廢雜鋁熔化再生工序的能耗模型

敖曉輝,邢書明,程炳超,鮑培瑋,王如芬,郭 強,李志琴

(1.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044;2.天津立中合金集團有限公司,天津 300457)

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廢雜鋁熔化再生工序的能耗模型

敖曉輝1,邢書明1,程炳超1,鮑培瑋1,王如芬2,郭 強2,李志琴2

(1.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044;2.天津立中合金集團有限公司,天津 300457)

隨著對工業(yè)節(jié)能和環(huán)保要求的不斷提高,廢雜鋁回收和再生過程的能效研究受到了廣泛關(guān)注．分析了在熔化工序中各主要因素對能耗的影響，建立了廢雜鋁熔鑄過程熔化工序的能耗理論模型.以燃?xì)鉅t為主要熔煉設(shè)備,將熔化工部能耗分為目標(biāo)物料耗能、均勻化攪拌耗能和其他形式耗能,并分別建立了他們的定量計算公式.通過對比批式單體爐和連續(xù)雙室爐的設(shè)備和工藝差異,分析了主要影響因素對二者能耗的影響程度和趨勢,發(fā)現(xiàn)雙室爐較單體爐具有10%以上的節(jié)能能力.

廢雜鋁;熔化;能耗;模型;爐型

鋁合金產(chǎn)品因具有良好的機械性能和優(yōu)異的抗腐蝕能力,對現(xiàn)代生活和工業(yè)生產(chǎn)的作用越來越顯著.然而,采用鋁礦石冶煉原鋁不僅耗費巨大的成本和能源,而且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.通過廢雜鋁的回收與再利用可明顯降低能耗和減少污染,這就使以廢雜鋁為原料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品成為當(dāng)今世界鋁工業(yè)的主要發(fā)展趨勢.隨著全球能源危機和環(huán)境惡化問題的不斷突出,各國對廢雜鋁回收和再生工藝也展開了研究,希望通過對物流、設(shè)備和工藝等方面的優(yōu)化,進一步降低能耗. 文獻(xiàn)[1]采用生命周期評估法和物流分析法對西班牙的廢鋁回收工業(yè)進行了介紹和分析,指出西班牙在不久的將來會因為進口原鋁和出口廢鋁的政策而造成能源浪費和溫室氣體排放增加.可見廢雜鋁的回收再利用將成為更有前途的環(huán)保產(chǎn)業(yè),特別是在發(fā)展中國家.根據(jù)CRU和海德魯鋁業(yè)集團預(yù)測[2],全球廢鋁回收再生的年增長率為5.8%,到2015年全球廢鋁回收將占鋁總產(chǎn)量的36%,從而為再生鋁工業(yè)提供了充足的原料.另外,廢雜鋁重熔能耗只為原鋁生產(chǎn)能源的5%,CO2、NOx等有害排放物大大減少,達(dá)到節(jié)能減排的雙重效益[3-4].但是,我國廢雜鋁工業(yè)與世界發(fā)達(dá)國家相比[5-6],具有明顯的差距,主要表現(xiàn)為回收率低、產(chǎn)品質(zhì)量差、能耗高和污染大等.因此,對我國鋁合金熔鑄企業(yè)生產(chǎn)工藝的能效研究就顯得極其重要.

