余熱回收技術(shù)在燃?xì)怃X合金集中熔化爐上的應(yīng)用

周宏遠(yuǎn)

(江蘇東九重工股份有限公司， 江蘇 鹽城 224001)

0 前言

各項(xiàng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)措施在我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已深入到工業(yè)生產(chǎn)中，小到某個(gè)設(shè)備，大到整個(gè)工藝過(guò)程。燃?xì)怃X合金集中熔化爐屬于高能耗工業(yè)爐設(shè)備，煙氣溫度高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，早期經(jīng)過(guò)一些余熱回收方面的嘗試，但由于和熔化爐的生產(chǎn)特點(diǎn)不契合，雖產(chǎn)生了一些低品位的熱工質(zhì)，但增大了熔化爐的燃?xì)夂牧?，得不償失。因此有必要在全面深入了解熔化爐的生產(chǎn)特點(diǎn)基礎(chǔ)上采用全新的余熱回收技術(shù)[1]。

1 燃?xì)怃X合金集中熔化爐的生產(chǎn)特點(diǎn)

熔化爐的生產(chǎn)流程分為投料、熔化、保溫、打渣、鋁液排放等過(guò)程。鋁合金廢料通過(guò)投料井投料進(jìn)入燃燒機(jī)熔化，熔化后的鋁液流入保溫倉(cāng)，之后開啟燃燒機(jī)對(duì)湯池進(jìn)行保溫，將湯池溫度控制在680～720 ℃，保溫倉(cāng)鋁水達(dá)到一定量時(shí)關(guān)閉燃燒機(jī)，進(jìn)行打渣操作，打渣精煉后的鋁液排入專用設(shè)備，用于后續(xù)生產(chǎn)。

在熔化和保溫過(guò)程中均需要啟動(dòng)燃燒機(jī)進(jìn)行加熱，大量的高溫?zé)煔庥扇刍癄t排出。由于熔化和保溫過(guò)程需要的熱量不一樣，熔化爐煙囪排出的煙氣溫度波動(dòng)較大，但最高溫度一般不超過(guò)850 ℃，只在極少數(shù)情況下為了強(qiáng)化生產(chǎn)，排氣溫度會(huì)超過(guò)900 ℃[2]。

在熔化和保溫過(guò)程中，燃燒機(jī)間歇性工作，因此熔化爐的高溫?zé)煔馀欧胚€具有間歇性的特點(diǎn)。

為防止操作過(guò)程中爐膛負(fù)壓導(dǎo)致冷空氣流入，增加燃料消耗，需通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制爐膛排氣閥門的開度來(lái)維持爐膛內(nèi)的輕微正壓。

2 老式集中熔化爐余熱回收技術(shù)存在的問(wèn)題

集中熔化爐余熱回收技術(shù)主要用于回收熔化爐熔化和保溫過(guò)程中高溫?zé)煔馔馀艓С鰻t外的煙氣顯熱。熔化爐爐膛煙氣壓力控制要求高,排氣具有溫度高、流量波動(dòng)大、間歇性強(qiáng)的特點(diǎn)。

以往的老式集中熔化爐余熱回收技術(shù)都是直接在排氣煙道上加裝換熱設(shè)備，產(chǎn)生熱風(fēng)或熱水。集中熔化爐在安裝余熱利用換熱設(shè)備前，一般都是通過(guò)廠房外的煙囪抽力以自然通風(fēng)的方式將煙氣排入大氣，煙囪抽力基本和排氣煙道總阻力相當(dāng)。在煙道加裝換熱設(shè)備后，排氣煙道的煙氣流動(dòng)阻力明顯增加，經(jīng)常出現(xiàn)打渣操作時(shí)大量煙塵無(wú)法吸出的現(xiàn)象，導(dǎo)致車間內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境嚴(yán)重惡化。部分廠家為解決車間煙塵嚴(yán)重的問(wèn)題，在余熱回收設(shè)備的出口與煙囪出口間直接加裝引風(fēng)機(jī)。加裝引風(fēng)機(jī)后，雖然解決了車間環(huán)境惡化的問(wèn)題，但由于引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓無(wú)法與熔化爐的工作狀況匹配，不能隨生產(chǎn)負(fù)荷的變化而變化，也不能隨熔化爐的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致爐膛出口無(wú)法始終維持微正壓。熔化爐煙氣出口壓力變?yōu)樨?fù)壓后，大量爐膛內(nèi)熱量被吸出，大幅增加燃料消耗。產(chǎn)生的熱風(fēng)或熱水屬于低品位熱工質(zhì)，其價(jià)值遠(yuǎn)低于增加的燃?xì)庀模@就是很多廠家的集中熔化爐余熱回收不成功的根本原因。

