铝合金铸锭燃气加热炉综合改造与可行性分析

2022-07-07范晶君

铝加工 2022年3期

张亢，范晶君

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

铝合金铸锭加热炉是铝加工重要热处理设备。铝及铝合金铸锭用料车送入炉内，通过加热后达到轧机轧制温度，从而改变铝锭原有的组织状态，达到满足轧制工艺的性能要求［1］。加热炉温控系统异常会导致铸锭加热不均匀，影响产品的力学性能，致使铝锭在后续轧制中因轧机受力不均不仅会引起自控系统报警，而且对轧机结构也造成较大损害。温控系统若出现严重故障，还会导致铸锭过烧现象，铸锭合金过烧后，低熔点共晶在晶界上和基体内复熔又凝固，改变了过烧前该处组织紧密相联的状态，对铝合金的力学性能、疲劳和腐蚀性能等产生严重影响，造成产品报废。因此加热炉温度控制系统的正常运行对整个加热炉来说至关重要［2］。

铝合金铸锭加热炉热效率一般只有20%~30%，约有70%~80%的热量损失，其中烟气带走的热损失约30%~35%。这部分热量通过烟囱排放至大气，不但浪费能源，也会对大气造成热污染。在经济高速发展的今天，能源危机和环境污染问题越来越突出，有效利用烟气余热对提高加热炉能量利用效率、降低能耗有重大意义［3］。

某厂生产线的加热炉使用天燃气对铸锭进行加热，其额定加热负载为180 t，工作温度为400~550℃，是能耗较大的设备。从2009年铸锭加热炉安装生产至今，经过多年的使用以及设计上的不足等原因，现在这台热处理设备已不能满足工厂对某些板材生产的温度控制；另外该炉在最初未进行余热回收等节能措施的设计，造成了大量的能源浪费。为此决定对该加热炉进行综合改造。

1 加热炉现状分析

经过系统地对加热炉进行检测分析，确定加热炉主要存在如下问题：

（1）炉温控制精度差。只有通过人工干预停止部分烧嘴来控制超调，不但可靠性非常差，而且会造成各个区烧嘴的负荷输出不均匀，影响炉温及料温的均匀性。

（2）空燃配比不好，燃烧不充分，烟气氧含量达16.7%，CO含量达8 mg/L。大量冷空气加热后被排出，热能浪费严重。

（3）没有炉压调节控制系统。炉膛压力不稳且为负压状态，导致铸锭加热时间延长，增大能耗。

（4）排烟温度很高（350~400℃），未能进行回收利用，造成大量浪费。

（5）没有可燃气体泄漏检测等安全保护功能，使用时存在安全隐患。

图1为该加热炉原燃烧系统工作示意图。

图1 加热炉原燃烧系统

2 改造方案及可行性分析

针对该加热炉的现状分析，主要从以下几个方面来进行改造。

2.1 烟气余热回收

针对两台加热炉排烟温度较高、未进行余热回收的实际情况，对烟气余热进行回收。先把低温助燃空气通过助燃风机送入经高温烟气加热的换热器内预热，使助燃空气达到约250℃后，再送入加热炉烧嘴进行助燃，以提高进入炉内助燃空气的温度，从而减少燃气消耗和炉内温度的波动。

具体工艺方案为：在加热炉排烟道上加装旁路蝶阀，并新增旁路烟道进入新增空气预热器。在空气预热器后新增变频引风机，以克服系统阻力；同时在排烟口设置微差压传感器，监测炉膛出来的压力，实时指导引风机变频运行。助燃风机采用变频控制，根据助燃风量计算。

每台炉子的排烟口汇总管上设置一台高效管式空气换热器，通过高温烟气与空气的热交换，将燃烧空气预热至250℃左右。冷空气自上而下，与高温烟气热交换后，分两路输送至炉体两侧的燃烧器内。

图2为加热炉余热回收系统原理示意图。

图2 余热回收系统原理示意图

燃料的热利用率与燃料的热量计温度、出炉烟气温度、不完全燃烧程度、空气过剩系数和煤气及空气的预热温度等因素有关［4］。燃气为常温状态，其携带的物理热与化学热比起来太小，可以忽略不计。

其中Qk为热空气进入加热炉时携带的热量；Qwa为天然气发热值，取35 000 kJ/Nm3；Qy为天然气燃烧后烟气携带的热量。

由以上公式计算得出，单位流量天然气余热回收后，预热空气至250℃后燃料节约率η为11.6%。

2.2 燃烧系统升级

加热炉温控系统和燃烧系统的安全、高效运行直接受制于温控系统的精确控制，以及燃烧系统的调节方式、运行方式以及控制逻辑。鉴于目前加热炉温控系统和燃烧系统的现状，通过对加热炉温度控制系统、燃烧控制系统、燃烧系统的负荷调节方式及控制逻辑、燃烧系统空燃比调控方式进行科学管理和控制，可实现对炉温、燃烧负荷的实时调节，这样不但可以解决该加热炉现存燃烧控制不好而导致的烟气氧含量过大、CO含量偏高、大量冷空气被加热（350~400℃）再排出等能源浪费的问题，降低燃气损耗，保证燃烧系统高效、安全的运行，同时还可以提高控制精度，满足对特殊板材生产工艺的要求。

