鋁合金鑄錠燃氣加熱爐綜合改造與可行性分析

張 亢，范晶君

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

鋁合金鑄錠加熱爐是鋁加工重要熱處理設備。鋁及鋁合金鑄錠用料車送入爐內，通過加熱后達到軋機軋制溫度，從而改變鋁錠原有的組織狀態，達到滿足軋制工藝的性能要求［1］。加熱爐溫控系統異常會導致鑄錠加熱不均勻，影響產品的力學性能，致使鋁錠在后續軋制中因軋機受力不均不僅會引起自控系統報警，而且對軋機結構也造成較大損害。溫控系統若出現嚴重故障，還會導致鑄錠過燒現象，鑄錠合金過燒后，低熔點共晶在晶界上和基體內復熔又凝固，改變了過燒前該處組織緊密相聯的狀態，對鋁合金的力學性能、疲勞和腐蝕性能等產生嚴重影響，造成產品報廢。因此加熱爐溫度控制系統的正常運行對整個加熱爐來說至關重要［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%。這部分熱量通過煙囪排放至大氣，不但浪費能源，也會對大氣造成熱污染。在經濟高速發展的今天，能源危機和環境污染問題越來越突出，有效利用煙氣余熱對提高加熱爐能量利用效率、降低能耗有重大意義［3］。

某廠生產線的加熱爐使用天燃氣對鑄錠進行加熱，其額定加熱負載為180 t，工作溫度為400~550℃，是能耗較大的設備。從2009年鑄錠加熱爐安裝生產至今，經過多年的使用以及設計上的不足等原因，現在這臺熱處理設備已不能滿足工廠對某些板材生產的溫度控制；另外該爐在最初未進行余熱回收等節能措施的設計，造成了大量的能源浪費。為此決定對該加熱爐進行綜合改造。

1 加熱爐現狀分析

經過系統地對加熱爐進行檢測分析，確定加熱爐主要存在如下問題：

（1）爐溫控制精度差。只有通過人工干預停止部分燒嘴來控制超調，不但可靠性非常差，而且會造成各個區燒嘴的負荷輸出不均勻，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16.7%，CO含量達8 mg/L。大量冷空氣加熱后被排出，熱能浪費嚴重。

（3）沒有爐壓調節控制系統。爐膛壓力不穩且為負壓狀態，導致鑄錠加熱時間延長，增大能耗。

（4）排煙溫度很高（350~400℃），未能進行回收利用，造成大量浪費。

（5）沒有可燃氣體泄漏檢測等安全保護功能，使用時存在安全隱患。

圖1為該加熱爐原燃燒系統工作示意圖。

圖1 加熱爐原燃燒系統

2 改造方案及可行性分析

針對該加熱爐的現狀分析，主要從以下幾個方面來進行改造。

2.1 煙氣余熱回收

針對兩臺加熱爐排煙溫度較高、未進行余熱回收的實際情況，對煙氣余熱進行回收。先把低溫助燃空氣通過助燃風機送入經高溫煙氣加熱的換熱器內預熱，使助燃空氣達到約250℃后，再送入加熱爐燒嘴進行助燃，以提高進入爐內助燃空氣的溫度，從而減少燃氣消耗和爐內溫度的波動。

具體工藝方案為：在加熱爐排煙道上加裝旁路蝶閥，并新增旁路煙道進入新增空氣預熱器。在空氣預熱器后新增變頻引風機，以克服系統阻力；同時在排煙口設置微差壓傳感器，監測爐膛出來的壓力，實時指導引風機變頻運行。助燃風機采用變頻控制，根據助燃風量計算。

每臺爐子的排煙口匯總管上設置一臺高效管式空氣換熱器，通過高溫煙氣與空氣的熱交換，將燃燒空氣預熱至250℃左右。冷空氣自上而下，與高溫煙氣熱交換后，分兩路輸送至爐體兩側的燃燒器內。

圖2為加熱爐余熱回收系統原理示意圖。

圖2 余熱回收系統原理示意圖

燃料的熱利用率與燃料的熱量計溫度、出爐煙氣溫度、不完全燃燒程度、空氣過剩系數和煤氣及空氣的預熱溫度等因素有關［4］。燃氣為常溫狀態，其攜帶的物理熱與化學熱比起來太小，可以忽略不計。

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

由以上公式計算得出，單位流量天然氣余熱回收后，預熱空氣至250℃后燃料節約率η為11.6%。

2.2 燃燒系統升級

加熱爐溫控系統和燃燒系統的安全、高效運行直接受制于溫控系統的精確控制，以及燃燒系統的調節方式、運行方式以及控制邏輯。鑒于目前加熱爐溫控系統和燃燒系統的現狀，通過對加熱爐溫度控制系統、燃燒控制系統、燃燒系統的負荷調節方式及控制邏輯、燃燒系統空燃比調控方式進行科學管理和控制，可實現對爐溫、燃燒負荷的實時調節，這樣不但可以解決該加熱爐現存燃燒控制不好而導致的煙氣氧含量過大、CO含量偏高、大量冷空氣被加熱（350~400℃）再排出等能源浪費的問題，降低燃氣損耗，保證燃燒系統高效、安全的運行，同時還可以提高控制精度，滿足對特殊板材生產工藝的要求。

