒋元力，宋乃春.电解铝液直接进行铸轧的节能效果[J].资源再生，2008(4):50-51.杨湘生，孙本良.铝合金熔体的金属烧损[J].铝加工技术，1994(2):6-14.罗国民.蓄热式高温空气燃烧技术[M].北京：冶金工业出版社，2011:128-129.［4］代朝红，温治，朱宏祥.高温空气燃烧技术的研究现状及发展趋势［几工业加热，2002,31(4):11-16.［5］李世轩，李浩.铝熔炼炉热平衡测试及节能分析［J］.有色冶金节能，2009(3):40-42.［6］夏里扬，丁霞，吕树海.关于设备热平衡计算过程中最佳基准温度的探讨［J］.工业炉，1991,61(3):45-50.［7］赵世明.铝熔炼炉用特种高铝砖的抗侵蚀性研究［J］.耐火材料，2