熔炼炉燃烧参数控制

2011-07-25贾新武

有色金属加工 2011年6期

关键词：蝶阀氧化铝炉膛

贾新武，张磊

(河南神火铝材有限公司，河南沁阳454591)

我厂熔炼炉是由苏州博能窑炉科技有限公司于2008年设计制造安装的，主要技术性能参数如下：

用途：铝及铝合金的熔化

炉子形式：固定式矩形炉、侧装电解铝液

原料：电解铝液、铝锭、铝合金锭及废料

炉子容量：25吨

炉膛工作温度：1100-1200℃

铝液出炉温度：720-760℃

熔体温差：±5℃(精炼、搅拌终了)

燃料：天然气/土煤气

燃料最低发热值：4.18X8600/4.18X1200kJ/Nm3

熔化期最大熔化率：3吨/小时(纯冷料)

燃料最大消耗量：350Nm3天然气/小时(1800Nm3土煤气/小时)

熔化期吨铝燃耗：：≤65Nm3天然气/吨铝

烧嘴形式：蓄热式燃烧器 2个

温度控制形式：PLC自动控制

空气过剩系数：1.05～1.15

1 设备说明

我厂熔炼炉采用蓄热式燃烧系统(燃烧控制系统见图1)，配有2个蓄热式烧嘴，约呈15°向熔池倾斜，每个烧嘴都有自己一套点火和火焰检测装置。一个燃烧一个排烟，互相切换。排烟的时候利用烟气温度对蓄热室内的氧化铝球进行加热，切换后蓄热室的氧化铝球对助燃空气进行预热，以此实现通过烟气的余热对助燃空气进行预热，提高了热效率。同时蓄热室的氧化铝球对烟气进行了净化，降低了烟气排入大气的粉尘污染和热污染。助燃空气及排烟系统由一台助燃风机、一台排烟风机、相应管道、换向阀及伺服电机等组成。

炉压控制是由微差压变送器、排烟风道电动蝶阀执行器等构成的闭环系统完成。取压点设在炉顶上，微差压变送器将采集的炉气压力信号转换成4～20mA信号，送入PLC控制模块，经PID运算后控制排烟蝶阀的开度。

炉气温度控制方式是以炉气温度为控制对象，当炉气温度高于人为设定40℃时，助燃风机换向阀、排烟换向阀、各烧嘴的燃气切断电磁阀自动关闭，烧嘴随之熄火；当炉气温度低于人为设定60℃时，烧嘴自动点火升温。

2 燃烧参数控制

2.1 烧嘴天然气与助燃空气比例、天然气流量、助燃空气流量

烧嘴天然气与助燃空气比例一般为1∶10或1∶9。当炉膛废气温度在700-900℃的条件下，空气过剩系数大于1时，空气系数每减少0.1，则炉子燃料消耗降低3%-5%[1]。我厂设备使用天然气，流量可由天然气管道上安装的流量计提供(参考)，但是助燃空气(下文将叫作助燃风)只能依靠人为观察烧嘴火焰状态，即烧嘴火焰喷射有力，不发飘，视为燃烧充分。因此，在助燃风能够保证天然气充分燃烧的情况下空气过剩系数愈小愈好，即助燃风流量愈小愈好。

图1 熔炼炉燃烧控制系统图

2.2 炉压

一般要求炉压采用微正压，如果炉压为零或负压，会引入较多的炉外冷风，消耗炉内热量，同时增加铝液的烧损。炉压过大会使炉内高温气体大量外溢，增加炉子的热损失。在保证天然气能够充分燃烧和炉膛热负荷满足快速化料的情况下，天然气和助燃风流量不宜过大，否则会造成实际炉压过高，增加燃料消耗。

我厂熔炼炉的炉压控制程序在上文中已有论述，生产人员操作控制炉压，只需在熔炼炉控制柜的人机界面上设定即可，如果设定炉压比实际炉压小很多，排烟蝶阀的开度便会很大，大量高温气体会由排烟风机抽出，造成较大的热损失；如果设定炉压比实际炉压大很多，不仅会使炉内高温气体大量外溢，而且会使排烟蝶阀开度较小，从而影响排烟，进而将会降低蓄热室内氧化铝球的蓄热量。

