鋁合金鑄錠燃?xì)饧訜釥t綜合改造與可行性分析

張 亢，范晶君

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金鑄錠加熱爐是鋁加工重要熱處理設(shè)備。鋁及鋁合金鑄錠用料車送入爐內(nèi)，通過(guò)加熱后達(dá)到軋機(jī)軋制溫度，從而改變鋁錠原有的組織狀態(tài)，達(dá)到滿足軋制工藝的性能要求［1］。加熱爐溫控系統(tǒng)異常會(huì)導(dǎo)致鑄錠加熱不均勻，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，致使鋁錠在后續(xù)軋制中因軋機(jī)受力不均不僅會(huì)引起自控系統(tǒng)報(bào)警，而且對(duì)軋機(jī)結(jié)構(gòu)也造成較大損害。溫控系統(tǒng)若出現(xiàn)嚴(yán)重故障，還會(huì)導(dǎo)致鑄錠過(guò)燒現(xiàn)象，鑄錠合金過(guò)燒后，低熔點(diǎn)共晶在晶界上和基體內(nèi)復(fù)熔又凝固，改變了過(guò)燒前該處組織緊密相聯(lián)的狀態(tài)，對(duì)鋁合金的力學(xué)性能、疲勞和腐蝕性能等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成產(chǎn)品報(bào)廢。因此加熱爐溫度控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)加熱爐來(lái)說(shuō)至關(guān)重要［2］。

鋁合金鑄錠加熱爐熱效率一般只有20%~30%，約有70%~80%的熱量損失，其中煙氣帶走的熱損失約30%~35%。這部分熱量通過(guò)煙囪排放至大氣，不但浪費(fèi)能源，也會(huì)對(duì)大氣造成熱污染。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越突出，有效利用煙氣余熱對(duì)提高加熱爐能量利用效率、降低能耗有重大意義［3］。

某廠生產(chǎn)線的加熱爐使用天燃?xì)鈱?duì)鑄錠進(jìn)行加熱，其額定加熱負(fù)載為180 t，工作溫度為400~550℃，是能耗較大的設(shè)備。從2009年鑄錠加熱爐安裝生產(chǎn)至今，經(jīng)過(guò)多年的使用以及設(shè)計(jì)上的不足等原因，現(xiàn)在這臺(tái)熱處理設(shè)備已不能滿足工廠對(duì)某些板材生產(chǎn)的溫度控制；另外該爐在最初未進(jìn)行余熱回收等節(jié)能措施的設(shè)計(jì)，造成了大量的能源浪費(fèi)。為此決定對(duì)該加熱爐進(jìn)行綜合改造。

1 加熱爐現(xiàn)狀分析

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地對(duì)加熱爐進(jìn)行檢測(cè)分析，確定加熱爐主要存在如下問(wèn)題：

（1）爐溫控制精度差。只有通過(guò)人工干預(yù)停止部分燒嘴來(lái)控制超調(diào)，不但可靠性非常差，而且會(huì)造成各個(gè)區(qū)燒嘴的負(fù)荷輸出不均勻，影響爐溫及料溫的均勻性。

（2）空燃配比不好，燃燒不充分，煙氣氧含量達(dá)16.7%，CO含量達(dá)8 mg/L。大量冷空氣加熱后被排出，熱能浪費(fèi)嚴(yán)重。

（3）沒(méi)有爐壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。爐膛壓力不穩(wěn)且為負(fù)壓狀態(tài)，導(dǎo)致鑄錠加熱時(shí)間延長(zhǎng)，增大能耗。

（4）排煙溫度很高（350~400℃），未能進(jìn)行回收利用，造成大量浪費(fèi)。

（5）沒(méi)有可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)等安全保護(hù)功能，使用時(shí)存在安全隱患。

圖1為該加熱爐原燃燒系統(tǒng)工作示意圖。

圖1 加熱爐原燃燒系統(tǒng)

2 改造方案及可行性分析

針對(duì)該加熱爐的現(xiàn)狀分析，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行改造。

2.1 煙氣余熱回收

針對(duì)兩臺(tái)加熱爐排煙溫度較高、未進(jìn)行余熱回收的實(shí)際情況，對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收。先把低溫助燃空氣通過(guò)助燃風(fēng)機(jī)送入經(jīng)高溫?zé)煔饧訜岬膿Q熱器內(nèi)預(yù)熱，使助燃空氣達(dá)到約250℃后，再送入加熱爐燒嘴進(jìn)行助燃，以提高進(jìn)入爐內(nèi)助燃空氣的溫度，從而減少燃?xì)庀暮蜖t內(nèi)溫度的波動(dòng)。

具體工藝方案為：在加熱爐排煙道上加裝旁路蝶閥，并新增旁路煙道進(jìn)入新增空氣預(yù)熱器。在空氣預(yù)熱器后新增變頻引風(fēng)機(jī)，以克服系統(tǒng)阻力；同時(shí)在排煙口設(shè)置微差壓傳感器，監(jiān)測(cè)爐膛出來(lái)的壓力，實(shí)時(shí)指導(dǎo)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。助燃風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)助燃風(fēng)量計(jì)算。

