摘要 對(duì)25t傾動(dòng)式圓形爐的結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)作了簡要介紹。著重介紹了具有高效、節(jié)能、低污染等特性的新型蓄熱燒嘴的結(jié)構(gòu)、工作原理和在熔鋁爐上的應(yīng)用情況及節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞 蓄熱燃燒器圓形熔鋁爐高溫空氣燃燒NOx排放量
Application of Heat Accumulation Burner in Modern
Aluminium Melting Furnace
He Yongdong
(Huanggang Aluminium Co.，Ltd.，Huanggang，436218，China)
Abstract The constructions and main specifics of 25 t circular furnace are briefly introduced. The constructions，work principles，applications and energies saving of new heat accumulation burner are emphasized.The burner is of fine efficacy，energy saving and little contamination.
Keywords heat accumulation burner；circularaluminiummeltingfurnace；burning with high temperature air；NOx emission
近20年來，經(jīng)過熱工工作者的試驗(yàn)研究，熔鋁爐的燃燒控制技術(shù)和余熱回收技術(shù)取得了突破性的進(jìn)步。以RCB、1150、HRS蓄熱燒嘴為代表的新型燃燒裝置，在提高生產(chǎn)率、降低燃耗和污染物的排放量方面取得了很大的成功。本文以25t頂裝料圓形爐為例，對(duì)新型RCB蓄熱燒嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用性能和經(jīng)濟(jì)效益作簡要介紹。
1 25t圓形爐的結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能
1.1 圓形爐的結(jié)構(gòu)與性能
25t傾動(dòng)式熔鋁爐由圓形爐本體、可開啟的球缺形爐蓋、啟蓋機(jī)、爐底傾動(dòng)機(jī)構(gòu)、蓄熱式燃燒器系統(tǒng)、燒嘴供風(fēng)和引射風(fēng)系統(tǒng)組成，見圖1。
圖1 25 t 傾動(dòng)式圓形爐示意圖
1.2 圓形爐的主要特點(diǎn)
圓形爐的燒嘴按爐子中心圓的切線方向向下傾斜10°安裝，使火焰直沖熔池，爐膛內(nèi)形適于氣流循環(huán)，無火焰死角，以保證對(duì)流加熱效果好。頂開蓋可實(shí)現(xiàn)快速裝料，每爐裝料時(shí)間為15～20min，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。傾動(dòng)式縮短了轉(zhuǎn)注操作時(shí)間，減少了熔體溫度損失。圓形爐具有較小的比表面積，與矩形爐相比可降低側(cè)部蓄熱散熱損失20%。
蓄熱式燒嘴是成對(duì)配置的高速燒嘴，25t圓形爐采用5套型號(hào)為RCB的蓄熱燒嘴，單只燒嘴的供熱能力為2.508GJ/h，火焰噴速快且周期換向，有利于爐氣循環(huán)。
圓形爐采用鋼結(jié)構(gòu)框架，全耐火纖維噴涂的爐蓋結(jié)構(gòu)。爐蓋底圓直徑6233mm，弦高760mm，耐火纖維的總厚度為300mm，其中普鋁層厚度為120mm，高鋁層厚度為180mm。耐火纖維噴涂技術(shù)適于形狀復(fù)雜、異型部位的爐襯施工，具有施工速度快，筑爐勞動(dòng)強(qiáng)度低，爐蓋重量輕，蓄熱少，升溫快的優(yōu)點(diǎn)。
RCB蓄熱燒嘴安裝有自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測裝置，當(dāng)主燃燒器被點(diǎn)燃后，點(diǎn)火燒嘴可以自動(dòng)關(guān)閉。燒嘴內(nèi)襯為耐火材料，腐蝕介質(zhì)對(duì)燒嘴和排煙器的使用壽命無不良影響。與普通自身預(yù)熱燒嘴熔鋁爐相比，可省去煙囪和付煙道，大大簡化爐體結(jié)構(gòu)。
2 蓄熱燒嘴的結(jié)構(gòu)與工作原理
2.1 結(jié)構(gòu)與原理
