燃用重質渣油的鋁合金熔煉爐能耗測試與分析

鋁合金熔出機是一種將鋁原料消耗并添加到金屬中形成的加熱爐。燃料主要是重油。近年來由于石油價格的不斷上漲,鋁合金生產企業的燃料成本壓力日益增加而不堪重負,節能降耗已成為企業生產中需要重點關注的工作。某廠建有多臺20t矩形反射式熔鋁爐,為降低燃料成本,企業以相對密度大于1的重質渣油為燃料進行霧化燃燒,霧化方式采用機械霧化且不配備煙氣余熱回收裝置,由于采用冷風霧化和助燃,熔鋁爐存在嚴重的冒黑煙現象,同時大量煙氣余熱被浪費,造成整個系統的能源利用率偏低,廠家統計的熔鋁爐單位能耗數據為噸鋁燃油消耗量79.5kg。為提高能源利用效率,減少冒黑煙現象,降低燃料成本和能耗,將一臺鋁合金熔煉爐重油機械霧化燒嘴改為高壓空氣霧化燒嘴,并在煙氣通道加裝了煙氣換熱器以提高助燃風溫度。燃燒系統改進后,基本消除了熔鋁爐冒黑煙現象。為進一步了解燃燒系統改造后鋁合金熔煉爐的能耗水平和能源利用效率,對此熔鋁爐系統進行了能耗測試,對試驗結果進行總結,并對現有熔鋁爐的節能潛力進行進一步的分析討論,提出適合企業節能降耗的幾點建議,為鋁合金熔煉爐和同類型工業加熱爐降低能耗、提高能源利用率提供參考。1試驗對象和測試方法1.1燃料供應系統能耗測試對象為某公司一臺20t矩形反射式熔鋁爐,熔鋁爐爐膛前墻裝有可升降式爐門,爐門上開有三排散氣孔,爐門前正上方裝有煙氣集氣罩,集氣罩通過管路接入引風機和煙囪;爐墻側壁裝有兩臺高壓空氣霧化重油油槍,在燃燒器對面的側墻上開有煙氣出口,煙氣通道裝有空氣換熱器,進行煙氣余熱回收;空氣換熱器前裝有煙氣閘板,廠方為保證爐內溫度穩定和維持高溫,煙氣閘板開度為10%左右,即僅有少部分煙氣進入換熱器,大部分煙氣通過爐門的散氣孔進入集氣罩,經集氣罩收集后接入煙囪排出。熔鋁爐的燃料供應系統依次由重油油箱、輔助電加熱器、輸油油泵、重油流量計等通過管路和閥門連接,最終接至重油霧化油槍,油槍頭部的助燃風通道裝有旋流葉片,使助燃風進入爐內時進行旋風助燃。熔鋁爐燃料油為重質渣油,其物性數據由廠家化驗提供,測試所用重油共取樣三批次,重油數據如表1所示,能耗計算取其平均值。1.2熱風溫度和煙氣成分測量燃油消耗量由輸油泵后面的累計式重油流量計進行計量,在空氣換熱器的煙氣進出口管道處設置K型熱電偶進行溫度測量,在送風機入口設置皮托管進行送風量測試;油槍助燃風入口設置K型熱電偶測量熱風溫度,爐內鋁液溫度采用移動式K型熱電偶進行測量,排煙煙氣成分由HORIBA-PG250煙氣分析儀測量。測試選取熔鋁爐正常生產的一個班次,從鋁熔煉爐裝料開始按照以下步驟進行:(1)首先記錄環境溫度、大氣壓力參數,記錄重油流量計初始讀數;(2)在加熱、熔化、加料、鋁液升溫等階段進行燃油流量和風量測量,持續測量換熱器煙氣進出口溫度、助燃熱風溫度、煙氣成分數據;(3)在鋁液溫度達到730℃滿足鑄造條件?；鸷?記錄燃油流量表最終數據和熔化時間,鋁棒鑄造成型后測量鋁棒直徑、長度和密度數據,鋁棒經過加工入庫時記錄鋁棒實際產量。2能源效果分析2.1單位產品能耗數據測試得到的熔鋁爐能源利用率數據和計算結果如表2所示。從表2中的數據可以看出,所測試鋁熔煉爐能源利用效率只有42.17%,系統的能源利用率較低,其中的熱助燃風溫度只升高了13℃,遠低于換熱器設計水平,可見爐體仍存在可觀的節能潛力。表3給出了熔鋁爐測試的單位產品能耗數據,并給出了單位能耗按照熱值折算為180號重油和標煤的數據,其中180號重油數據為密度(20℃)g/cm3≤0.98,低位熱值4.18kJ/kg≥9800。由表3中的數據可以看出,采用高壓空氣霧化油槍后,熔鋁爐出爐鋁棒噸鋁燃油消耗量為68.71kg,而原先采用機械霧化油槍的熔鋁爐統計噸鋁燃油消耗量為79.5kg,鋁棒單位能耗下降10.79kg,下降13.6%,節能效果明顯。