熔煉爐燃燒參數(shù)控制

賈新武， 張 磊

(河南神火鋁材有限公司，河南 沁陽454591)

我廠熔煉爐是由蘇州博能窯爐科技有限公司于2008年設(shè)計制造安裝的，主要技術(shù)性能參數(shù)如下：

用途：鋁及鋁合金的熔化

爐子形式：固定式矩形爐、側(cè)裝電解鋁液

原料：電解鋁液、鋁錠、鋁合金錠及廢料

爐子容量：25噸

爐膛工作溫度：1100-1200℃

鋁液出爐溫度：720-760℃

熔體溫差：±5℃(精煉、攪拌終了)

燃料：天然氣/土煤氣

燃料最低發(fā)熱值：4.18X8600/4.18X1200kJ/Nm3

熔化期最大熔化率：3噸/小時(純冷料)

燃料最大消耗量：350Nm3天然氣/小時(1800Nm3土煤氣/小時)

熔化期噸鋁燃耗：：≤65Nm3天然氣/噸鋁

燒嘴形式：蓄熱式燃燒器 2個

溫度控制形式：PLC自動控制

空氣過剩系數(shù)：1.05～1.15

1 設(shè)備說明

我廠熔煉爐采用蓄熱式燃燒系統(tǒng)(燃燒控制系統(tǒng)見圖1)，配有2個蓄熱式燒嘴，約呈15°向熔池傾斜，每個燒嘴都有自己一套點火和火焰檢測裝置。一個燃燒一個排煙，互相切換。排煙的時候利用煙氣溫度對蓄熱室內(nèi)的氧化鋁球進行加熱，切換后蓄熱室的氧化鋁球?qū)χ伎諝膺M行預熱，以此實現(xiàn)通過煙氣的余熱對助燃空氣進行預熱，提高了熱效率。同時蓄熱室的氧化鋁球?qū)煔膺M行了凈化，降低了煙氣排入大氣的粉塵污染和熱污染。助燃空氣及排煙系統(tǒng)由一臺助燃風機、一臺排煙風機、相應管道、換向閥及伺服電機等組成。

爐壓控制是由微差壓變送器、排煙風道電動蝶閥執(zhí)行器等構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)完成。取壓點設(shè)在爐頂上，微差壓變送器將采集的爐氣壓力信號轉(zhuǎn)換成4～20mA信號，送入PLC控制模塊，經(jīng)PID運算后控制排煙蝶閥的開度。

爐氣溫度控制方式是以爐氣溫度為控制對象，當爐氣溫度高于人為設(shè)定40℃時，助燃風機換向閥、排煙換向閥、各燒嘴的燃氣切斷電磁閥自動關(guān)閉，燒嘴隨之熄火；當爐氣溫度低于人為設(shè)定60℃時，燒嘴自動點火升溫。

2 燃燒參數(shù)控制

2.1 燒嘴天然氣與助燃空氣比例、天然氣流量、助燃空氣流量

燒嘴天然氣與助燃空氣比例一般為1∶10或1∶9。當爐膛廢氣溫度在700-900℃的條件下，空氣過剩系數(shù)大于1時，空氣系數(shù)每減少0.1，則爐子燃料消耗降低3%-5%[1]。我廠設(shè)備使用天然氣，流量可由天然氣管道上安裝的流量計提供(參考)，但是助燃空氣(下文將叫作助燃風)只能依靠人為觀察燒嘴火焰狀態(tài)，即燒嘴火焰噴射有力，不發(fā)飄，視為燃燒充分。因此，在助燃風能夠保證天然氣充分燃燒的情況下空氣過剩系數(shù)愈小愈好，即助燃風流量愈小愈好。

圖1 熔煉爐燃燒控制系統(tǒng)圖

2.2 爐壓

一般要求爐壓采用微正壓，如果爐壓為零或負壓，會引入較多的爐外冷風，消耗爐內(nèi)熱量，同時增加鋁液的燒損。爐壓過大會使爐內(nèi)高溫氣體大量外溢，增加爐子的熱損失。在保證天然氣能夠充分燃燒和爐膛熱負荷滿足快速化料的情況下，天然氣和助燃風流量不宜過大，否則會造成實際爐壓過高，增加燃料消耗。

我廠熔煉爐的爐壓控制程序在上文中已有論述，生產(chǎn)人員操作控制爐壓，只需在熔煉爐控制柜的人機界面上設(shè)定即可，如果設(shè)定爐壓比實際爐壓小很多，排煙蝶閥的開度便會很大，大量高溫氣體會由排煙風機抽出，造成較大的熱損失；如果設(shè)定爐壓比實際爐壓大很多，不僅會使爐內(nèi)高溫氣體大量外溢，而且會使排煙蝶閥開度較小，從而影響排煙，進而將會降低蓄熱室內(nèi)氧化鋁球的蓄熱量。

2.3 蓄熱室的蓄熱效果

排煙溫度是蓄熱室內(nèi)氧化鋁球蓄熱效果的一個間接反映。排煙溫度較低，有可能是蓄熱室氧化鋁球堵塞造成，意味著只是蓄熱室上部的氧化鋁球得到了充分蓄熱，而下部氧化鋁球不能充分蓄熱，影響蓄熱效果，而且會使爐壓增大；排煙溫度較高，不僅會增大熱損失，而且是煙氣沒有充分加熱氧化鋁球的一個重要表現(xiàn)，也意味著蓄熱效果不好。

蓄熱室可以將空氣溫度預熱到僅比爐膛溫度低50～100℃的狀態(tài)，實現(xiàn)所謂的“極限”回收，其原因有兩點：

①高溫爐膛煙氣直接進入蓄熱體，通過切換閥的作用完成與空氣的換熱過程；

②傳熱過程的換熱量可以用如下公式表示：

Q=K·△t·F

其中：Q一換熱量，kJ

K一綜合傳熱系數(shù)，kJ/(m2·℃)

