燃用重质渣油的铝合金熔炼炉能耗测试与分析

燃用重质渣油的铝合金熔炼炉能耗测试与分析

铝合金熔出机是一种将铝原料消耗并添加到金属中形成的加热炉。燃料主要是重油。近年来由于石油价格的不断上涨,铝合金生产企业的燃料成本压力日益增加而不堪重负,节能降耗已成为企业生产中需要重点关注的工作。某厂建有多台20t矩形反射式熔铝炉,为降低燃料成本,企业以相对密度大于1的重质渣油为燃料进行雾化燃烧,雾化方式采用机械雾化且不配备烟气余热回收装置,由于采用冷风雾化和助燃,熔铝炉存在严重的冒黑烟现象,同时大量烟气余热被浪费,造成整个系统的能源利用率偏低,厂家统计的熔铝炉单位能耗数据为吨铝燃油消耗量79.5kg。为提高能源利用效率,减少冒黑烟现象,降低燃料成本和能耗,将一台铝合金熔炼炉重油机械雾化烧嘴改为高压空气雾化烧嘴,并在烟气通道加装了烟气换热器以提高助燃风温度。燃烧系统改进后,基本消除了熔铝炉冒黑烟现象。为进一步了解燃烧系统改造后铝合金熔炼炉的能耗水平和能源利用效率,对此熔铝炉系统进行了能耗测试,对试验结果进行总结,并对现有熔铝炉的节能潜力进行进一步的分析讨论,提出适合企业节能降耗的几点建议,为铝合金熔炼炉和同类型工业加热炉降低能耗、提高能源利用率提供参考。1试验对象和测试方法1.1燃料供应系统能耗测试对象为某公司一台20t矩形反射式熔铝炉,熔铝炉炉膛前墙装有可升降式炉门,炉门上开有三排散气孔,炉门前正上方装有烟气集气罩,集气罩通过管路接入引风机和烟囱;炉墙侧壁装有两台高压空气雾化重油油枪,在燃烧器对面的侧墙上开有烟气出口,烟气通道装有空气换热器,进行烟气余热回收;空气换热器前装有烟气闸板,厂方为保证炉内温度稳定和维持高温,烟气闸板开度为10%左右,即仅有少部分烟气进入换热器,大部分烟气通过炉门的散气孔进入集气罩,经集气罩收集后接入烟囱排出。熔铝炉的燃料供应系统依次由重油油箱、辅助电加热器、输油油泵、重油流量计等通过管路和阀门连接,最终接至重油雾化油枪,油枪头部的助燃风通道装有旋流叶片,使助燃风进入炉内时进行旋风助燃。熔铝炉燃料油为重质渣油,其物性数据由厂家化验提供,测试所用重油共取样三批次,重油数据如表1所示,能耗计算取其平均值。1.2热风温度和烟气成分测量燃油消耗量由输油泵后面的累计式重油流量计进行计量,在空气换热器的烟气进出口管道处设置K型热电偶进行温度测量,在送风机入口设置皮托管进行送风量测试;油枪助燃风入口设置K型热电偶测量热风温度,炉内铝液温度采用移动式K型热电偶进行测量,排烟烟气成分由HORIBA-PG250烟气分析仪测量。测试选取熔铝炉正常生产的一个班次,从铝熔炼炉装料开始按照以下步骤进行:(1)首先记录环境温度、大气压力参数,记录重油流量计初始读数;(2)在加热、熔化、加料、铝液升温等阶段进行燃油流量和风量测量,持续测量换热器烟气进出口温度、助燃热风温度、烟气成分数据;(3)在铝液温度达到730℃满足铸造条件停火后,记录燃油流量表最终数据和熔化时间,铝棒铸造成型后测量铝棒直径、长度和密度数据,铝棒经过加工入库时记录铝棒实际产量。2能源效果分析2.1单位产品能耗数据测试得到的熔铝炉能源利用率数据和计算结果如表2所示。从表2中的数据可以看出,所测试铝熔炼炉能源利用效率只有42.17%,系统的能源利用率较低,其中的热助燃风温度只升高了13℃,远低于换热器设计水平,可见炉体仍存在可观的节能潜力。表3给出了熔铝炉测试的单位产品能耗数据,并给出了单位能耗按照热值折算为180号重油和标煤的数据,其中180号重油数据为密度(20℃)g/cm3≤0.98,低位热值4.18kJ/kg≥9800。由表3中的数据可以看出,采用高压空气雾化油枪后,熔铝炉出炉铝棒吨铝燃油消耗量为68.71kg,而原先采用机械雾化油枪的熔铝炉统计吨铝燃油消耗量为79.5kg,铝棒单位能耗下降10.79kg,下降13.6%,节能效果明显。