3 余熱回收新技術(shù)

3.1 新型余熱回收技術(shù)流程

1) 煙氣流程：煙氣從熔化爐爐膛排出后進(jìn)入煙氣收集裝置，由煙氣管道輸送至余熱鍋爐，經(jīng)過(guò)余熱鍋爐換熱后依次經(jīng)過(guò)節(jié)能器、引風(fēng)機(jī)、煙囪排入大氣[3]。

2) 水流程：從市政管網(wǎng)來(lái)的自來(lái)水經(jīng)過(guò)鈉離子交換器處理成為軟化水后進(jìn)入水箱，從水箱出來(lái)的水進(jìn)入節(jié)能器預(yù)加熱后送入鍋爐汽包產(chǎn)生蒸汽。

3) 蒸汽流程：鍋爐產(chǎn)出的蒸汽送入蓄能器，再由蓄能器輸出,進(jìn)入各個(gè)熱用戶。

余熱回收裝置如圖1所示。

3.2 煙氣收集裝置特點(diǎn)

煙氣收集裝置是整個(gè)余熱回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，決定了整個(gè)余熱回收系統(tǒng)的成敗，具有顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及嚴(yán)格的自控設(shè)計(jì)要求。每臺(tái)熔化爐單獨(dú)設(shè)置煙氣收集裝置，使全系統(tǒng)具有相對(duì)獨(dú)立性和靈活性。

熔化車間是整個(gè)工廠的上游工序，一般情況下必須要在不停工的情況下完成煙氣收集裝置的安裝調(diào)試，因此單臺(tái)熔化爐煙氣收集裝置須做到模塊化快速安裝。

熔化爐煙氣收集裝置由煙氣收集自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、煙溫檢測(cè)裝置、煙氣壓力檢測(cè)裝置組成[4]。煙氣收集裝置煙氣入口處的煙氣壓力須能根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。煙氣收集自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由煙氣溫度閘閥和煙氣壓力調(diào)節(jié)閥組成。正常運(yùn)行時(shí)，煙氣收集自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩個(gè)自動(dòng)閥門打開，熔化爐原有排氣閥門關(guān)閉。

1-熱用戶；2-蓄能器；3-水箱；4-水處理裝置；5-余熱鍋爐；6-節(jié)能器；7-引風(fēng)機(jī)；8-煙囪；9-煙氣收集裝置；10-熔化爐自帶煙氣調(diào)節(jié)閥；11-原系統(tǒng)煙囪圖1 余熱回收裝置

1) 煙氣溫度閘閥與熔化爐原有排氣閥聯(lián)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到出煙氣收集自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的煙氣溫度低于350 ℃時(shí)，溫度調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，熔化爐原有排氣閥打開，煙氣由熔化爐原有的排煙通道排入大氣。

2) 煙氣壓力調(diào)節(jié)閥由爐膛煙氣壓力檢測(cè)系統(tǒng)控制，根據(jù)爐膛壓力調(diào)節(jié)開度，確保爐膛壓力維持在原始設(shè)計(jì)壓力，不會(huì)因加裝煙氣余熱回收系統(tǒng)改變爐膛內(nèi)煙氣壓力，從而影響爐膛內(nèi)的燃燒工況。

3) 余熱回收系統(tǒng)檢修或停爐期間，煙氣收集自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門關(guān)閉，熔化爐原有排氣閥門打開，煙氣由原有通道排入大氣。

3.3 煙氣回收煙道的設(shè)計(jì)要求

1) 煙道的結(jié)構(gòu)或材質(zhì)須能保證煙道在熔化爐排煙溫度850 ℃工況下的長(zhǎng)期運(yùn)行和900～1 000 ℃溫度下短時(shí)間運(yùn)行。