廢雜鋁熔鑄工藝主要包括原料熔化、鋁液合金化、精煉和變質(zhì)4個基本工序.其中,熔化工序在對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和節(jié)約能源方面有著極其重要的影響,而且作為首要工序,其完成的優(yōu)劣直接影響著后續(xù)工序的進行.在對廢雜鋁熔鑄的工序能效研究發(fā)現(xiàn),熔化工序是整個工藝過程中耗能最多的工序.每年全球熔化的廢鋁和鋁錠約有20萬t,且大部分采用天然氣批次反射爐,生產(chǎn)效率低,能源浪費嚴(yán)重[7].對鋁合金熔煉燃?xì)鉅t的節(jié)能研究主要圍繞提高燃燒效率、優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)和降低工藝能耗展開．Migchielsen等[8]通過對鋁熔煉爐安裝智能燃?xì)夤┙o系統(tǒng),使燃燒效率從20%提升到60%,實現(xiàn)了降低燃料消耗的目的.Beichner[9]重點研究了燃料分別與冷空氣、富氧空氣、純氧氣混合燃燒的效率和成本之間關(guān)系,指出燃燒效率隨含氧量增加而增大,考慮到燃料和氧氣的成本后,會存在一個最優(yōu)含氧量使經(jīng)濟成本最低.美國能源部[10]提出“改善鋁熔煉能效”計劃,通過調(diào)節(jié)燃?xì)廨斎肓繉崿F(xiàn)不影響熔化速率前提下節(jié)能量達(dá)13%,調(diào)整燒嘴位置和角度可節(jié)能5%,提高預(yù)熱空氣溫度也達(dá)到節(jié)能4%的效果.Li等[11-12]對鋁合金燃?xì)馊刍癄t的能效分析指出,廢雜鋁熔化的有效能耗約為26%～29%,約70%以上的熱能以煙氣、爐壁導(dǎo)熱和爐門散熱等形式損失.他們還建造了爐頂高度比正常爐頂提高36 cm的實驗熔煉爐,通過與具有正常爐頂高度的熔煉爐對比,發(fā)現(xiàn)能源利用率從44.8%降為41.7%. Wei[13]通過對SAPA鋁廠燃?xì)鉅t的能效分析,給出了燃?xì)馊刍癄t的不同能耗途徑及主要途徑的計算方法.譚易居[14]充分考慮燃料燃燒空間和鋁料間換熱,以及鋁料的升溫溶化和氧化層的生長等因素,利用數(shù)值模擬優(yōu)化了鋁熔煉爐設(shè)備參數(shù).這些研究成果都充分說明,鋁合金熔煉過程熔化工序的燃燒控制對于節(jié)能降耗具有顯著的效果.

國內(nèi)外對鋁合金熔煉爐熔化工序的能耗已做了大量研究,特別是在燃?xì)庀到y(tǒng)優(yōu)化和爐內(nèi)傳熱仿真方面.而有關(guān)能耗熱工分析和能耗模型解析方面,能夠指出熔化工序能耗的主要形式及相應(yīng)的比例.如王健忠[15]對25 t燃油熔鋁爐的熱能主要收入項和支出項給出了計算表達(dá)式,可用于含雜質(zhì)較少的純鋁錠熔煉能耗計算,這些計算公式能否用于蓄熱式廢雜鋁再生熔煉爐的能耗計算還有待研究.王計敏[16]對蓄熱式鋁熔煉爐熔煉工況進行了熱工分析,建立了主要耗能形式的計算表達(dá)式,但未對各參量的影響規(guī)律進行進一步討論.文獻(xiàn)[10-11]對蓄熱式鋁合金熔煉爐建立的能耗關(guān)系式在工程上具有很好的實用性,但從理論研究上缺乏全面性和準(zhǔn)確性,如入爐原料的熔化熱計算式缺少高熔點金屬的溶解熱,氫氣的溶解熱未考慮在內(nèi),熔渣的散熱應(yīng)為氧化金屬所需氧氣的吸熱量,而不是熔渣附帶熱量.可見,對于鋁合金熔化工序能耗模型的研究還不完善,理論能耗模型不完整,對能耗影響因素規(guī)律的定量化研究尚未發(fā)現(xiàn).

為解決這些問題,本文作者將根據(jù)熱工原理和冶金爐理論對廢雜鋁熔鑄過程熔化工序的能耗理論模型進行研究,討論各影響熔化能耗因素的影響規(guī)律及現(xiàn)場如何監(jiān)測控制,對比分析批式單體爐與連續(xù)雙室爐各能耗影響因素的變化趨勢的異同及熔化爐型升級改造的節(jié)能效果,為廢雜鋁熔鑄工業(yè)節(jié)能減排提供參考.

