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蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析

文档作者：桂冠冠陈镇江文档来源：湖北君邦环境技术有限责任公司		点击数：	更新时间： 2024年06月14日
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上一篇：用活性氧化铝去除饮水中氟的工程化试验研究

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·24· 有色冶金节能口设备节能
万夺+孛’孛’÷’卡‘夺‘夺‘夺‘&amp;amp;
2设备节能；
‘强．争．争．争．争．争．争．争．争∥
蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析
桂冠冠陈镇江
(湖北君邦环境技术有限责任公司，湖北武汉430000)
[摘要] 详细分析了某蓄热式铝熔炼炉理论热平衡，了解了整个熔炉系统的各项热损失，为提高铝熔炼炉能源
利用率、减少热损失提出了工艺操作和设备结构方面的改进建议。
[关键词】蓄热式燃烧；铝熔炼炉；理论热平衡；热损失
[中图分类号】TF821．06 [文献标志码]B [文章编号]1008—5122(2017)01—0024—04
Theoretical Thermal Equilibrium Calculation and Energy
Saving Analysis of Regenerative Aluminum Smelting Furnace
GUI Guan·guan，CHEN Zhen—jiang
Abstract：In this paper，the theoretical thermal equilibrium of a regenerative aluminum smelting furnace
is analyzed in detail，and the heat loss of the whole furnace system is listed out．The suggestion of process
operation and equipment structure is put forward to improve the energy utilization rate and reduce the heat
loss of the aluminum smelting furnace．
Key words：regenerative combustion；aluminum smelting furnace；theoretical thermal equilibrium；heat
1nss
某铝液直供项目采用的铝熔炼炉为反射炉，采
用的燃料为天然气。通过对该项目采用的蓄热式铝
熔炼炉进行理论热平衡计算，了解整个熔炉系统的
各项热损失，找出节能途径，为提高铝熔炼炉能源利
用率提出工艺操作和设备结构方面的改进建议。
1设备与工艺简介
该项目选用矩形倾动式熔炼炉，容量为18 t。
将经分选过的回炉铝材通过自动加料机投入炉内熔
化。铝液温度控制在720℃左右，熔炼时间为5 h
左右。选择反射炉是因为反射炉能够保持炉内的还
原性气氛，减少合金的吸气和氧化作用。
[收稿日期]2016—12一05
[作者简介]桂冠冠(1987一)，男，湖北天门人，硕士，
助理工程师，研究方向为工程热物理，现从事节能评估工作。
2熔炼炉系统热平衡计算
2．1 铝液熔化吸热量及铝液烧损放热量
熔炼炉额定容量为18 t，实际人炉料按16 t计
算，则熔炼炉物料平衡见表1。
表1熔炼炉物料平衡单位：kg／炉
注：以生产产品AISi9cu，为例，铝原料根据各组分比例添入，铝灰生
成量取3％(资料数据)。铝液为进入合金化炉的部分，铝灰为铝液烧损
及残留在熔炉内的部分。假定物料是一次性全部装入熔炉。
为了简化计算，铝原料(纯铝锭、回收铝锭、回
收料)的固态比热容均按下式计算：C：=a+bt，其中
a=0．94，b=2．96×10。3(固态铝比热容公式)⋯；
根据相关资料铝原料熔化温度取660℃，溶解热为
万方数据
2017年2月第1期蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析——桂冠冠陈镇江·25·
398 kJ／kg，液态比热容为1．176 kJ／kg·oC，铝原料燃
烧热为30 481 kJ／kg。熔炼炉铝液出炉温度为720
℃，铝液烧损率取0．3％忙1。
由公式：
Q=CMAt (1)
式中：Q——吸、放热量，kJ；
c——物质比热容，kJ／(kg·K)；
M——物质质量，kg；
△f——物质初、终态温度差，K。
计算得1 kg铝原料从0℃加热至20℃吸热量
为Q，=19．392 kJ／kg、1 kg铝原料从0 oC加热至660