蓄熱式燒嘴與蓄熱式爐相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換向時(shí)間短、排煙溫度低、熱回收率高和預(yù)熱溫度波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2。蓄熱燒嘴一般包括相同的兩個(gè)燃燒器本體、兩個(gè)體積緊湊的蓄熱室、一套換向閥門系統(tǒng)和相配套的控制系統(tǒng)。兩個(gè)蓄熱室分別處于蓄熱（流過煙氣）或預(yù)熱（流過空氣）工作狀態(tài)，通過換向裝置使煙氣和空氣交替流過每個(gè)蓄熱室。圖3為蓄熱燒嘴在一個(gè)加熱周期內(nèi)的工作情況。前半個(gè)周期，燃料和助燃空氣由1號(hào)燒嘴通入，1號(hào)燒嘴噴出的高速高溫火焰對(duì)爐料進(jìn)行加熱熔化；與之配套的2號(hào)燒嘴在引射風(fēng)的抽力作用下抽取爐內(nèi)煙氣，并對(duì)2號(hào)蓄熱室內(nèi)的蓄熱體進(jìn)行加熱。由于蓄熱體油的比表面積大，蓄熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱性能和傳熱性能極佳，透熱深度小，蓄熱體在很短的時(shí)間內(nèi)即能達(dá)到熱飽和狀態(tài)，對(duì)減小預(yù)熱溫度的波動(dòng)，縮短換向時(shí)間，降低蓄熱體尺寸有利。在后半個(gè)周期，換向裝置將煙氣和助燃風(fēng)的流向切換過來。這時(shí)，1號(hào)燒嘴吸煙，2號(hào)燒嘴則處于燃燒狀態(tài)。冷風(fēng)經(jīng)2號(hào)蓄熱室被預(yù)熱至高溫并送往2號(hào)嘴參與燃燒過程，蓄熱體逐漸被冷卻降溫；與此同時(shí)，1號(hào)燒嘴抽取爐內(nèi)煙氣對(duì)1號(hào)蓄熱體進(jìn)行加熱，由蓄熱室排出的煙氣溫度在150～180℃之間，低溫?zé)煔馔ㄟ^排煙器排空。如此反復(fù)循環(huán)，維持燃燒過程。
1-換向裝置；2-1#燒嘴；3-蓄熱體；4-2#燒嘴；5-爐體
2蓄熱式燒嘴示意圖
圖3 蓄熱式燃燒器工作原理圖
2.2 蓄熱燒嘴與間壁燒嘴的比較
蓄熱燒嘴和間壁燒嘴都是自身預(yù)熱燒嘴，后者的余熱回收原理與換熱器的相同，燒嘴一般為單體結(jié)構(gòu)，單只燒嘴連續(xù)工作[1]。前者的余熱回收原理則與蓄熱室式爐相近，燒嘴和蓄熱室都是成對(duì)出現(xiàn)的，兩只燒嘴交替進(jìn)行吸煙和燃燒噴火狀態(tài)。
從使用效果看，間壁燒嘴余熱回收率不超過45%；蓄熱燒嘴余熱回收率可達(dá)到90%，見表1。間壁式燒嘴在簡化爐體結(jié)構(gòu)方面有較好的效果，但煙氣排放量大，NOx的排放量多；蓄熱燒嘴在簡化爐體結(jié)構(gòu)的同時(shí)還可縮小爐體尺寸。新一代蓄熱燒嘴因采用了煙氣強(qiáng)循環(huán)再生燃燒技術(shù)和高溫空氣燃燒技術(shù)，NOx的排放量僅為傳統(tǒng)燃燒技術(shù)的10%，煙氣排放量可減少30%[1，2]。
表1間壁式與蓄熱式自身預(yù)熱燃燒器比較[2]
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間壁式燒嘴 |
蓄熱式燒嘴 |
| 工作原理 |
熱交換裝置為不換向的換熱器，連續(xù)工況 |
熱交換裝置為需換向的蓄熱室，周期工況 |
| 空氣預(yù)熱溫度/℃ |
480～600 |
較爐溫低80～150℃，一般可將空氣預(yù)熱到960～1080℃ |
| 排煙溫度/℃ |
>700 |
150～180 |
| 使用壽命/a |
3～5 |
>10 |
| 余熱回收率/% |
40～45 |
≈90 |
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2.3 蓄熱燃燒器的特點(diǎn)
蓄熱燃燒器可以將空氣預(yù)熱到1000℃左右，與爐溫僅相差80～150℃；煙氣排放溫度可低于200℃。與采用冷風(fēng)相比（不回收煙氣余熱），RCB燃燒器的燃料節(jié)約率可高達(dá)60%～65%[3]，由于采用了煙氣強(qiáng)循環(huán)再生燃燒技術(shù)，其NOx的排放量很少。同時(shí)由于采用了高余熱回收率技術(shù)，空氣消耗系數(shù)由1.0增大到1.5時(shí)，熔鋁爐的單位燃耗和爐子的熱效率變化不大。
RCB燒嘴的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以采用低氧燃燒技術(shù)。燃料的實(shí)際理論燃燒溫度公式為：