每臺(tái)爐子的排煙口匯總管上設(shè)置一臺(tái)高效管式空氣換熱器，通過(guò)高溫?zé)煔馀c空氣的熱交換，將燃燒空氣預(yù)熱至250℃左右。冷空氣自上而下，與高溫?zé)煔鉄峤粨Q后，分兩路輸送至爐體兩側(cè)的燃燒器內(nèi)。

圖2為加熱爐余熱回收系統(tǒng)原理示意圖。

圖2 余熱回收系統(tǒng)原理示意圖

燃料的熱利用率與燃料的熱量計(jì)溫度、出爐煙氣溫度、不完全燃燒程度、空氣過(guò)剩系數(shù)和煤氣及空氣的預(yù)熱溫度等因素有關(guān)［4］。燃?xì)鉃槌貭顟B(tài)，其攜帶的物理熱與化學(xué)熱比起來(lái)太小，可以忽略不計(jì)。

其中Qk為熱空氣進(jìn)入加熱爐時(shí)攜帶的熱量；Qwa為天然氣發(fā)熱值，取35 000 kJ/Nm3；Qy為天然氣燃燒后煙氣攜帶的熱量。

由以上公式計(jì)算得出，單位流量天然氣余熱回收后，預(yù)熱空氣至250℃后燃料節(jié)約率η為11.6%。

2.2 燃燒系統(tǒng)升級(jí)

加熱爐溫控系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行直接受制于溫控系統(tǒng)的精確控制，以及燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式、運(yùn)行方式以及控制邏輯。鑒于目前加熱爐溫控系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)方式及控制邏輯、燃燒系統(tǒng)空燃比調(diào)控方式進(jìn)行科學(xué)管理和控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫、燃燒負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，這樣不但可以解決該加熱爐現(xiàn)存燃燒控制不好而導(dǎo)致的煙氣氧含量過(guò)大、CO含量偏高、大量冷空氣被加熱（350~400℃）再排出等能源浪費(fèi)的問(wèn)題，降低燃?xì)鈸p耗，保證燃燒系統(tǒng)高效、安全的運(yùn)行，同時(shí)還可以提高控制精度，滿足對(duì)特殊板材生產(chǎn)工藝的要求。

2.2.1 燃燒點(diǎn)火控制系統(tǒng)升級(jí)

保留燒嘴和燒嘴點(diǎn)火控制系統(tǒng)，取消現(xiàn)有的手動(dòng)點(diǎn)火控制方式，更改為自動(dòng)點(diǎn)火，并將自動(dòng)點(diǎn)火控制流程加入燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)，與負(fù)荷調(diào)節(jié)匹配。

2.2.2 燃燒系統(tǒng)改造方案

原加熱爐為3區(qū)控制，每區(qū)4只燒嘴。4只燒嘴共采用一只助燃空氣閥控制，容易造成保溫階段有助燃風(fēng)通過(guò)不需要燃燒的燒嘴吹入爐膛，降低爐溫，浪費(fèi)燃?xì)狻?/p>

改造后重新布置燃?xì)饧爸伎諝夤艿?。在每個(gè)燃?xì)庵У郎戏謩e設(shè)置1個(gè)流量孔板、差壓變送器、單座調(diào)節(jié)閥、2個(gè)電磁切斷閥、1個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥和1個(gè)手動(dòng)球閥；在每個(gè)助燃空氣支管上新增1個(gè)孔板、1個(gè)差壓變送器、1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥、1個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、波紋補(bǔ)償器；每只燒嘴加裝1只空氣蝶閥，每只燒嘴配1臺(tái)燒嘴控制器以實(shí)現(xiàn)單控的目的。

圖3為加熱爐燃燒系統(tǒng)升級(jí)原理圖。

圖3 燃燒系統(tǒng)升級(jí)原理圖

燒嘴燃燒采用連續(xù)式控制，燒嘴的燃燒功率根據(jù)爐膛溫度的需要可任意變化。在升溫階段時(shí)燒嘴采用大火全功率加熱；在接近設(shè)定或保溫階段時(shí)，燒嘴采用小火小功率供熱，或者減少燒嘴數(shù)量來(lái)保證爐溫精確控制，有效控制爐膛的溫度，使其不會(huì)超溫。

在燒嘴前的管道上配有空燃比例閥、電動(dòng)熱風(fēng)閥，能實(shí)現(xiàn)天然氣、助燃熱空氣比例供給，使空氣過(guò)剩系數(shù)控制在1.1以下。燒嘴燃燒能力調(diào)節(jié)比可達(dá)1∶10，空氣系數(shù)范圍1～5。因此，可根據(jù)工藝要求對(duì)不同溫度段爐溫的均勻性實(shí)施有效調(diào)節(jié)，以滿足爐子多種熱工制度，并能有效地控制空燃比，在完全燃燒的同時(shí)節(jié)省天然氣［5］。