2) 熔鋁生產(chǎn)車間內(nèi)各種車輛進(jìn)出頻繁，為保持通道的暢通，一般不可能在地面設(shè)立較大的煙氣管道支架，通常利用車間內(nèi)原有各種支撐點(diǎn)設(shè)置煙氣支架，因此煙道必須重量輕。

3) 各熔化爐之間相隔較遠(yuǎn)，且都在室內(nèi)，余熱鍋爐一般布置在車間外合適位置，與熔化爐相隔較遠(yuǎn)，因此煙道須有可靠的保溫措施。另外，車間外煙道還需要有良好的防雨、防曝曬措施，以延長(zhǎng)保溫鋁皮的使用壽命，防止雨水漏入保溫層，造成較大的熱量損失。

4) 煙道內(nèi)流動(dòng)的是高溫?zé)煔?，因此煙道與各種燃?xì)夤艿馈④囬g內(nèi)電纜橋架等的距離須符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

5) 由于煙道內(nèi)介質(zhì)的溫度較高，須考慮熱脹冷縮對(duì)煙道的影響。煙道的膨脹量應(yīng)控制在0.01 mm/(m·℃)。

6) 煙道支架的設(shè)置須合理，除考慮煙道重量外，還應(yīng)考慮高溫下煙道的剛度，以防止跨度過(guò)大產(chǎn)生彎曲變形。

3.4 余熱鍋爐機(jī)組的設(shè)計(jì)要求

1) 為提高余熱鍋爐機(jī)組的熱能回收效率，鍋爐尾部需配置節(jié)能器。由于燃料為天然氣，燃燒產(chǎn)物的含水率較高，因此露點(diǎn)溫度較低，節(jié)能器的受熱面應(yīng)為耐腐蝕鋼材制造。

2) 煙氣回收煙道流程較長(zhǎng)，且在余熱回收裝置啟動(dòng)之初，煙氣中的水分會(huì)大量在煙道內(nèi)凝結(jié)，因此煙道須帶一定的坡度，且余熱鍋爐機(jī)組的進(jìn)出口均需配套凝結(jié)水排水系統(tǒng)。

3) 由于各熔化爐的煙氣溫度隨生產(chǎn)負(fù)荷和生產(chǎn)過(guò)程的變化出現(xiàn)較大波動(dòng)，煙氣排放過(guò)程和煙氣溫度也存在間歇性的較大變化，因此鍋爐的蒸發(fā)量波動(dòng)也較大，不利于熱用戶的穩(wěn)定使用，所以鍋爐系統(tǒng)須配帶蒸汽蓄熱器，起到穩(wěn)定蒸汽輸出的作用[5]。

3.5 引風(fēng)機(jī)的選型

引風(fēng)機(jī)除克服煙氣流動(dòng)阻力外，還應(yīng)能起到一定的調(diào)節(jié)煙氣壓力的作用，因此宜采用變頻風(fēng)機(jī)。

3.6 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的選擇

鋁加工企業(yè)的蒸汽主要用于職工食堂、浴室、生產(chǎn)中產(chǎn)生的各種污泥集中烘干、空調(diào)機(jī)、板式換熱器等，這些用途對(duì)蒸汽的壓力要求不高，一般蒸汽壓力要求為0.4 MPa，選用0.4～1.0 MPa的運(yùn)行壓力就可以滿足生產(chǎn)、生活需要，同時(shí)有利于控制一次性投資。

余熱回收系統(tǒng)的鍋爐為余熱鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量與熔化爐的生產(chǎn)負(fù)荷有關(guān)，鍋爐的入口煙氣量隨熔化爐的燃?xì)庀牧吭龃蠖龃螅S熔化爐排煙溫度的升高而增大，設(shè)計(jì)煙氣量一般為燃?xì)夂牧康?1～13倍。