1 熔化能耗模型的建立

1.1 能耗的表征量

熔化工序的任務(wù)是將固態(tài)物料加熱熔化和熔化為溫度和成分均勻的鋁合金熔體,該任務(wù)可在批式單體爐或連續(xù)雙室爐內(nèi)完成.批式單體爐的熔煉形式為逐個批次單獨熔煉,即一批原料經(jīng)過準(zhǔn)備、配料、裝爐、熔化、扒渣和攪拌等操作后全部出爐,不允許有剩余合金液,然后再進行下一批原料熔煉.連續(xù)雙室爐是間歇式加料,合格合金液也非一次全部出爐,要保證爐內(nèi)剩余一定量的合金液,以此來降低燒損.無論哪種熔煉爐型,熔化工序能耗的主要影響因素都包括工藝、設(shè)備、物料3方面.對于燃料爐而言,該工序的工序能耗=目標(biāo)物料的吸熱+爐體吸熱+煙氣散熱+爐門散熱+工藝余料帶走的熱+其他熱損失.

無論是單體爐或是雙室爐,為對比方便,均取觀測期內(nèi)熔煉單位質(zhì)量合格合金液所消耗的能量Pm為能耗表征量.對于批式單體爐,觀測期為每一爐(批)各種爐料的熔化周期;對于連續(xù)雙室爐,觀測期為穩(wěn)定工藝下多次放出合格鋁合金液的時間.則能耗數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1)

1.2 物料熔化或熔化耗能Es的計算

式(1)中的Es是指各種目標(biāo)物料熔化為合金液過程中所吸收的熱量,是爐容、原料種類、原料入爐溫度、投料重量、物料燒損量及合金熔化熱等參數(shù)的函數(shù).這部分熱能的消耗是鋁合金熔煉工業(yè)中不可避免的,是必要的能量消耗,其中物料升溫吸收的物理熱可以根據(jù)熱學(xué)原理直接寫出.考慮到在合金熔體達(dá)到要求溫度時,并不是所有的物料都達(dá)到熔化狀態(tài),一些高熔點金屬要以溶解的形式進入合金液中,這時不是考慮其熔化吸熱,而是要考慮其溶解熱.另外,熔化工序還存在物料的氧化燒損,其耗熱為各種金屬元素在熔煉過程中被氧氣或水蒸氣氧化的化學(xué)反應(yīng)熱.綜合上述幾方面,物料熔化或熔化耗能Es可由式(2)定量計算為

(2)

式中:Mi為不同種類金屬或合金的質(zhì)量,kg;Csi、Chi、Cli分別物料的固態(tài)、固液混合態(tài)和液態(tài)的質(zhì)量熱容,kJ/(kg·K);T0、Tsi、Tli、Tl分別為物料入爐、固相線、液相線和合金液溫度,℃;Q1i、Q2i、Q3i分別為物料熔化潛熱、溶解熱和燒損熱,kJ/kg;γi為物料燒損系數(shù).

合金固液兩相區(qū)的質(zhì)量熱容Chi可近似為固相質(zhì)量熱容Csi與液相質(zhì)量熱容Cli的均值,即Chi=(Csi+Cli)/2.設(shè)物料平均熔化溫度Tmi=(Tsi+Tli)/2,于是式(2)簡化為

(3)

目標(biāo)物料的重量為觀測期內(nèi)裝爐原料的總重量,等于熔煉損耗物料量、物料原有含渣量和出爐合金液量之和,即可表達(dá)為

(4)

式中:M0為物料含渣質(zhì)量,kg.

1.3 均勻化處理的能耗Eh的計算

為了得到成分均勻的合金液,在金屬和合金熔化后,必須對合金液進行攪拌,這一過程稱為合金液均勻化.在單體爐中,一般不安裝攪拌器,靠人工進行攪拌.連續(xù)雙室爐則安裝有攪拌器進行連續(xù)不斷地攪拌.因此連續(xù)爐這一環(huán)節(jié)的能耗主要為電消耗,影響因素為時間、合金液質(zhì)量、合金液的黏度等因素.因不同型號攪拌器轉(zhuǎn)速不同,從而導(dǎo)致攪拌頭的受力情況多變.為計算簡便,可根據(jù)攪拌器額定參數(shù)確定消耗能量,得

Eh=ηPtb

(5)

式中:η為攪拌器工作效率;P為額定功率,kW;tb為工作時間,s.