 式中：QyDw—燃料的低位發(fā)熱，kJ/kg；
Q空氣、Q燃料—預(yù)熱燃料和助燃空氣帶入爐內(nèi)的物理熱，kJ/kg；
Vn—空氣消耗系數(shù)為n的情況下，燃—料燃燒時(shí)的產(chǎn)物生成氣量，m3/kg；
Cy燃燒生成氣的平均比熱容，kJ/(m3.℃）
由（1）式可知，隨助燃空氣溫度的升高，Q空氣增大，燃燒溫度升高；當(dāng)空氣溫度預(yù)熱到1000℃以上時(shí)，如果仍按常規(guī)燃燒技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)供入氧氣，爐溫就會(huì)超過鋁熔煉工藝允許的溫度，甚至超過耐火材料的容許使用溫度[4]。往助燃空氣中通入不參加燃燒反應(yīng)的煙氣，使助燃空氣中的氧含量降低，通入燃料量減少，因VnCy增大，燃燒溫度隨之降低。控制通入的煙氣量，可以將爐溫控制在鋁熔煉工藝允許的范圍內(nèi)。
排放的NOx是引發(fā)酸雨和光化學(xué)煙霧的重要原因，對(duì)環(huán)境造成極大的破壞。RCB燒嘴抽取爐內(nèi)煙氣摻入助燃空氣中，降低了助燃空氣中的N2、O2濃度，降低了燃料燃燒溫度，由于消除了局部高溫區(qū)，NOx的生成量大幅度降低，實(shí)際NOx的排放量僅為普通蓄熱燒嘴的10%。
RCB蓄熱式自身預(yù)熱燒嘴將很高溫度（達(dá)1000℃左右）的助燃空氣噴射入爐膛，超過了燃料的自燃溫度，無需火焰穩(wěn)定機(jī)制即能保證穩(wěn)定燃燒，火焰在均勻高溫激發(fā)的反應(yīng)中生成，爐溫的均勻性不受傳統(tǒng)火焰的形狀、火焰長度、火焰的剛性及鋪展性的影響，整個(gè)爐膛的溫度梯度很小，燃燒噪音極低。
RCB燃燒器屬于高效、節(jié)能、低污染、高效益的新型燃燒裝置，在日本被譽(yù)為是21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有其它型式燃燒器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，帶來極好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)收益。
3 蓄熱燒嘴的應(yīng)用情況與節(jié)能效果
25t圓形爐采用5套R(shí)CB蓄熱燒嘴，每套燒嘴的燃油能力為60kg/h，0#柴油的低熱值為QyDw=43410kJ/kg，鋁裝爐量為25t/爐，熔煉一爐工業(yè)純鋁的時(shí)間為 =3.1h；而采用普通燒嘴的燃油單耗為B'=80kg/t。熔鋁爐采用噴射排煙技術(shù)，噴射風(fēng)與助燃風(fēng)各用一臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓為7000Pa，燒嘴換向周期為60～90s。
則熔煉每噸鋁的實(shí)際燃油消耗量為：
因此，采用RCB燒嘴時(shí)的燃料節(jié)約率為：
 (2)式中：B'—未采用蓄熱燒嘴時(shí)熔煉噸鋁的燃料單耗，kg/t；
B—采用RCB燒嘴時(shí)的燃料單耗，kg/t。
將B=37.2B'=80代入（2）式，得η節(jié)=53.5%。
從熱平衡分析可知，采用RCB燒嘴的燃料節(jié)約率與爐子砌體的蓄熱量、爐體的表面散熱損失有關(guān)。因?yàn)闊焓峭ㄟ^煙氣回收余熱的，爐體的蓄熱量減小，表面散熱損失越少，則排煙余熱量越大，燃料節(jié)約率就越高。
RCB蓄熱燒嘴不適于在帶熔煉前室的熔鋁爐、雙向熔煉爐和利用煙氣余熱預(yù)熱爐料的豎式熔鋁爐上安裝使用。在這些爐型中，燒嘴吸煙都將減弱煙氣對(duì)爐料的預(yù)熱作用，形成燒嘴與預(yù)熱段爭熱量的局面。對(duì)于不設(shè)煙囪、煙道，不安裝換熱器，不利用煙氣余熱預(yù)熱爐料的室式熔鋁爐（在中小型企業(yè)中十分普遍），如能將熔池上部爐墻改成熱惰性小的高強(qiáng)輕質(zhì)耐火材料，爐頂采用纖維噴涂料結(jié)構(gòu)，并安裝余熱回收率幾乎接近理論值的RCB高速蓄熱燒嘴，即能在熔鋁爐上實(shí)現(xiàn)高爐溫、高火焰噴出速度、高煙溫、高余熱回收率和低惰性的四高一低的操作技術(shù)。能有效強(qiáng)化爐內(nèi)熱交換過程，提高熔煉生產(chǎn)率，大幅度降低燃料消耗，并可節(jié)約現(xiàn)場面積，收到理想的綜合經(jīng)濟(jì)效果。
作者簡介：賀永東，男，1966年生，高級(jí)工程師。
作者單位：湖北黃岡鋁業(yè)有限公司 湖北省黃岡市 436218
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