△t一對數(shù)平均溫度，℃

F一換熱面積，m2

從公式中可以看出，蓄熱室的換熱面積是影響換熱量大小的重要因素之一。換熱面積是由氧化鋁球的大小決定的，氧化鋁球直徑越大，換熱面積越小，造成蓄熱室蓄熱效果越差。但氧化鋁球直徑越小，其對助燃風的阻力越大，越容易堵塞，從而影響蓄熱效果。

蓄熱室填充球?qū)觾?nèi)的傳熱系數(shù)主要受床層中氣流速度和蓄熱球大小和材質(zhì)的影響。[2]根據(jù)實踐，我廠選擇了直徑為24mm的陶瓷氧化鋁球，蓄熱室的尺寸為1200X1700X1280mm。

綜上所述，在減少天然氣消耗方面，天然氣和助燃風的比例、天然氣流量、助燃風流量、爐壓、排煙溫度等因素相輔相成，有時又互相矛盾，因此把各個因素控制在一個合理的參數(shù)范圍極為重要。

3 燃燒參數(shù)控制實踐

本著以上原則，我廠自2010年12月份開始實行熔煉爐燃燒參數(shù)控制及記錄(如表1)，通過實踐取得了很好的效果，現(xiàn)將熔煉爐燃燒參數(shù)總結(jié)如下(見表2)。

表1

表2

以表2為例，簡述表2中各參數(shù)的控制：

① 天然氣流量。通過燒嘴燃燒時對其上游天然氣管道的球閥調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)時需觀察天然氣管道上安裝的流量計的流量顯示)，以確定調(diào)節(jié)量是否滿足要求。

② 助燃風流量。在其調(diào)節(jié)時沒有流量計顯示可直觀參考，可以助燃風機電流或爐壓作為參考。由于熔煉爐長時間使用，爐門檻易破損，爐門密封效果下降，因此以爐壓作為參考是不準確的。我廠采用助燃風機電流作為參考。蓄熱室更換新氧化鋁球，如果助燃風閥門全開，助燃風流量很大，助燃風機電流可達到37-40A。此時要恢復助燃風流量，便需調(diào)小助燃風管道上的手動蝶閥開度，使助燃風機電流滿足要求。從而助燃風流量便滿足了燃燒要求。隨著蓄熱室內(nèi)氧化鋁球因受所排煙氣攜帶的粉塵堵塞，助燃風流量會越來越小，生產(chǎn)過程中就需及時調(diào)大助燃風管道上的手動蝶閥開度，保證助燃風電流滿足要求，從而保證助燃風流量穩(wěn)定不變。當手動蝶閥全開時助燃風機電流仍小于32.5A，此時說明蓄熱室氧化鋁球堵塞嚴重，不能滿足要求，必須及時更換新的氧化鋁球。

助燃風電動蝶閥一般要求開至最大，在生產(chǎn)過程中不再調(diào)節(jié)，如果調(diào)節(jié)將會改變燒嘴點火槍的助燃風壓力和流量，可能使點火槍不能點著火。

③ 爐壓及排煙溫度。爐壓設(shè)定、調(diào)節(jié)及排煙溫度在前文已有論述，在此不做重述。如果實際爐壓一直低于設(shè)定爐壓，首先應檢查微差壓變送器的爐氣壓力進入管道是否堵塞，否則就必須加強爐膛的密封；如果如果實際爐壓一直高于設(shè)定爐壓，或排煙溫度較低就必須及時更換蓄熱室內(nèi)的氧化鋁球，實踐證明在助燃風機電流大于32.5A時該情況是不會出現(xiàn)的。

通過實行熔煉爐燃燒參數(shù)的記錄分析和控制，我廠的熔煉爐每熔次天然氣消耗由過去的1200-1600m3，降低至600-1000m3。綜合計算，我 廠5臺熔煉爐每熔次約降低了500m3天然氣，化純冷料能力提高至6噸/小時。我廠年產(chǎn)50000噸鑄軋板，每年要生產(chǎn)2500熔次，這樣每年約可節(jié)約1250000m3天然氣，約合人民幣350萬元。同時也極大地改善了我廠的工作生活環(huán)境。

4 結(jié)論

① 在保證爐膛化料速度的情況下，要盡量降低燒嘴的燃燒功率；

② 在保證爐膛熱負荷滿足爐膛化料速度的情況下，盡量降低助燃風流量，采用較低空氣過剩系數(shù)燃燒；

③ 合理選擇氧化鋁球的大小和蓄熱室氧化鋁球填充高度；

④ 天然氣和助燃風的比例、天然氣流量、助燃風流量、爐壓、排煙溫度等因素相輔相成，有時又互相矛盾，因此把上述的各個因素控制在一個合理的參數(shù)內(nèi)極為重要，需要制定合理的規(guī)程，并在生產(chǎn)中不斷摸索總結(jié)；

⑤ 對于已制定的最佳燃燒參數(shù)，會隨著生產(chǎn)的發(fā)展而有所變動，要在生產(chǎn)中及時調(diào)整助燃風閥門、爐壓設(shè)定及氧化鋁球更換等，保證最佳燃燒參數(shù)的穩(wěn)定性。

[1] 代朝紅，溫治，朱宏祥等．高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(上)，工業(yè)加熱[J]，2002： 14—17。

[2] 溫良英 張正榮等.蓄熱式燃燒器蓄熱室傳輸特性試驗研究 2002.7:54-62

[3] 代朝紅，溫治，朱宏祥等．高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(下)，工業(yè)加熱[J]，2002。