2.2.1 燃烧点火控制系统升级

保留烧嘴和烧嘴点火控制系统，取消现有的手动点火控制方式，更改为自动点火，并将自动点火控制流程加入燃烧负荷控制系统，与负荷调节匹配。

2.2.2 燃烧系统改造方案

原加热炉为3区控制，每区4只烧嘴。4只烧嘴共采用一只助燃空气阀控制，容易造成保温阶段有助燃风通过不需要燃烧的烧嘴吹入炉膛，降低炉温，浪费燃气。

改造后重新布置燃气及助燃空气管道。在每个燃气支道上分别设置1个流量孔板、差压变送器、单座调节阀、2个电磁切断阀、1个手动调节阀和1个手动球阀；在每个助燃空气支管上新增1个孔板、1个差压变送器、1个电动调节蝶阀、1个手动调节阀、波纹补偿器；每只烧嘴加装1只空气蝶阀，每只烧嘴配1台烧嘴控制器以实现单控的目的。

图3为加热炉燃烧系统升级原理图。

图3 燃烧系统升级原理图

烧嘴燃烧采用连续式控制，烧嘴的燃烧功率根据炉膛温度的需要可任意变化。在升温阶段时烧嘴采用大火全功率加热；在接近设定或保温阶段时，烧嘴采用小火小功率供热，或者减少烧嘴数量来保证炉温精确控制，有效控制炉膛的温度，使其不会超温。

在烧嘴前的管道上配有空燃比例阀、电动热风阀，能实现天然气、助燃热空气比例供给，使空气过剩系数控制在1.1以下。烧嘴燃烧能力调节比可达1∶10，空气系数范围1～5。因此，可根据工艺要求对不同温度段炉温的均匀性实施有效调节，以满足炉子多种热工制度，并能有效地控制空燃比，在完全燃烧的同时节省天然气［5］。

燃烧空燃比调节装置节能率按照锅炉排烟热损失计算公式计算如下［6］:

式中m，n为计算系数；q4为物理不完全燃烧损失；αpy为排烟处过量空气系数；tpy为排烟温度，℃；t0为基准温度或环境温度，℃。

根据公式（1）可以计算出不同氧含量下加热炉排烟损失。在排烟温度为400℃、环境温度为25℃的前提下：排烟氧含量为12%时，加热炉排烟损失为32.5%；排烟氧含量为5%时，加热炉排烟损失为19%；排烟氧含量为3%时，加热炉排烟损失为17%。

小火状态下，将烟气中排烟平均氧含量由12%降低到3%，加热炉排烟损失降低15.5%；大火状态下，将烟气中排烟氧含量由5%降低到3%，加热炉排烟损失降低2%。

2.2.3 炉膛压力控制及烟气排放

炉内压力是否控制或控制的好坏决定了炉内温度是否均匀和热效率的高低［7］。改造后在炉膛顶部增设1个微差压变送器。在原有炉顶烟气出口新增3个烟气调节阀，实现烟气排放跟随炉压自动控制。烟阀开启度由信号控制电动执行器调节。

原有炉由于采用的是明火加热，为提高烟气排出时的热效率，在烟管上设高温电动调节烟阀。此烟阀与炉内取压装置、微差压变送器、PLC组成炉压自控系统，可随着供热量的变化自动控制和调节炉内压力；在炉膛后部底面附近设置测压点，经过导压管（≥5 m）、圆筒形缓冲罐后进入微差压变送器，使炉内底面炉内压力控制在最佳值，即保证了炉内热气流充分利用，又确保炉外冷空气不会吸入，达到节约能源及均匀炉温的效果。

2.3 温控系统

保留每个区顶部原来的控温电偶，可作为超温报警用，每个区左右炉壁新增2只电偶作为控温电偶。热电偶信号经补偿导线送给PLC温控模块，每区分2个控制燃烧单元，每个控制燃烧单元的控温分别由左右炉壁电偶控制。由上位机给出设定温度，经温度闭环PID控制，达到炉气温度设定值。

2.4 能源介质的安全监控

在燃气和空气管道上配置相应的传感器和切断阀，当能源介质供应异常时报警。若可能危及人身、设备安全时，控制系统将自动处理到安全状态。

加热炉共分为3个加热区。根据每个加热区温度的设定值，空气和燃气流量经过比例系数控制器输出，按照双交叉限幅控制理论进行调节，不论温度调节多么频繁，总能保持空燃比稳定在适当的范围内，保证燃气完全燃烧［8］。

3 改造成效

改造后，大火燃烧时，燃烧后烟气中CO含量控制在0左右，烟气中氧含量控制在3%左右，节能系统在之前能耗的基础上减少天然气消耗约9.6%，年天然气节约量为39 500 m3；小火状态下，燃烧后烟气中CO含量控制在0左右，烟气中氧含量控制在3%（可调）左右，节能系统在之前能耗的基础上减少天然气消耗约19.7%，年天然气节约量为48 000 m3。综合下来，天然气年节能量为87 500 m3，按天然气价格1.83元/m3计算，年节能效益约为16万元。