蓄熱式鋁熔煉爐理論熱平衡計算及節(jié)能分析

蓄熱式鋁熔煉爐理論熱平衡計算及節(jié)能分析桂冠冠;陳鎮(zhèn)江【摘要】詳細(xì)分析了某蓄熱式鋁熔煉爐理論熱平衡,了解了整個熔爐系統(tǒng)的各項熱損失,為提高鋁熔煉爐能源利用率、減少熱損失提出了工藝操作和設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)建議.【期刊名稱】《有色冶金節(jié)能》【年(卷)，期】2017(033)001【總頁數(shù)】4頁(P24-27)【關(guān)鍵詞】蓄熱式燃燒;鋁熔煉爐;理論熱平衡;熱損失【作者】桂冠冠;陳鎮(zhèn)江【作者單位】湖北君邦環(huán)境技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北武漢430000;湖北君邦環(huán)境技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北武漢430000【正文語種】中文【中圖分類】TF821.06某鋁液直供項目采用的鋁熔煉爐為反射爐，采用的燃料為天然氣。通過對該項目采用的蓄熱式鋁熔煉爐進(jìn)行理論熱平衡計算，了解整個熔爐系統(tǒng)的各項熱損失，找出節(jié)能途徑，為提高鋁熔煉爐能源利用率提出工藝操作和設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)建議。該項目選用矩形傾動式熔煉爐，容量為18t。將經(jīng)分選過的回爐鋁材通過自動加料機(jī)投入爐內(nèi)熔化。鋁液溫度控制在720^左右，熔煉時間為5h左右。選擇反射爐是因為反射爐能夠保持爐內(nèi)的還原性氣氛，減少合金的吸氣和氧化作用。熔煉爐額定容量為18t,實際入爐料按16t計算，則熔煉爐物料平衡見表1。為了簡化計算，鋁原料(純鋁錠、回收鋁錠、回收料)的固態(tài)比熱容均按下式計算：Cl=a+bt，其中a=0.94,b=2.96x10-3(固態(tài)鋁比熱容公式)[1];根據(jù)相關(guān)資料鋁原料熔化溫度取660°C,溶解熱為398kJ/kg，液態(tài)比熱容為1.176kJ/kg%,鋁原料燃燒熱為30481kJ/kg。熔煉爐鋁液出爐溫度為720C,鋁液燒損率取0.3%[2]。由公式：式中：Q——吸、放熱量，kJ;C——?物質(zhì)比熱容，kJ/(kgK);M——物質(zhì)質(zhì)量，kg;△t——物質(zhì)初、終態(tài)溫度差，K。計算得1kg鋁原料從0C加熱至20C吸熱量為Q1=19.392kJ/kg、1kg鋁原料從0C加熱至660C吸熱量為Q2=1265.088kJ/kg。則鋁原料帶入熱量為Qr=16000kgx19.392kJ/kg=310272kJ/爐。鋁液帶出熱量Qc=15520kgx[1265.088kJ/kg+398kJ/kg+1.176kJ/kg?°Cx(720-660)C]=26906216.96kJ/爐。鋁灰?guī)С鰺崃縌z=480kgx[1265.088kJ/kg+398kJ/kg+1.176kJ/kg?°Cx(720-660)°C]=832151.04kJ/爐。鋁液熔化吸熱量Ql吸=26906216.96+832151.04-310272=27428096kJ/爐。鋁液燒損放熱量Ql放=16000kg/爐x0.3%x30481kJ/kg=1463088kJ/爐。爐體表面散熱量按公式(2)計算[3]:式中：Q散——爐體表面的散熱量，kJ/h;K—系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取4.88kJ/(m2h°C4)E——爐體表面黑度，取0.8;tb——爐體外表面平均溫度，取80°C°(GBT15319—94火焰加熱爐節(jié)能監(jiān)測方法中規(guī)定的火焰加熱爐爐體外表面最高溫度合格指標(biāo))te——車間環(huán)境溫度，20C;ad——爐體外表面與車間環(huán)境的對流換熱系數(shù)，kJ/(m2hC);A——爐體外表面積，為50m2。車間內(nèi)風(fēng)速Wf=0.6m/s，則ad可按式(3)計算[3]:計算得Q=109941.22kJ/h，熔爐熔煉時間為5小時，則Q散=549706.09kJ/爐天然氣燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式如下：由以上化學(xué)方程式可知，1kgCH4燃燒需消耗O2約4kg,生成CO22.75kg,生成水2.25kg;1kgC2H6燃燒需消耗O2約3.73kg，生成CO22.93kg，生成水1.8kg;1kgC3H8燃燒需消耗O2約3.64kg，生成CO23kg，生成水1.64kg。1m3天然氣組分及物性見表2,1m3天然氣完全燃燒各組分質(zhì)量如表3,各組分物性見表4。由物質(zhì)吸熱、放熱公式：式中：Q——吸、放熱量，kJ;Cp物質(zhì)定性溫度下定壓比熱容，kJ/(kgK);M——物質(zhì)質(zhì)量，kg;(t2-t1)物質(zhì)初、終態(tài)溫度差，K。