2.2.1 燃燒點火控制系統升級

保留燒嘴和燒嘴點火控制系統，取消現有的手動點火控制方式，更改為自動點火，并將自動點火控制流程加入燃燒負荷控制系統，與負荷調節匹配。

2.2.2 燃燒系統改造方案

原加熱爐為3區控制，每區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通過不需要燃燒的燒嘴吹入爐膛，降低爐溫，浪費燃氣。

改造后重新布置燃氣及助燃空氣管道。在每個燃氣支道上分別設置1個流量孔板、差壓變送器、單座調節閥、2個電磁切斷閥、1個手動調節閥和1個手動球閥；在每個助燃空氣支管上新增1個孔板、1個差壓變送器、1個電動調節蝶閥、1個手動調節閥、波紋補償器；每只燒嘴加裝1只空氣蝶閥，每只燒嘴配1臺燒嘴控制器以實現單控的目的。

圖3為加熱爐燃燒系統升級原理圖。

圖3 燃燒系統升級原理圖

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

在燒嘴前的管道上配有空燃比例閥、電動熱風閥，能實現天然氣、助燃熱空氣比例供給，使空氣過剩系數控制在1.1以下。燒嘴燃燒能力調節比可達1∶10，空氣系數范圍1～5。因此，可根據工藝要求對不同溫度段爐溫的均勻性實施有效調節，以滿足爐子多種熱工制度，并能有效地控制空燃比，在完全燃燒的同時節省天然氣［5］。

燃燒空燃比調節裝置節能率按照鍋爐排煙熱損失計算公式計算如下［6］:

式中m，n為計算系數；q4為物理不完全燃燒損失；αpy為排煙處過量空氣系數；tpy為排煙溫度，℃；t0為基準溫度或環境溫度，℃。

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

小火狀態下，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

爐內壓力是否控制或控制的好壞決定了爐內溫度是否均勻和熱效率的高低［7］。改造后在爐膛頂部增設1個微差壓變送器。在原有爐頂煙氣出口新增3個煙氣調節閥，實現煙氣排放跟隨爐壓自動控制。煙閥開啟度由信號控制電動執行器調節。

原有爐由于采用的是明火加熱，為提高煙氣排出時的熱效率，在煙管上設高溫電動調節煙閥。此煙閥與爐內取壓裝置、微差壓變送器、PLC組成爐壓自控系統，可隨著供熱量的變化自動控制和調節爐內壓力；在爐膛后部底面附近設置測壓點，經過導壓管（≥5 m）、圓筒形緩沖罐后進入微差壓變送器，使爐內底面爐內壓力控制在最佳值，即保證了爐內熱氣流充分利用，又確保爐外冷空氣不會吸入，達到節約能源及均勻爐溫的效果。

2.3 溫控系統

保留每個區頂部原來的控溫電偶，可作為超溫報警用，每個區左右爐壁新增2只電偶作為控溫電偶。熱電偶信號經補償導線送給PLC溫控模塊，每區分2個控制燃燒單元，每個控制燃燒單元的控溫分別由左右爐壁電偶控制。由上位機給出設定溫度，經溫度閉環PID控制，達到爐氣溫度設定值。

2.4 能源介質的安全監控

在燃氣和空氣管道上配置相應的傳感器和切斷閥，當能源介質供應異常時報警。若可能危及人身、設備安全時，控制系統將自動處理到安全狀態。

加熱爐共分為3個加熱區。根據每個加熱區溫度的設定值，空氣和燃氣流量經過比例系數控制器輸出，按照雙交叉限幅控制理論進行調節，不論溫度調節多么頻繁，總能保持空燃比穩定在適當的范圍內，保證燃氣完全燃燒［8］。

3 改造成效

改造后，大火燃燒時，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，節能系統在之前能耗的基礎上減少天然氣消耗約9.6%，年天然氣節約量為39 500 m3；小火狀態下，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）左右，節能系統在之前能耗的基礎上減少天然氣消耗約19.7%，年天然氣節約量為48 000 m3。綜合下來，天然氣年節能量為87 500 m3，按天然氣價格1.83元/m3計算，年節能效益約為16萬元。

4 結論

綜上所述，該加熱爐進行綜合節能改造后，有效地解決了之前由于燃燒控制不好而導致的煙氣氧含量過大、CO含量偏高、大量冷空氣被加熱再排出等能源浪費的問題；同時還可以根據工藝要求對不同溫度段爐溫的均勻性實施有效調節，提高了控制精度，滿足了對特殊板材生產工藝及爐子多種熱工制度的要求。