弥散式蓄热燃烧技术在铝熔炼炉上的改造及应用_王新华.pdf

张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用蓄热式高温空气燃烧技术是上世纪 80 年代，英国的 Hotwork Development 公司和 British Gas 公司共同开发出的一项先进节能技术。该技术采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气流经蓄热体蓄热，最大限度地回收高温烟气的物理热，即蓄热后的空气温度比炉内使用温度低（100200），回收烟气废热达 85以上，通过炉内热量的循环高效利用，达到大幅节约能源，提高热工设备使用热效率的目的1。随着蓄热式燃烧技术的日趋进步成熟，蓄热式燃烧可细分为换向式蓄热燃烧技术及弥散式蓄热燃烧技术。换向式蓄热燃烧技术主要适用于钢铁行业工业窑炉，而弥散式蓄热燃烧技术则多用于铝制品加工等有色金属行业工业窑炉中。某公司始建于 1988 年，经过多年跨越式发展，已成为一家拥有企业总资产 21 亿元，年产 20万 t 铝加工产品，具有较强行业影响力的中外合资企业。公司以天然气作为燃料的铝熔炼炉有 15台，于 2013 年2015 年完成了由传统的燃烧柴油向燃烧天然气的第一次节能改造；2018 年2019*收稿日期：2022-08-02作者简介：王新华（1973-），男，江苏泰兴人，高级工程师，主要从事管理工作。通讯作者：秦龙万（1980-），男，云南呈贡人，高级工程师，主要从事炉窑俢理与管理，E-mail：。基金项目：云南铝业股份技改项目（YLLY-C-2021-024）。Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY弥散式蓄热燃烧技术在铝熔炼炉上的改造及应用*王新华，秦龙万，赵德忠，杜炳钧（云南云铝绿源慧邦工程技术有限公司，云南 昆明 650502）摘要：针对铝熔炼炉使用中存在气耗高、铝液金属损耗大、生产效率不高等问题，采用先进的弥散式蓄热燃烧技术取代原有的换向式蓄热式燃烧方式，系统地对铝熔炼炉进行节能升级改造，使天然气单耗降低 15 m3/t Al，铝液金属损减少 2.65 kg/t Al，降低 NOx排放量，取得了良好的经济和社会效益。关键词：换向式燃烧；弥散式燃烧；铝熔炼炉改造；弥散式蓄热技术应用中图分类号：TK223.2文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）02-0131-06Transformation and Application of Dispersion Regenerative Combustion Technologyon Aluminum Melting FurnaceWANG Xin-hua,QING Long-wan,ZHAO De-Zhong,DU Bing-jun(Yunnan Yun Aluminum Lvyuan Huibang Engineering Technology Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650502,China)ABSTRACT：In operation of aluminum melting furnace,it has problems that high gas consumption,high consumption of moltenaluminum and low production efficiency,the advanced dispersion regenerative combustion technology was used to instead of the originalcommutation regenerative combustion method,the energy saving upgrading and reconstruction of aluminum melting furnace can be carriedsystematically,then the unit consumption of natural gas was decreased by 15 m3/t Al,Metal loss of molten alumnium was decreased by2.65 kg/t Al,the discharge amount of NOxwas decreased,good economic and social benefits can be got.KEY WORDS：commutation combustion;dispersion combustion;aluminum melting furnace transformation;application of dispersionregenerative combustion technology131Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY年公司又持续引进较为先进的换向式蓄热燃烧技术进行第二次升级改造，节能效果和产品质量较之前有了显著提升，降低了生产成本，取得了良好的经济和社会效益。1存在的问题1.1铝熔炼炉使用现状25T 铝熔炼炉用于铝加工生产过程中的加料、熔化、升温、扒渣、放铝水转炉等工艺，所用燃料为天然气，净发热值8 200 kcal/Nm3，燃烧系统配置为下置换向式蓄热式燃烧系统，改造前的运行参数如下表 1。1.2铝熔炼炉使用存在的问题25T C#铝熔炼炉在使用中存在以下问题：1）虽然已采用蓄热式燃烧，但仍是传统的换向式蓄热燃烧，节能环保效果不明显；2）化铝时注铝口有火焰外溢，炉门口周边密封性差，燃料消耗大，气耗高，平均天然气单耗达 72 m3/t Al；3）铝液金属损耗达 13.24 kg/t Al，与行业相比铝液金属烧损大，产品质量稳定性不强、产品质量存在一定波动；4）排烟温度高，设备设施损坏、更新更换快，使用寿命不长，运行维护费用高；5）生产中的烟气只能满足达标排放，距离超低烟气排放还有较大差距，对环保要求还有较大的进步空间；6）产品成本与行业标杆相比仍然偏高，生产成本居高不下，生产降本效果有限；7）炉子化铝效率不高，导致整体生产效率不高，对产量及生产成本的影响较大。