則天然氣帶入熱、空氣帶入熱、煙氣帶走熱見表5。(天然氣、空氣初始溫度為20C,排煙溫度為180C,以0C為基準(zhǔn))。由表3可知，1m3天然氣完全燃燒生成煙氣質(zhì)量為14.26kg，若產(chǎn)生的煙氣經(jīng)蓄熱體降溫至180C排放，則排煙帶走的熱量為2907.79kJ(表5),實際情況會有煙氣從爐門逸出，設(shè)本項目熔煉爐經(jīng)蓄熱體降溫后排放的煙氣質(zhì)量為X(kg/爐),則排煙帶走凈熱量為：Q排=X-14.26x（2907.79-277.46-30.75）=182.299X爐門開啟逸氣量按式（5）計算：式中：一一系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取值1997；B——爐門寬度，2m;H——爐門高度，1m。計算得qva=3994m3/h爐門處逸氣溫度約為700°C,根據(jù)煙氣各組分體積比計算各組分分壓力，根據(jù)分壓力、溫度查詢各組分密度，根據(jù)壓力、定性溫度查詢各組分定壓比熱容，計算逸氣帶出熱量（基準(zhǔn)溫度0°C）。煙氣成分體積比見表6，逸氣組分及帶走熱量計算見表7。由表7可知爐門逸氣量為1405.89kg/h，每小時帶走熱量1251230.095kJ/h（相對于基準(zhǔn)溫度0C）,由表3、表5可知生成質(zhì)量為14.26kg的煙氣對應(yīng)的天然氣、空氣質(zhì)量分別為0.713kg、13.55kg，帶入的初始熱量（相對于基準(zhǔn)溫度0°C）分別為30.75kJ、277.46kJ,鋁熔煉爐爐門開啟時間約為1.5h/爐，則爐門開啟逸氣散熱量（相對于環(huán)境溫度20°C）Q逸=[1251230.095-1405.89-14.26x（30.75+277.46）]x1.5=1831261.206kJ/爐。根據(jù)相關(guān)資料文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，取其它熱損失（冷風(fēng)保護(hù)冷卻等）占燃料燃燒放熱量比值a=4%[5]。設(shè)熔煉爐每爐天然氣耗量為Y（m3/爐測生成的理論煙氣量為14.26Ykg，根據(jù)熱平衡有如下平衡公式，天然氣燃燒放熱量Q燃為：天然氣燃燒熱值取35544kJ/m3，由式（6）可得：根據(jù)煙氣質(zhì)量守恒有：解方程(7)、(8)得X=10538.69,Y=887.03根據(jù)熔煉爐每爐天然氣耗量算出理論空氣量、煙氣量。本項目熔煉爐理論熱平衡見表8。由熔煉爐的理論熱平衡計算可知，在天燃?xì)馔耆紵睦硐肭闆r下蓄熱式鋁熔煉爐的理論全爐熱效率可達(dá)80.14%，而目前國內(nèi)鋁熔煉爐熱效率普遍在40%左右，還有很大的節(jié)能空間，結(jié)合該鋁液直供項目鋁熔煉爐的理論熱平衡計算提出以下節(jié)能建議：優(yōu)化燃料的燃燒過程，盡量減少燃料的不完全燃燒損失。燃料的不完全燃燒既會造成燃料的化學(xué)熱損失，還會帶走爐內(nèi)的部分物理熱量。排煙損失與排煙溫度緊密相關(guān)，建議進(jìn)一步改良燒嘴蓄熱體蓄熱性能，盡量降低排煙溫度(接近煙氣露點溫度)。爐門開啟散熱量主要與從爐門逸出的煙氣量有關(guān)，而爐門逸出的煙氣量與爐內(nèi)壓力及爐門開啟時間有關(guān)。建議一方面盡量減少爐門的開啟時間，另一方面采用燃燒器不成對配置方式，少燒多排，加大排煙通道面積并配合采用變頻風(fēng)機(jī)，維持爐內(nèi)較低的煙氣壓力。⑷建議優(yōu)化筑爐材料，采用新型節(jié)能爐襯材料，優(yōu)化爐襯結(jié)構(gòu)，減少爐襯的蓄熱與爐體散熱。⑸減少保護(hù)冷風(fēng)量，建議保護(hù)風(fēng)機(jī)采用小風(fēng)量、高風(fēng)壓與變頻控制，減小運行時的冷風(fēng)量，繼而減少因冷風(fēng)鼓入的降溫，降低能耗。【相關(guān)文獻(xiàn)】彭云冬，蔣元力，宋乃春.電解鋁液直接進(jìn)行鑄軋的節(jié)能效果[J].資源再生，2008(4):50-51.楊湘生，孫本良.鋁合金熔體的金屬燒損[J].鋁加工技術(shù)，1994(2):6-14.羅國民.蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011:128-129.［4］代朝紅，溫治，朱宏祥.高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［幾工業(yè)加熱，2002,31(4):11-16.［5］李世軒，李浩.鋁熔煉爐熱平衡測試及節(jié)能分析［J］.有色冶金節(jié)能，2009(3):40-42.［6］夏里揚，丁霞，呂樹海.關(guān)于設(shè)備熱平衡計算過程中最佳基準(zhǔn)溫度的探討［J］.工業(yè)爐，1991,61(3):45-50.［7］趙世明.鋁熔煉爐用特種高鋁磚的抗侵蝕性研究［J］.耐火材料，2