余熱鍋爐一般布置于車間外，高溫?zé)煔庑杞?jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輸送方可送到余熱鍋爐，為保證煙氣輸送管道的使用壽命，進(jìn)入煙氣管道的煙氣溫度須保持相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)于不銹鋼煙道，煙氣溫度不得高于700 ℃；對(duì)于普通帶耐火內(nèi)襯的煙道，入口煙氣溫度可不限制，但這種煙道重量大，由于支撐點(diǎn)的位置原因，不適合于車間內(nèi)布置。對(duì)于不帶蓄熱裝置和未安裝煙道余熱回收器的熔化爐，鍋爐的入口煙氣溫度根據(jù)輸送煙道的不同，可以有650～700 ℃和850～1 000 ℃兩種選擇。

4 應(yīng)用實(shí)例

以南京某鋁零件制造公司為例，該公司二、三號(hào)車間共裝有7臺(tái)燃?xì)饧腥刍癄t，每臺(tái)熔化爐天燃?xì)庀牧繛?5～120 Nm3/h，正常開機(jī)5～7臺(tái)。煙道未安裝余熱回收器，煙氣通過(guò)車間外煙囪自產(chǎn)生的吸力直接排入大氣。

4.1 安裝余熱回收裝置前生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題

由于熔化爐散熱、排氣煙道輻射熱、打渣、出料等過(guò)程產(chǎn)生熱量，車間內(nèi)特別是熔化爐排渣操作平臺(tái)溫度較高；生產(chǎn)過(guò)程中的煙塵無(wú)法排出，車間內(nèi)工作環(huán)境較差；入爐料熔化時(shí)雜質(zhì)和油污的燃燒產(chǎn)生較大異味；打渣操作時(shí)，車間外煙囪口煙塵大量排出。

公司有食堂、包裝車間兩中央空調(diào)機(jī)組和一臺(tái)板式換熱器需要使用蒸汽，生產(chǎn)過(guò)程中每天產(chǎn)生500～800 kg工業(yè)污泥需要烘干。因此每年需要從市政供熱管網(wǎng)購(gòu)買約7 500 t蒸汽，蒸汽價(jià)格按250元/t計(jì)算，購(gòu)買成本約為188萬(wàn)元/a。

4.2 加裝新型余熱回收系統(tǒng)后的應(yīng)用效果

1) 對(duì)7臺(tái)熔化爐安裝余熱回收系統(tǒng)后，每天平均實(shí)際可回收1.0 MPa飽和蒸汽25 t。公司全年除夏季用汽高峰期需從市政熱網(wǎng)購(gòu)買1 000 t蒸汽外，其余時(shí)間均可以實(shí)現(xiàn)全廠蒸汽自給，每年可節(jié)省蒸汽購(gòu)買費(fèi)用約160萬(wàn)元。

2) 車間內(nèi)平均溫度降低10 ℃以上。爐膛出渣操作平臺(tái)上環(huán)境溫度明顯降低。

3) 由于余熱回收系統(tǒng)不影響熔化爐的爐膛燃燒工況，燃料消耗量和未進(jìn)行余熱回收前相比無(wú)變化。

4) 余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行期間，車間內(nèi)無(wú)煙塵和異味現(xiàn)象，在節(jié)能降耗的同時(shí)改善了生產(chǎn)環(huán)境。

5) 原車間外的煙囪作為余熱回收系統(tǒng)的旁路煙囪備用，在余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)廢氣排放。煙氣經(jīng)過(guò)余熱回收裝置、除塵器后由余熱回收系統(tǒng)新建煙囪排放，達(dá)到了環(huán)保要求。

綜上所述，新型余熱回收裝置采用新的流程、控制措施和余熱回收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與熔化爐生產(chǎn)特點(diǎn)相匹配，不影響原有生產(chǎn)工藝參數(shù)、生產(chǎn)過(guò)程。此外，可以產(chǎn)生高品位的蒸汽用于生產(chǎn)和生活，還可以做到煙氣達(dá)標(biāo)排放，明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

在節(jié)能和環(huán)保技術(shù)已深入到工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)角落的今天，除了應(yīng)注重大型生產(chǎn)和裝置的節(jié)能，同時(shí)還應(yīng)關(guān)注像集中熔化爐這樣的小型設(shè)備的余熱利用。將成熟的余熱回收技術(shù)應(yīng)用在集中熔化爐上，在節(jié)能的同時(shí)又可改善車間的生產(chǎn)環(huán)境，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。