燃燒空燃比調(diào)節(jié)裝置節(jié)能率按照鍋爐排煙熱損失計(jì)算公式計(jì)算如下［6］:

式中m，n為計(jì)算系數(shù)；q4為物理不完全燃燒損失；αpy為排煙處過(guò)量空氣系數(shù)；tpy為排煙溫度，℃；t0為基準(zhǔn)溫度或環(huán)境溫度，℃。

根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出不同氧含量下加熱爐排煙損失。在排煙溫度為400℃、環(huán)境溫度為25℃的前提下：排煙氧含量為12%時(shí)，加熱爐排煙損失為32.5%；排煙氧含量為5%時(shí)，加熱爐排煙損失為19%；排煙氧含量為3%時(shí)，加熱爐排煙損失為17%。

小火狀態(tài)下，將煙氣中排煙平均氧含量由12%降低到3%，加熱爐排煙損失降低15.5%；大火狀態(tài)下，將煙氣中排煙氧含量由5%降低到3%，加熱爐排煙損失降低2%。

2.2.3 爐膛壓力控制及煙氣排放

爐內(nèi)壓力是否控制或控制的好壞決定了爐內(nèi)溫度是否均勻和熱效率的高低［7］。改造后在爐膛頂部增設(shè)1個(gè)微差壓變送器。在原有爐頂煙氣出口新增3個(gè)煙氣調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)煙氣排放跟隨爐壓自動(dòng)控制。煙閥開(kāi)啟度由信號(hào)控制電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)。

原有爐由于采用的是明火加熱，為提高煙氣排出時(shí)的熱效率，在煙管上設(shè)高溫電動(dòng)調(diào)節(jié)煙閥。此煙閥與爐內(nèi)取壓裝置、微差壓變送器、PLC組成爐壓自控系統(tǒng)，可隨著供熱量的變化自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力；在爐膛后部底面附近設(shè)置測(cè)壓點(diǎn)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)壓管（≥5 m）、圓筒形緩沖罐后進(jìn)入微差壓變送器，使?fàn)t內(nèi)底面爐內(nèi)壓力控制在最佳值，即保證了爐內(nèi)熱氣流充分利用，又確保爐外冷空氣不會(huì)吸入，達(dá)到節(jié)約能源及均勻爐溫的效果。

2.3 溫控系統(tǒng)

保留每個(gè)區(qū)頂部原來(lái)的控溫電偶，可作為超溫報(bào)警用，每個(gè)區(qū)左右爐壁新增2只電偶作為控溫電偶。熱電偶信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線送給PLC溫控模塊，每區(qū)分2個(gè)控制燃燒單元，每個(gè)控制燃燒單元的控溫分別由左右爐壁電偶控制。由上位機(jī)給出設(shè)定溫度，經(jīng)溫度閉環(huán)PID控制，達(dá)到爐氣溫度設(shè)定值。

2.4 能源介質(zhì)的安全監(jiān)控

在燃?xì)夂涂諝夤艿郎吓渲孟鄳?yīng)的傳感器和切斷閥，當(dāng)能源介質(zhì)供應(yīng)異常時(shí)報(bào)警。若可能危及人身、設(shè)備安全時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)處理到安全狀態(tài)。

加熱爐共分為3個(gè)加熱區(qū)。根據(jù)每個(gè)加熱區(qū)溫度的設(shè)定值，空氣和燃?xì)饬髁拷?jīng)過(guò)比例系數(shù)控制器輸出，按照雙交叉限幅控制理論進(jìn)行調(diào)節(jié)，不論溫度調(diào)節(jié)多么頻繁，總能保持空燃比穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，保證燃?xì)馔耆紵?］。

3 改造成效

改造后，大火燃燒時(shí)，燃燒后煙氣中CO含量控制在0左右，煙氣中氧含量控制在3%左右，節(jié)能系統(tǒng)在之前能耗的基礎(chǔ)上減少天然氣消耗約9.6%，年天然氣節(jié)約量為39 500 m3；小火狀態(tài)下，燃燒后煙氣中CO含量控制在0左右，煙氣中氧含量控制在3%（可調(diào)）左右，節(jié)能系統(tǒng)在之前能耗的基礎(chǔ)上減少天然氣消耗約19.7%，年天然氣節(jié)約量為48 000 m3。綜合下來(lái)，天然氣年節(jié)能量為87 500 m3，按天然氣價(jià)格1.83元/m3計(jì)算，年節(jié)能效益約為16萬(wàn)元。

4 結(jié)論

綜上所述，該加熱爐進(jìn)行綜合節(jié)能改造后，有效地解決了之前由于燃燒控制不好而導(dǎo)致的煙氣氧含量過(guò)大、CO含量偏高、大量冷空氣被加熱再排出等能源浪費(fèi)的問(wèn)題；同時(shí)還可以根據(jù)工藝要求對(duì)不同溫度段爐溫的均勻性實(shí)施有效調(diào)節(jié)，提高了控制精度，滿足了對(duì)特殊板材生產(chǎn)工藝及爐子多種熱工制度的要求。