新型组合式3D高效预热系统在熔铝炉上的节能示范研究

王飞扬 ，朱冬生 ，刘世杰 ，莫 逊

（1.中国科学院 广州能源研究所，广州 510640，2.中国科学院 可再生能源重点实验室，广州 510640，3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

高效蓄热系统是高温空气燃烧技术得以实现的重要设备。传统的高效蓄热系统以紧凑排列的蓄热体为介质将高温烟气的热量传递给助燃空气，从而加热入炉空气，实现对高温烟气的热量回收。但是这种紧凑的蓄热室阻力极大，而且排烟温度较高，从而导致整个燃烧系统的排烟热损失高、功耗高。国内外学者已对高效蓄热系统进行了大量研究［1-12］。KLEIN 等［1］提出了只考虑轴向导热忽略径向导热的薄壁模型，并给出了蓄热室热效率的近似解。李朝祥等［2-3］得出蓄热室效率的计算式，并讨论了影响效率的若干因素及定量关系。李卫东等［4］分析了换向时间对蓄热室的温度和传热性能的影响。侯和平等［5］通过有限差分法对热风炉的蓄热室进行了数值模拟，得到了蓄热室压降和换热效率随床层高度的变化规律。这些研究虽然对蓄热室的传热特性和阻力特性有了深刻的认识，但并未对进一步降低排烟温度和有效降低阻力损失提出针对性的解决方案。本文提出一种新型组合式高效预热系统，将三维变空间高效换热器与蓄热室配合使用，不仅可以降低排烟温度，同时可以降低系统阻力，最终达到降低产品能耗、提升经济性的效果。

1 新型组合式3D高效预热系统的结构和特点

新型组合式3D高效预热系统由经过优化的蓄热室和三维变空间高效换热器组成。蓄热室由室体和蓄热体组成，蓄热体是蓄热室燃烧技术中最关键的组成部分，直接影响蓄热室的体积、效率和加热能力。目前常用的蓄热体主要有格子砖、球状及蜂窝状蓄热体［9］，工程实际中比较常见的蓄热体，尤以蓄热球具有强度高、抗热震性优良、更换清洗最方便和价格低等优点，被广泛采用。若从压力损失考虑，陶瓷球有其不利的一面；但在强度、单位体积蓄热量、使用方便、价格等方面具有明显的优势。本项目即采用22 mm的陶瓷蓄热球。

三维变空间高效换热器以3D高效换热管为换热元件，3D高效换热管可由普通光滑圆管冷轧扭曲加工而成，其横截面呈椭圆形，如图1所示，主要参数包括长轴A、短轴B、扭距P。

图1 3D高效换热管Fig.1 Diagram of 3D high-efficiency heat exchange tube

管束组装时依靠相邻管突点实现多点接触相互支撑，取消折流板，达到自支撑和强化传热双重效果；其次，在壳侧沿管长方向形成规律的多孔螺旋通道，使流体在管内流动时产生以旋转为主要特征的复杂流动，并在管内垂直于主流方向上产生二次流促进传热［13］；流体在管内外两侧均受离心力作用而周期性地改变流速和流动方向，加强流体自身的湍流程度，有助于破坏管壁上的热边界层，从而在管内外同时强化传热，且设备投资费用低，运行高效可靠［14-16］。

新型组合式3D高效预热系统不但具有耐高温、耐腐蚀、降低整体阻力的优势，还进一步降低排烟温度，提高热效率和整体的经济性。技改前、后系统熔铝炉如图2所示。

图2 技改前、后熔铝炉系统Fig.2 Aluminum melting furnace system before and after technological transformation

2 可行性研究

如前文所述，新型组合式3D高效预热系统集蓄热室和三维变空间高效换热器的优点于一身。蓄热室耐高温、耐腐蚀、抗渣的特性，为三维变空间高效换热器提供长期安全运行的工作环境。三维变空间高效换热器利用自身高效传热、阻力小、端差小的优势将排烟温度降到更低，同时可降低蓄热球高度，进而降低整体阻力。

三维变空间高效换热器不能直接应用于熔铝炉的主要原因在于炉子出口烟温高达900～1 200 ℃，高于普通管式换热器的安全工作温度，蓄热室的耐高温特性则能有效解决该问题。蓄热室不仅可以将烟气温度降至换热器的安全工作温度，其密布的蓄热球还可以起到过滤作用，使得进入三维变空间高效换热器的烟气更干净，减少3D高效换热管结垢，延长三维变空间高效换热的使用寿命。

蓄热室虽然有诸多优点，但其阻力极大，而且其排烟温度受到诸多条件的限制，尤其是小型设备，烟气出口温度降低到200 ℃需要满足一定的必要条件［17］。增加三维变空间换热器之后就解决了排烟温度的局限性，而且三维变空间高效换热器具有换热效率高和小端差换热的优势，能够大幅降低排烟温度，减小排烟热损失。三维变空间高效换热器较大的换热比表面积，能够等效替代一部分蓄热球，以降低蓄热球的高度，从而降低整个系统的阻力，降低引风机功耗。

所以，新型组合式3D高效预热系统不但能解决熔铝炉系统阻力大、引风机功耗高的问题，而且可以深度回收烟气余热、大幅降低排烟温度。进而有效降低熔铝系统功耗，同时减少天然气耗量，提高总体经济性。

3 工程设计案例

3.1 熔铝炉系统技术改造前的运行情况

理论上熔化1 000 kg铝耗电能320 kW·h或天然气约32.3 Nm3。若将炉体升温、热量损失、燃烧不完全等计入，目前实际能耗为理论值的2～3倍，甚至更多［18］。可见在实际工业生产中，熔铝炉的热效率并不高。某铝合金股份有限公司一台日产75 000 kg铝锭的熔铝炉，采用高温空气燃烧技术，其蓄热室以陶瓷蓄热球为蓄热体，由于能耗高、阻力大，影响整体经济性，根据改造前生产统计数据，成铝消耗天然气大约为0.075 Nm3/kg。且运行时间长、设备老化，影响安全性，其技改前运行期间工艺参数见表1。