与同类型生产企业熔铝炉能耗对比时,可采用按照实际燃油热值折算为180号重油数据或者标煤数据进行对比,分别为59.3kg/t和83.02kgce/t,从而使数据比较采用同一个基准。2.2渣油的燃烧效率表4为熔铝炉排烟管道烟气闸板前的烟气成分平均数据,可以看出熔铝炉内的重质渣油有较高的燃烧效率,CO的排放量仅有188×10-6;燃油中含有微量的硫元素,造成熔铝炉燃烧烟气中SO2浓度为15.4×10-6,同时烟气中的氮氧化物为188.6×10-6,污染物排放浓度满足国家相关烟气排放标准。3节能潜力分析3.1烟气斑块阀门开度对回收烟气的影响从熔铝炉能耗测试数据可知,熔铝炉能源利用率只有42.17%,大部分的热量通过炉体散热、烟气废热的方式而浪费,其中烟气余热回收效率低于2%,可见提高烟气余热回收效率是增加能源利用率的主要途径。从现场实际运行情况看,导致烟气余热回收效率低的主要原因是换热器前烟气挡板开度过小。实际运行中厂方为保证炉内温度稳定和维持高温,烟气闸板开度仅为10%左右,大量高温烟气不能进入烟气换热器进行高温换热,而是通过炉门口排出,使换热器工作效率下降。后续实际运行中需进行烟气挡板开度与熔铝炉整体热效率和能耗的影响试验,找出熔铝炉高能源利用率的烟气挡板阀门开度数据,以指导以后的熔铝炉现场运行。在烟气余热回收效率得到提升以后,熔铝炉的能耗将进一步下降,其能源利用效率和节能水平将大大增加。3.2气体雾化和热风助燃技术提高燃油的燃烧效率是提高熔铝炉节能水平最直接的手段,企业为降低燃料成本,采用相对密度大于1的重质渣油为燃料进行燃烧,这对油枪的雾化水平提出了更为严格的要求。重油雾化过程主要是外力(压力、气动力)与内力(表面张力、粘性力)相互竞争的过程,当外力作用足以克服液体表面张力和粘滞性时,液体会破碎成小液滴,重质渣油由于具有较大的粘滞性,因此需要的外力也较大。高压气体雾化方式比机械雾化方式更合适这种燃料。采用冷风助燃和机械雾化方式的燃烧技术能耗水平高,燃油的燃烧效率也低,导致熔铝炉冒黑烟现象严重;而采用高压空气雾化方式和烟气余热回收装置的热风旋流助燃技术提高了重质渣油的燃烧效率,从而减少了不完全燃烧和熔铝炉冒黑烟现象,增加了熔铝炉能源利用率。因此企业后续可将重油机械雾化方式进行改造,以进一步提高整厂的节能水平。3.3重质渣油高压空气雾化燃烧试验重质渣油改进雾化方式以后,其燃烧效率还跟助燃风配比、雾化空气压力、燃油压力等因素密切相关。在燃烧室内保持足够的高温,如果氧气供应充足,则重质渣油很容易被氧化而燃烧完全,即使火焰内局部区域缺氧,也只是生成少量的CO和H2,只要在流出燃烧室之前再与氧气混合,仍然可以燃尽。但如果燃烧室内的空气供应不足,或者燃油、空气混合很不均匀,就会有部分烃类因高温、缺氧而发生热解、裂化,最终析出炭黑,出现燃烧不充分、冒黑烟等现象。因此合理的配风比、最佳的雾化空气压力和燃油压力差值,以及合适的燃油流量是熔铝炉中重质渣油能否高效燃烧的关键影响因素。采用高压空气雾化油枪后,为保证重质渣油高燃烧效率,需及时调节和进行燃烧工况的优化调整工作。在燃烧器改造后进行了多次的燃烧器调试,摸索重质渣油高效燃烧的相关工况参数并得到了相关数据,测试中重质渣油高压空气雾化燃烧在最佳工况参数下运行,达到了所期望的高效燃烧效果,熔铝炉冒黑烟现象大为减少,测试结果也表明熔铝炉单位能耗降低了13.6%。测试得到的最佳工况参数可用于指导同企业其他熔铝炉改造后的优化运行,以提高企业的能源利用率。4提高企业铝熔炼炉节能方案通过实验测试,得到某厂经过燃烧技术改造的铝熔炼炉能源利用效率为42.17%,铝棒单位能耗下降13.6%,节能效果明显,但系统余热回收效率较低,大量烟气余热被浪费,铝熔炼炉仍存在较大节能潜力。结合试验中测量的数据和分析结论,对提高企业铝熔炼炉节能水平提出以下参考建议:(1)进一步提高烟气余热回收效率,进行烟气挡板开度与熔铝炉整体热效率和能耗的影响试验,找出熔铝炉高能源利用率时的烟气挡板阀门开度数据,降低熔铝炉单位能耗,并