2.3 蓄热室的蓄热效果

排烟温度是蓄热室内氧化铝球蓄热效果的一个间接反映。排烟温度较低，有可能是蓄热室氧化铝球堵塞造成，意味着只是蓄热室上部的氧化铝球得到了充分蓄热，而下部氧化铝球不能充分蓄热，影响蓄热效果，而且会使炉压增大；排烟温度较高，不仅会增大热损失，而且是烟气没有充分加热氧化铝球的一个重要表现，也意味着蓄热效果不好。

蓄热室可以将空气温度预热到仅比炉膛温度低50～100℃的状态，实现所谓的“极限”回收，其原因有两点：

①高温炉膛烟气直接进入蓄热体，通过切换阀的作用完成与空气的换热过程；

②传热过程的换热量可以用如下公式表示：

Q=K·△t·F

其中：Q一换热量，kJ

K一综合传热系数，kJ/(m2·℃)

△t一对数平均温度，℃

F一换热面积，m2

从公式中可以看出，蓄热室的换热面积是影响换热量大小的重要因素之一。换热面积是由氧化铝球的大小决定的，氧化铝球直径越大，换热面积越小，造成蓄热室蓄热效果越差。但氧化铝球直径越小，其对助燃风的阻力越大，越容易堵塞，从而影响蓄热效果。

蓄热室填充球层内的传热系数主要受床层中气流速度和蓄热球大小和材质的影响。[2]根据实践，我厂选择了直径为24mm的陶瓷氧化铝球，蓄热室的尺寸为1200X1700X1280mm。

综上所述，在减少天然气消耗方面，天然气和助燃风的比例、天然气流量、助燃风流量、炉压、排烟温度等因素相辅相成，有时又互相矛盾，因此把各个因素控制在一个合理的参数范围极为重要。

3 燃烧参数控制实践

本着以上原则，我厂自2010年12月份开始实行熔炼炉燃烧参数控制及记录(如表1)，通过实践取得了很好的效果，现将熔炼炉燃烧参数总结如下(见表2)。

表1

表2

以表2为例，简述表2中各参数的控制：

① 天然气流量。通过烧嘴燃烧时对其上游天然气管道的球阀调节(调节时需观察天然气管道上安装的流量计的流量显示)，以确定调节量是否满足要求。

② 助燃风流量。在其调节时没有流量计显示可直观参考，可以助燃风机电流或炉压作为参考。由于熔炼炉长时间使用，炉门槛易破损，炉门密封效果下降，因此以炉压作为参考是不准确的。我厂采用助燃风机电流作为参考。蓄热室更换新氧化铝球，如果助燃风阀门全开，助燃风流量很大，助燃风机电流可达到37-40A。此时要恢复助燃风流量，便需调小助燃风管道上的手动蝶阀开度，使助燃风机电流满足要求。从而助燃风流量便满足了燃烧要求。随着蓄热室内氧化铝球因受所排烟气携带的粉尘堵塞，助燃风流量会越来越小，生产过程中就需及时调大助燃风管道上的手动蝶阀开度，保证助燃风电流满足要求，从而保证助燃风流量稳定不变。当手动蝶阀全开时助燃风机电流仍小于32.5A，此时说明蓄热室氧化铝球堵塞严重，不能满足要求，必须及时更换新的氧化铝球。

助燃风电动蝶阀一般要求开至最大，在生产过程中不再调节，如果调节将会改变烧嘴点火枪的助燃风压力和流量，可能使点火枪不能点着火。

③ 炉压及排烟温度。炉压设定、调节及排烟温度在前文已有论述，在此不做重述。如果实际炉压一直低于设定炉压，首先应检查微差压变送器的炉气压力进入管道是否堵塞，否则就必须加强炉膛的密封；如果如果实际炉压一直高于设定炉压，或排烟温度较低就必须及时更换蓄热室内的氧化铝球，实践证明在助燃风机电流大于32.5A时该情况是不会出现的。

通过实行熔炼炉燃烧参数的记录分析和控制，我厂的熔炼炉每熔次天然气消耗由过去的1200-1600m3，降低至600-1000m3。综合计算，我厂5台熔炼炉每熔次约降低了500m3天然气，化纯冷料能力提高至6吨/小时。我厂年产50000吨铸轧板，每年要生产2500熔次，这样每年约可节约1250000m3天然气，约合人民币350万元。同时也极大地改善了我厂的工作生活环境。