表1 技改前熔铝炉运行参数Tab.1 Operating parameters of aluminum melting furnace before technological transformation

为了比较技改后的效果，在技改之前对该熔铝炉每天的生产情况进行统计，该炉每天生产三炉，生产情况与天然气消耗量见表2。

表2 技改前生产数据统计Tab.2 Production data statistics before technological transformation

3.2 熔铝炉系统技术改造的设计方案

依据工艺条件，对该熔铝炉系统进行技术改造，改造内容包括原蓄热室的优化和三维变空间高效换热器的设计，二者配合使用构成新型组合式3D高效预热系统。

3.2.1 蓄热室的优化

有研究表明蓄热室中蓄热体高度对阻力和热工指标均有影响。随着蓄热体高度的增加，烟气出口平均温度降低，空气预热温度升高，蓄热室的温度效率和热效率增大，阻力也随之增大。但当其达到某一高度时，继续增大蓄热体高度对各热工指标的影响不明显，但对阻力影响很大。该高度与蓄热球直径有关，蓄热球直径为15 mm时，该高度为0.6 m；25 mm时，为0.7 m；35 mm时，为0.8 m。该项目蓄热球直径为22 mm，显然，应将其蓄热体高度设计为650 mm，相应地蓄热室阻力约降低30%［19］。既可以保证其热工性能，又能有效降低阻力损失。故蓄热室的最终优化方案为将球层高度降为650 mm。

3.2.2 三维变空间高效换热器的设计

设计三维变空间高效换热器，首先应确定其设计参数。从图3可以看出，排烟温度与排烟热损失有密切关系。根据能量守恒定律，排烟温度的改变将影响到空气侧出口的温度，图4示出了排烟温度的选择对三维变空间高效换热器空气侧出口温度、设备投入和节约天然气收益的影响。

图3 排烟温度与排烟热损失的关系Fig.3 Relationship between exhaust gas temperature and heat loss

图4 排烟温度对空气侧出口温度、设备投入成本和天然气节约收益的影响Fig.4 The influence of determination of gas temperature on the air-side exit temperature，equipment investment cost and natural gas savings

节约天然气收益的计算周期为1个月（按天然气3元/Nm3。每月生产22天，每天单炉生产75 000 kg）。显然排烟温度越低，三维变空间高效换热器出口风温相对越高，相对的设备投入成本越大，节约天然气成本也越多。设备投入成本仅在1个月之内就可以完全回收，投资回收期非常短，所以最终选择排烟温度为60 ℃，确定三维变空间高效换热器的参数见表3。

表3 三维变空间高效换热器设计参数Tab.3 Design parameters of 3D variable space efficient heat exchanger

3.3 熔铝炉系统技术改造后的运行情况

技术改造后熔铝炉系统工艺参数及与技改前对比见表4。

表4 技改前、后工艺参数对比Tab.4 Comparison of the process parameters after and before technological transformation

3.4 熔铝炉系统改造前后对比与结果分析

技改后系统运行情况良好，排烟温度下降、引风机功耗下降、成铝单位能耗大幅降低。系统运行稳定后，对其排烟温度、引风机功耗、成铝吨耗连续监测7天，并与技改之前的统计数据对比如图5～7所示。由图5可知，技改后排烟温度大幅降低，由技改前200 ℃降低到60 ℃，这是由于三维变空间高效换热器采用纯逆流的换热方式，具有小端差换热的优势，其特殊的结构特点使得管内外流体均受离心力作用而周期性地改变流速和流动方向，加强流体自身的湍流程度，强化换热，使得排烟温度大幅降低。根据图3中排烟温度与排烟热损失的关系可知，排烟温度的降低可使排烟热损失降低6%。

图5 技改前、后排烟温度对比Fig.5 Comparison of exhaust gas temperature before and after technological transformation

图6 技改前、后引风机变频器示数对比Fig.6 Comparison of inverter indications of induced fan before and after technological transformation

图7 技改前、后成铝单位能耗对比Fig.7 Comparison of consumption per ton of aluminum before and after technological transformation

由图6可知，引风机变频器技改前频率为40 Hz，技改之后平均值只有30 Hz，引风机能耗降低25%。原因在于传统蓄热室的阻力与蓄热球层的高度有密切联系［19-21］，技改过程中将球层高度由1 000 mm降低到650 mm，在保证热工参数的前提下，大幅降低了系统阻力，虽然增加了三维变空间高效换热器会小幅增加阻力，但并不影响系统总阻力的大幅下降。

由于回收的热量提高了入炉空气温度，成铝平均每天然气消耗降低0.01 Nm3/kg，按照天然气单价3元/Nm3、单炉产量75 000 kg/天、每年生产260天计算，每年节约天然气收益为58.5万元，结果表明此次技改收效显著。

4 结论

（1）技改后，在保证蓄热室热工特性不变的情况下，降低蓄热球的高度，大幅降低系统阻力损失，进而大幅降低引风机功耗，起到良好的降耗效果。

（2）技改后，进一步降低系统排烟温度，降低排烟热损失，起到良好的烟气余热回收的效果。

（3）技改后，系统成铝单位能耗由原来的0.075 5 Nm3/kg降低到约0.065 5 Nm3/kg，大幅节约天然气，节约天然气收益可达58.5万元/年，整个系统的经济性得到提高，企业收益增加显著。