單體爐均勻化能耗實質(zhì)上是攪拌耙吸熱和攪拌期間的爐門散熱．這兩部分能耗將在Er中計算.

1.4 設(shè)備與器具耗能Er的計算

由于鋁合金熔煉工業(yè)使用的設(shè)備和工藝操作也將難以避免產(chǎn)生能源的消耗,所以要充分考慮各種能量的損失形式.這些能源的損耗雖然不可能完全避免,但可以通過改善設(shè)備條件和優(yōu)化工藝參數(shù)來減少,因此,對這部分的耗能情況應(yīng)重點研究.

Er1為爐體本身吸熱和傳導(dǎo)散熱,是爐體質(zhì)量、爐體材料、爐體溫升的函數(shù)．因爐壁同側(cè)各部位溫度差異不大,可假定同側(cè)爐壁溫度相等.計算式為

(6)

Er2為煙氣散熱,分為主煙道和輔煙道兩部分,均是煙氣成分(密度、比熱)、溫度、流量、壓力等的函數(shù).主煙道煙溫為經(jīng)蓄熱體后煙溫,輔煙道煙溫就是爐氣溫度.假定煙氣為不含固態(tài)顆粒的理想氣體,則可建立關(guān)系式為

Er2=ρVgCgt1[k1(Tg-T0)+k2(Tt-T0)]

(7)

式中:ρ為由成分和壓力決定的煙氣密度,kg/m3;Vg為煙氣流量,m3/s;Cg為煙氣質(zhì)量熱容,kJ/(kg·K);Tg、T0和Tt分別為排煙溫度、空氣預(yù)熱前溫度和爐氣溫度,℃;t1為排煙時間,s.排煙總量可由燃?xì)夤┙o量和空燃比計算Vg=(1+ξ)Vr;k1和k2為主輔煙道流量比例系數(shù),且k1+k2=1.

(8)

式中:σ為輻射系數(shù),W/(m2·K4);Sd為爐門面積,m2;φ為爐門角度系數(shù);Cv為爐氣體積熱容,kJ/m3;Vd為從爐門溢出爐氣的流量,m3/s;t2為多次開啟爐門的時間總和,s.

Er4=Mk[Ck(Tk-T0)+Qk]

(9)

式中:Mk為氧化反應(yīng)所耗氧氣質(zhì)量,kg;Ck為氧氣質(zhì)量熱容,kJ/(kg·K);Tk為廢渣溫度,℃.

Er5為爐用工具散熱,是工具材料、質(zhì)量、溫度等的函數(shù),主要工具為扒渣耙和攪拌耙等,設(shè)其在觀測期共使用m次,則計算式為

Er5=mMyCy(Ty-T0)

(10)

式中:My為爐用工具質(zhì)量,kg;Cy為工具質(zhì)量熱容,kJ/(kg·K);Ty為爐用工具出爐溫度,℃.

Er6為氣體熔化熱．液態(tài)鋁合金吸入的大量氣體約90%以上為氫,而氫氣溶解到合金液中會吸熱,則可根據(jù)氫的溶解量計算氣體溶解熱為

Er6=νMlShΔH

(11)

式中:ν為氫溶解換算系數(shù);Sh為氫的溶解度,cm3/100gAl;ΔH為單位質(zhì)量氫的溶解熱,kJ/mol.

R2t2+F(T1-T0)+Qd

(12)

R0、R1、R2、F分別為爐體材料導(dǎo)熱物性參數(shù)、煙氣參數(shù)、爐門結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作相關(guān)參數(shù),當(dāng)設(shè)備和工藝確定時以上參數(shù)均為常數(shù).t0、t1、t2為工藝時間,可通過優(yōu)化工藝流程縮短這些時間降低能耗.T1為熔體溫度,由不同種類合金的熔煉工藝要求決定.