℃吸热量为Q：=1 265．088 kJ／kg。
则铝原料带入热量为Q，=16 000 kg Z 19．392
kJ／kg=310 272 kJ／炉。
铝液带出热量Q。=15 520 kg Z[1 265．088 kJ／kg+
398 kJ／kg+1．176 kJ／kg·℃Z(720—660)℃]=
26 906 216．96 kJ／炉。
铝灰带出热量Q：=480 kg Z[1 265．088 kJ／kg
+398 kJ／kg+1．176 kJ／kg·oC X(720—660)oC]=
832 151．04 kJ／炉。
铝液熔化吸热量Qz吸=26 906 216．96+
832 151．04—310 272=27 428 096 kJ／炉。
铝液烧损放热量Q馓=16 000 kg／炉Z0．3％Z
30481 kJ／kg=1 463 088 kJ／炉。
2．2炉体表面散热量
炉体表面散热量按公式(2)计算"1：
Q散={艇【(等≯)4一(三等)4]+
理d(t6一t。)}A (2)
式中：Q散——炉体表面的散热量，kJ／h；
K——系数，根据经验取4．88 kJ／(m2·h·℃4)
E——炉体表面黑度，取0．8；
f。——炉体外表面平均温度，取80℃。
(GBTl5319--94火焰加热炉节能监测
方法中规定的火焰加热炉炉体外表面
最高温度合格指标)
te——车间环境温度，20 oC；
a。——炉体外表面与车间环境的对流换热系
数，kJ／(m2·h·oC)；
A——炉体外表面积，为50 m2。
车间内风速觋=0．6 m／s，则％可按式(3)计算旧1：
otd=4．2 X(5．3+3．6形，)=
4．2 Z(5．3+3．6 Z 0．6)=31．33 kJ／(in2·h·oC)
(3)
计算得Q=109 941．22 kJ／h，熔炉熔炼时间为5小
时，则Q散=549 706．09 kJ／炉
2．3排烟损失
天然气燃烧反应化学方程式如下：
CH4+202=C02+2H20
C2H6+3．502=2C02+3H20
C3H8+502=3C02+4H20
由以上化学方程式可知，1 kgCH。燃烧需消耗
0：约4 kg，生成CO：2．75 kg，生成水2．25 kg；1 kg
c：H6燃烧需消耗0：约3．73 kg，生成C022．93 kg，生
成水1．8 kg；1 kgC，H8燃烧需消耗02约3．64 kg，生
成CO：3 kg，生成水1．64 kg。1 in3天然气组分及物
性见表2，1 m3天然气完全燃烧各组分质量如表3，
各组分物性见表4。
表2 1 m3天然气成分及物性
注：在混合气体中，每组分气体所处的状态由(P；，V，’11)确定，天
然气相对压力为2 kPa，根据燃气各组分体积分数计算各组分分压
力，根据分压力、环境温度(20℃)查询燃气各组分密度，从而计算各
组分质量，干燃气含湿量取0．002(kg／m3干燃气)。
由物质吸热、放热公式：
Q=C。M(t：一f，) (4)
式中：Q——吸、放热量，kJ；
c。——物质定性温度下定压比热容，kJ／(kg·K)；
M——物质质量，kg；
(t：一t，)——物质初、终态温度差，K。
则天然气带入热、空气带入热、烟气带走热见表
5。(天然气、空气初始温度为20℃，排烟温度为
180℃，以0℃为基准)。
由表3可知，1 In3天然气完全燃烧生成烟气质量
为14．26 kg，若产生的烟气经蓄热体降温至180℃排
放，则排烟带走的热量为2 907．79 kJ(表5)，实际情况
会有烟气从炉门逸出，设本项目熔炼炉经蓄热体降温
后排放的烟气质量为X(kg／炉)，则排烟带走净热量为：
Q排=X÷14．26 X(2 907．79—277．46—
30．75)=182．299X
万方数据
．26． 有色冶金节能口设备节能
表3 1 in3天然气完全燃烧各组分质量
物质质ilkg 物质理论质量／kg 实际质；量／kg 物质质量／kg
天然气0．713 空气12．31 13．55 烟气14．26
组分
甲烷
乙烷
丙烷
水蒸汽
0．654
0．038
0．019
0．002
氧气2．83 3．11 二氧化碳1．97
氮气9．31 10．24 反应生成水蒸汽1．57
水蒸汽0．18 0．20 原始水蒸汽0．20
氧气0．28
氮气10，24
注：过剩空气系数取1．1，干空气含湿量为0．014 9(kg／kg干空气)；当燃烧温度低于1 500℃时，氮氧化物生成量极少，蓄热式铝熔炼炉内
最高温度为1 200℃左右‘“，故忽略烟气中的氮氧化物。
表4各组分物性
注：烟气压强按近似大气压计算，根据各组分体积比计算各组分
分压力，定性温度取初终态平均温度，根据压强，温度，查询各组分定
压比热容；以0℃为基准，排烟温度取180℃(蓄热式燃烧技术行业
准入排烟温度)。
表5 1 in3天然气完全燃烧热量分析
kJ／m3一天然气
2．4炉门开启散热量
炉门开启逸气量按式(5)计算：
q，。=iBHtt”2 (5) 式中：扣系数，根据经验取值1997；