2蓄热式燃烧技术蓄热式燃烧技术分为换向式蓄热燃烧技术及弥散式蓄热燃烧技术（稳定火焰高温蓄热燃烧技术或称不换向式蓄热燃烧技术）两种。换向式蓄热燃烧技术主要适用于钢铁行业工业窑炉；弥散式蓄热燃烧技术则主要适用于铝制品等有色金属加工行业工业窑炉2。2.1换向蓄热式燃烧技术换向蓄热式燃烧是通过成对使用蓄热器交替储蓄尾气热量和释放热量加热助燃空气，用被加热的助燃空气参与燃烧的一种节能燃烧技术。换向式工业炉的特点是：经常性地开关和温度的升降。换向蓄热式燃烧技术的工作原理（见图 1）：当蓄热室 A 处于鼓风状态时烧嘴 1 点燃处于燃烧状态，此时蓄热室 B 处于引风状态，烧嘴 2 停止工作。四通阀换向后，蓄热室 B 处于鼓风状态，烧嘴 2 开始燃烧。此时烧嘴 1 停止工作，蓄热室 A处于引风状态。烧嘴 1 蓄热室 A、烧嘴 2 蓄热室 B按照四通阀的换向交替工作。2.2弥散式蓄热燃烧技术弥散式蓄热燃烧技术又称弥散稳定火焰高温表 125T C#铝熔炼炉部分运营参数统计表Tab.1Partial operation parameters statistical table of 25T C#aluminum metling furnace行业平均备注偏高一般熔化固体铝序号参数名称单位运行数值4蓄热室后端烟管排烟温度2202501化铝效率t Al/h4偏高熔化固体铝2天然气损耗m3/t Al723铝液金属损耗（烧损）kg/t Al13.24偏高图 1换向蓄热式燃烧技术工作原理Fig.1Working principle of commutation regenerativecombustion technology132张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用表 2换向式和弥散式（不换向）燃烧技术差异性对比表Tab.2Comparison of commutation and dispersion(non-commutation)combustion technology variability弥散式蓄热燃烧弥散式比换向式节能 10%20%，比普通烧嘴节能 20%60%1.助燃空气从两侧进出，实现连续、稳定火焰燃烧2.燃烧在浓度为 3%15%（体积）的低氧中进行，实现贫氧燃烧，铝液烧损低对比内容换向式蓄热燃烧节能率火焰、助燃空气特点1.火焰与烧嘴频繁换向点火，燃料与助燃空气从同一口喷射2.燃烧为足氧燃烧；火焰集中局部高温，铝液烧损大1.空气和燃料相隔一定距离的喷口分别喷入炉膛，避免火焰出现局部高温点，产生弥散燃烧效果，抑制反应型 NOx污染物的产生2.没有火焰高温区，炉温恒定均匀3.改善了加热工艺，提高了产品质量，延长了炉子寿命4.热风供应系统与燃料供应系统分离，一旦空气蓄热系统出现问题不影响正常生产（但此时并不节能）燃烧、炉温稳定性1.采用燃料和空气的掺混燃烧，造成火焰高温点，空气预热温度高，NOx污染物产量升高，具有可见火焰高温区2.间歇式燃烧，烧嘴易烧毁、堵塞、结焦，断火可能产生爆燃、爆鸣、爆燃等问题3.频繁的开关天然气使炉温不稳定，收缩频繁，炉体寿命偏短4.燃料随助燃风换向而换向，一旦空气蓄热系统出现故障，将直接导致燃烧系统无法工作而影响生产炉压结构、烧嘴运行状况1.需要排烟管道保证炉压稳定，增加了燃料自动切换装置2.受局部空间、天然气压力的影响。天然气混合度不均匀，火焰实现的是 3 层结构的燃烧，外焰最高，烧损大4.火焰长度受限，受压力影响不能实现高压喷射，炉膛的天然气覆盖不均匀，温度随距离的远近而产生差别，效率低5.换向时容易在低温段出现未点燃现象。即使在高温段也可能产生爆燃，为此需要火焰检测装置，保证喷嘴的大火实现燃烧1.改变了用排烟管道控制炉压的设计方式，解决了燃烧过程结焦积碳对阀门的影响、漏风对系统的影响、高温腐蚀性气体（露点以下冷凝成液体）对阀体的腐蚀问题2.取消燃料自动切换装置3.特殊的喷孔和火焰稳定系统，保证火焰在任何温度范围内都不熄火。且不需要其他常规烧嘴的支持4.实现燃气与空气的分离，避免烧嘴局部的高温、结焦、堵嘴。无需担心因换火而产生的停火故障影响正常的燃烧5.增加了四通换向阀，减少了设备配置因元器件的故障而产生的故障蓄热燃烧技术（或称不换向式蓄热燃烧技术），适用于铝制品等有色金属加工行业工业窑炉，其核心特点是让燃料在高温低氧浓度气氛中燃烧3。弥散式蓄热燃烧技术的工作原理（见图 2）：当常温空气经过蓄热室 B 时，蓄热室 B 耐火球的热量传给了空气，经过空气烧嘴给燃料助燃。燃烧产物经过空气烧嘴 1 进入蓄热室 A 将热量传给蓄热室 A 的耐火球。换向后空气烧嘴 1#排出热空气给燃料助燃，空气烧嘴 2#排烟气给耐火球蓄热。两个空气烧嘴燃烧、排烟反复更换，蓄热体蓄热、放热交替进行，靠四通阀的不断变位实现。2.3换向式和弥散式燃烧技术差异性对比换向式和弥散式燃烧技术差异性对分析如表 2。图 2弥散式蓄热燃烧技术的工作原理Fig.2Working principle of dispersion regenerativecombustion technology王新华，等：弥散式蓄热燃烧技术在铝熔炼炉上的改造及应用133Apr.2023Vol.52.No.2（Sum 299）2023 年 4 月第 52 卷第 2 期（总第 299 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY3铝熔炼炉弥散式蓄热燃烧技术的改造实施公司与山东某节能公司共同合作，引进“弥散稳定火焰高温蓄热燃烧技术”，采用“合同能源管理”模式对 25T C#铝熔炼炉进行升级改造。项目于 2021 年 3 月开始实施。具体实施如下。3.1铝熔炼炉改造主要内容本次 25T C#铝熔炼炉升级改造主