將式(4)、式(5)和式(12)代入式(1)加以整理,即可得到整個熔化工序的能耗模型見式(13).該模型表達(dá)了熔化工序的單位合格品能耗與設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)和操作參數(shù)之間的定量關(guān)系.可用于計算各類鋁合金熔化工序的能效,并對能效情況進行評價.通過對熔化工序能效模型各參數(shù)的分析,可得到熔煉過程中各因素對熔化工序能效影響的規(guī)律,為參數(shù)優(yōu)化提供定量依據(jù).

Pm=[R0t0+R1t1+R2t2+F(Tl-T0)-

(13)

2 分析討論

2.1 典型算例與驗證

以某公司35 t單體爐熔化工序為對象,生產(chǎn)ADC12鋁錠為例,以一個熔煉爐次為觀測期,對其熔化工序的單位合格品能耗進行定量計算.計算所用已知條件(數(shù)據(jù))見表1和表2,并做如下假設(shè):1)忽略相同質(zhì)量合金物料和同比例元素純物料之間的熱能差異,以純物質(zhì)作為投料原料;2)物質(zhì)熱容取手冊常溫值,忽略由于溫差造成的熱容變化;3)認(rèn)為廢雜鋁原料所含廢渣僅為氧化鋁,含量為取樣檢測值2%.

根據(jù)式(1)計算得熔化工序單位合格品的理論耗能為2 377 MJ/t.這一條件下該公司實測能耗為1 556 m3天然氣.根據(jù)GB 2589—1990標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,應(yīng)用基低(位)發(fā)熱量29.307 6 MJ/kg標(biāo)準(zhǔn)煤計算出燃?xì)饪偣┠芰繛?9 268 MJ,折算為單位質(zhì)量的總能耗為2 445 MJ/t.可見,該公司熔化工序的能耗比理論值高2.8%.這既說明所建立的熔化工序能耗模型準(zhǔn)確率較高,也說明該公司熔化工序的能耗控制良好.

表1 投料種類及性能

表2 驗證所需的測量項及其數(shù)值

2.2 各種耗能項的權(quán)重分析

根據(jù)2.1算例,各耗能方式的百分比見表3.可見熔化工序主要耗能項依次是煙氣散熱、物料吸熱和爐門散熱,其他耗能方式對總體能耗影響程度很小.可以看出并不是物料熔化和升溫耗能最大,而大部分熱能都被浪費.所以就需要對能耗模型進行分析,找出各因素對能耗的影響規(guī)律,以便制定相應(yīng)的節(jié)能降耗措施.

表3 熔化工序各項耗能值及所占比例

2.3 影響能耗的主要因素和規(guī)律

根據(jù)建立的能耗模型可知,對于固有設(shè)備和確定種類合金,主要影響因素有最終熔體溫度、爐氣溫度、排放煙氣溫度、煙氣流量和各工藝時間,即可表示為

Etotal=Es+Eh+Er=

F(Tl,Tt,Tg,Cg,t0,t1,t2,tb)

(14)

2.3.1 熔體溫度的影響

表4 不同熔體溫度和合金成分的能耗值

2.3.2 煙氣溫度和流量的影響

還可利用文獻(xiàn)[8]向空氣中通入一定量氧氣的方法減小空燃比,減少煙氣散熱損失.當(dāng)通過改進設(shè)備和工藝縮短煙氣排放時間t1,將有效減小上式斜率,從而降低煙氣溫度的影響程度,最終降低能耗.爐料被加熱的方式為爐氣對流傳熱和爐氣與爐內(nèi)壁的輻射傳熱,因鋁固體和液體的輻射發(fā)射率分別為0.3～0.4 和0.5～0.6,所以可知雙室爐對合金液面加熱時輻射吸熱量為單體爐對固體物料加熱時的1.5倍,那么加熱工藝時間就會相應(yīng)縮短,不但節(jié)約能源,還增加生產(chǎn)效率.