曰——炉门宽度，2 m；
日——炉门高度，1 m。
计算得g。。=3 994 m3／h
炉门处逸气温度约为700℃，根据烟气各组分
体积比计算各组分分压力，根据分压力、温度查询各
组分密度，根据压力、定性温度查询各组分定压比热
容，计算逸气带出热量(基准温度0℃)。烟气成分
体积比见表6，逸气组分及带走热量计算见表7。
表6烟气成分体积EE
注：根据天燃气完全燃烧反应方程式得出。
由表7可知炉门逸气量为1 405．89 kg／h，每小时带
走热量1 25I 230．095 kJ／h(相对于基准温度0℃)，由
表3、表5可知生成质量为14．26 kg的烟气对应的
天然气、空气质量分别为0．713 kg、13．55 kg，带入的
初始热量(相对于基准温度0℃)分别为30．75 kJ、
277．46 kJ，铝熔炼炉炉门开启时间约为1．5 h／炉，则
表7逸气组分及带走热量计算
组分体积／m，．h—t 密度／kg。m一， 质量／b·h一1
比热容(定．(性Cp温)／度kJ3．5(。kg℃,K))～
带走热量／kJ·h—l
二氧化碳0．11 439．34 1．088 334601—344
水蒸汽0．07 279．58 2．034 398 066 004
毒f鲁
3 994
．004 15．98 ．01 ‘‘292．7950004 15 1 01 11 292／ 售每 ．
．
氮气0．168 670．99 1．08 507 269·952
——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一
合计1 405．89 1 251 230·095
万方数据
2017年2月第1期蓄热式铝熔炼炉理论热平衡计算及节能分析——桂冠冠陈镇江·27·
炉门开启逸气散热量(相对于环境温度20℃)q逸=
[1 251 230．095—1 405．89÷14．26×(30．75+
277．46)]×1．5=1 831 261．206 kJ／炉。
2．5其它热损失
根据相关资料文献数据，取其它热损失(冷风
保护冷却等)占燃料燃烧放热量比值a=4％H1。
2．6天然气耗量计算
设熔炼炉每炉天然气耗量为Y(m3／炉)则生成
的理论烟气量为14．26Y kg，根据热平衡有如下平衡
公式，天然气燃烧放热量q樾为：
Q燃=Q蹶+Q散+Q逸+Q排+dQ燃一Q墩(6)
天然气燃烧热值取35 544 kJ／m3，由式(6)可
得：
35 544Y=27 428 096+549 706．09+1 831 261．206+
182．299X+35 544Y×4％一1 463 088 (7)
根据烟气质量守恒有：
X+1 405．89×1．5=14．26Y (8)
解方程(7)、(8)得X=10 538．69，Y=887．03
3熔炼炉理论热平衡
根据熔炼炉每炉天然气耗量算出理论空气量、
烟气量。本项目熔炼炉理论热平衡见表8。
表8熔炉理论热平衡kJ／炉
热收人占比热支出占比
铝原料带人热3lO 272．oo o．92％ 铝液带走热26 906 216．96 80．14％
燃烧反应生成热31 528 540．14 93．90％ 铝灰带走热832 151．04 2．48％
铝液烧损生成热1 463 088．oo 4．36％ 排烟气带走热2 149 224．69 6．40％
空气带人热246 113．48 o．73％ 炉体表面散热量549 706．09 1．64％
天然气带入热27 271．91 o．08％ 炉门开启逸气散热量1 876 845．14 5．59％
其它损失1 261 141．61 3．76％
合计33 575 285．53 lOO．00％ 33 575 285．54 lOO．oo％
注：以o℃作为基准[“。
4结果分析与节能建议
由熔炼炉的理论热平衡计算可知，在天燃气完
全燃烧的理想情况下蓄热式铝熔炼炉的理论全炉热
效率可达80．14％，而目前国内铝熔炼炉热效率普遍
在40％左右，还有很大的节能空间，结合该铝液直供项
目铝熔炼炉的理论热平衡计算提出以下节能建议：
(1)优化燃料的燃烧过程，尽量减少燃料的不
完全燃烧损失。燃料的不完全燃烧既会造成燃料的
化学热损失，还会带走炉内的部分物理热量。
(2)排烟损失与排烟温度紧密相关，建议进一
步改良烧嘴蓄热体蓄热性能，尽量降低排烟温度
(接近烟气露点温度)。
(3)炉门开启散热量主要与从炉门逸出的烟气
量有关，而炉门逸出的烟气量与炉内压力及炉门开
启时间有关。建议一方面尽量减少炉门的开启时
间，另一方面采用燃烧器不成对配置方式，少烧多
排，加大排烟通道面积并配合采用变频风机，维持炉
内较低的烟气压力。
(4)建议优化筑炉材料，采用新型节能炉衬材
料，优化炉衬结构，减少炉衬的蓄热与炉体散热。
(5)减少保护冷风量，建议保护风机采用小风
量、高风压与变频控制，减小运行时的冷风量，继而
减少因冷风鼓入的降温，降低能耗。
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