與同類型生產企業熔鋁爐能耗對比時,可采用按照實際燃油熱值折算為180號重油數據或者標煤數據進行對比,分別為59.3kg/t和83.02kgce/t,從而使數據比較采用同一個基準。2.2渣油的燃燒效率表4為熔鋁爐排煙管道煙氣閘板前的煙氣成分平均數據,可以看出熔鋁爐內的重質渣油有較高的燃燒效率,CO的排放量僅有188×10-6;燃油中含有微量的硫元素,造成熔鋁爐燃燒煙氣中SO2濃度為15.4×10-6,同時煙氣中的氮氧化物為188.6×10-6,污染物排放濃度滿足國家相關煙氣排放標準。3節能潛力分析3.1煙氣斑塊閥門開度對回收煙氣的影響從熔鋁爐能耗測試數據可知,熔鋁爐能源利用率只有42.17%,大部分的熱量通過爐體散熱、煙氣廢熱的方式而浪費,其中煙氣余熱回收效率低于2%,可見提高煙氣余熱回收效率是增加能源利用率的主要途徑。從現場實際運行情況看,導致煙氣余熱回收效率低的主要原因是換熱器前煙氣擋板開度過小。實際運行中廠方為保證爐內溫度穩定和維持高溫,煙氣閘板開度僅為10%左右,大量高溫煙氣不能進入煙氣換熱器進行高溫換熱,而是通過爐門口排出,使換熱器工作效率下降。后續實際運行中需進行煙氣擋板開度與熔鋁爐整體熱效率和能耗的影響試驗,找出熔鋁爐高能源利用率的煙氣擋板閥門開度數據,以指導以后的熔鋁爐現場運行。在煙氣余熱回收效率得到提升以后,熔鋁爐的能耗將進一步下降,其能源利用效率和節能水平將大大增加。3.2氣體霧化和熱風助燃技術提高燃油的燃燒效率是提高熔鋁爐節能水平最直接的手段,企業為降低燃料成本,采用相對密度大于1的重質渣油為燃料進行燃燒,這對油槍的霧化水平提出了更為嚴格的要求。重油霧化過程主要是外力(壓力、氣動力)與內力(表面張力、粘性力)相互競爭的過程,當外力作用足以克服液體表面張力和粘滯性時,液體會破碎成小液滴,重質渣油由于具有較大的粘滯性,因此需要的外力也較大。高壓氣體霧化方式比機械霧化方式更合適這種燃料。采用冷風助燃和機械霧化方式的燃燒技術能耗水平高,燃油的燃燒效率也低,導致熔鋁爐冒黑煙現象嚴重;而采用高壓空氣霧化方式和煙氣余熱回收裝置的熱風旋流助燃技術提高了重質渣油的燃燒效率,從而減少了不完全燃燒和熔鋁爐冒黑煙現象,增加了熔鋁爐能源利用率。因此企業后續可將重油機械霧化方式進行改造,以進一步提高整廠的節能水平。3.3重質渣油高壓空氣霧化燃燒試驗重質渣油改進霧化方式以后,其燃燒效率還跟助燃風配比、霧化空氣壓力、燃油壓力等因素密切相關。在燃燒室內保持足夠的高溫,如果氧氣供應充足,則重質渣油很容易被氧化而燃燒完全,即使火焰內局部區域缺氧,也只是生成少量的CO和H2,只要在流出燃燒室之前再與氧氣混合,仍然可以燃盡。但如果燃燒室內的空氣供應不足,或者燃油、空氣混合很不均勻,就會有部分烴類因高溫、缺氧而發生熱解、裂化,最終析出炭黑,出現燃燒不充分、冒黑煙等現象。因此合理的配風比、最佳的霧化空氣壓力和燃油壓力差值,以及合適的燃油流量是熔鋁爐中重質渣油能否高效燃燒的關鍵影響因素。采用高壓空氣霧化油槍后,為保證重質渣油高燃燒效率,需及時調節和進行燃燒工況的優化調整工作。在燃燒器改造后進行了多次的燃燒器調試,摸索重質渣油高效燃燒的相關工況參數并得到了相關數據,測試中重質渣油高壓空氣霧化燃燒在最佳工況參數下運行,達到了所期望的高效燃燒效果,熔鋁爐冒黑煙現象大為減少,測試結果也表明熔鋁爐單位能耗降低了13.6%。測試得到的最佳工況參數可用于指導同企業其他熔鋁爐改造后的優化運行,以提高企業的能源利用率。4提高企業鋁熔煉爐節能方案通過實驗測試,得到某廠經過燃燒技術改造的鋁熔煉爐能源利用效率為42.17%,鋁棒單位能耗下降13.6%,節能效果明顯,但系統余熱回收效率較低,大量煙氣余熱被浪費,鋁熔煉爐仍存在較大節能潛力。結合試驗中測量的數據和分析結論,對提高企業鋁熔煉爐節能水平提出以下參考建議:(1)進一步提高煙氣余熱回收效率,進行煙氣擋板開度與熔鋁爐整體熱效率和能耗的影響試驗,找出熔鋁爐高能源利用率時的煙氣擋板閥門開度數據,降低熔鋁爐單位能耗,并