2.3.3 爐氣溫度的影響

2.3.4 工藝時間的影響

根據(jù)式(14),對工藝時間(t0,t1,t2)分別求導(dǎo),得各導(dǎo)數(shù)分別為R0、R1和R2，可知在穩(wěn)定生產(chǎn)過程中,各工藝時間對能耗的影響一般是線性的,即隨著熔煉時間、排煙時間和爐門開啟時間的增加,能耗線性增加.可通過改進工藝流程,縮短各工藝時間,最終達(dá)到降低能耗的目的.也可以通過改進設(shè)備和工藝,降低斜率R0、R1、R2的值,從而降低能耗.

2.4 爐型對單位質(zhì)量能耗的影響

實際生產(chǎn)中,單體爐由于一次裝爐料過多,為了提高熔化速率往往造成鋁液溫度過高,而雙室爐每次裝爐量均為少量,可穩(wěn)定控制鋁液溫度處于較低量,從而達(dá)到降耗目的,節(jié)能約2%.在加熱爐料時,雙室爐內(nèi)物料浸入合金液中,熔化時間較單體爐可減少10%,即減少煙氣散熱10%.根據(jù)表3煙氣散熱占總能耗52%,則可使總能耗降低5%以上.而單體爐內(nèi)固體物料加熱時受熱不均勻,局部過熱造成燒損過多,合格合金液總量減少,最終導(dǎo)致單位質(zhì)量能耗增加.由于雙室爐部分物料會通過上料滾筒裝料,并采用攪拌器攪拌,無需開啟爐門,所以雙室爐爐門開啟時間較單體爐會縮短一半以上,可降低能耗約3%.雙室爐物料熔化與扒渣分在2個爐室進行,在合格合金液轉(zhuǎn)爐時也不影響物料裝爐和熔化,比單體爐節(jié)省了工藝時間,降低了能耗.因此,通過對熔化工序能耗模型分析和對比雙室爐與單體爐工藝差異,可知雙室爐較單體爐可降低能耗10%以上.

3 結(jié)論

1)得出了單體爐與雙室爐的熔化工序能耗模型,包括目標(biāo)物料耗能、均勻化攪拌耗能和其他形式熱損失.針對某公司35 t單體爐熔化ADC12鋁合金計算與實測結(jié)果基本相符,誤差率僅為2.8%．

2)根據(jù)這一理論模型,熔化工序的總能耗隨鋁液溫度、煙氣溫度和爐氣溫度及工藝時間線性變化．對燃料爐適當(dāng)降低鋁液溫度、煙氣溫度和爐氣溫度均可有效降低能耗．

3)同樣爐容的連續(xù)雙室爐比批式單體爐能耗要低10%以上.

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Energy consumption model of scrap aluminum regeneration in melting process

AOXiaohui1,XINGShuming1,CHENGBingchao1,BAOPeiwei1,WANGRufen2,GUOQiang2,LIZhiqin2

(1.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China;2.Tianjin Lizhong Alloy Group Co. Ltd., Tianjin 300457, China)

With the requirements of industrial energy efficiency and environment protection continuously improving, the research on energy efficiency of aluminum scrap recycling and regeneration process is widely concerned. The energy consumption theoretical model of melting in scrap aluminum casting process is established and the effects of the main factors on energy consumption in the melting process are investigated. In a gas melting furnace, the energy consumption patterns in the melting progress is divided into heat absorbed by materials, energy consumption in stirring step and heat loss in other forms, and also their quantitative calculation formulas in aluminum smelting furnace are established. By comparing the differences in equipment and production processes between single furnace and dual-chamber furnace, the effect extents and trends of the main factors on energy consumption are analyzed emphatically in both furnaces. It is found that the dual-chamber furnace has more than 10% energy saving capabilities than the single furnace.

scrap aluminum; dissolving; energy consumption; model; furnace

1673-0291(2016)06-0107-08

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.018

2015-09-06

國家“863”計劃項目資助(2014AA041804); 吉林省重點攻關(guān)計劃資助(2013020635GX)

敖曉輝(1986—),男,河北承德人,博士生.研究方向為廢雜鋁熔鑄過程工藝優(yōu)化與控制.email:14116361@bjtu.edu.cn.

邢書明(1962—),男,河北石家莊人,教授,博士,博士生導(dǎo)師．email:smxing@m.bjtu.edu.cn.

TF801.2

A