摘要 对25t倾动式圆形炉的结构和主要特点作了简要介绍。着重介绍了具有高效、节能、低污染等特性的新型蓄热烧嘴的结构、工作原理和在熔铝炉上的应用情况及节能效果。
关键词 蓄热燃烧器圆形熔铝炉高温空气燃烧NOx排放量
Application of Heat Accumulation Burner in Modern
Aluminium Melting Furnace
He Yongdong
(Huanggang Aluminium Co.，Ltd.，Huanggang，436218，China)
Abstract The constructions and main specifics of 25 t circular furnace are briefly introduced. The constructions，work principles，applications and energies saving of new heat accumulation burner are emphasized.The burner is of fine efficacy，energy saving and little contamination.
Keywords heat accumulation burner；circularaluminiummeltingfurnace；burning with high temperature air；NOx emission
近20年来，经过热工工作者的试验研究，熔铝炉的燃烧控制技术和余热回收技术取得了突破性的进步。以RCB、1150、HRS蓄热烧嘴为代表的新型燃烧装置，在提高生产率、降低燃耗和污染物的排放量方面取得了很大的成功。本文以25t顶装料圆形炉为例，对新型RCB蓄热烧嘴的结构特点、使用性能和经济效益作简要介绍。
1 25t圆形炉的结构与技术性能
1.1 圆形炉的结构与性能
25t倾动式熔铝炉由圆形炉本体、可开启的球缺形炉盖、启盖机、炉底倾动机构、蓄热式燃烧器系统、烧嘴供风和引射风系统组成，见图1。
图1 25 t 倾动式圆形炉示意图
1.2 圆形炉的主要特点
圆形炉的烧嘴按炉子中心圆的切线方向向下倾斜10°安装，使火焰直冲熔池，炉膛内形适于气流循环，无火焰死角，以保证对流加热效果好。顶开盖可实现快速装料，每炉装料时间为15～20min，降低劳动强度。倾动式缩短了转注操作时间，减少了熔体温度损失。圆形炉具有较小的比表面积，与矩形炉相比可降低侧部蓄热散热损失20%。
蓄热式烧嘴是成对配置的高速烧嘴，25t圆形炉采用5套型号为RCB的蓄热烧嘴，单只烧嘴的供热能力为2.508GJ/h，火焰喷速快且周期换向，有利于炉气循环。
圆形炉采用钢结构框架，全耐火纤维喷涂的炉盖结构。炉盖底圆直径6233mm，弦高760mm，耐火纤维的总厚度为300mm，其中普铝层厚度为120mm，高铝层厚度为180mm。耐火纤维喷涂技术适于形状复杂、异型部位的炉衬施工，具有施工速度快，筑炉劳动强度低，炉盖重量轻，蓄热少，升温快的优点。
RCB蓄热烧嘴安装有自动点火和火焰监测装置，当主燃烧器被点燃后，点火烧嘴可以自动关闭。烧嘴内衬为耐火材料，腐蚀介质对烧嘴和排烟器的使用寿命无不良影响。与普通自身预热烧嘴熔铝炉相比，可省去烟囱和付烟道，大大简化炉体结构。
2 蓄热烧嘴的结构与工作原理
2.1 结构与原理
蓄热式烧嘴与蓄热式炉相比，具有结构紧凑、换向时间短、排烟温度低、热回收率高和预热温度波动小的优点，结构参数见图2。蓄热烧嘴一般包括相同的两个燃烧器本体、两个体积紧凑的蓄热室、一套换向阀门系统和相配套的控制系统。两个蓄热室分别处于蓄热（流过烟气）或预热（流过空气）工作状态，通过换向装置使烟气和空气交替流过每个蓄热室。图3为蓄热烧嘴在一个加热周期内的工作情况。前半个周期，燃料和助燃空气由1号烧嘴通入，1号烧嘴喷出的高速高温火焰对炉料进行加热熔化；与之配套的2号烧嘴在引射风的抽力作用下抽取炉内烟气，并对2号蓄热室内的蓄热体进行加热。由于蓄热体油的比表面积大，蓄热能力强，导热性能和传热性能极佳，透热深度小，蓄热体在很短的时间内即能达到热饱和状态，对减小预热温度的波动，缩短换向时间，降低蓄热体尺寸有利。在后半个周期，换向装置将烟气和助燃风的流向切换过来。这时，1号烧嘴吸烟，2号烧嘴则处于燃烧状态。冷风经2号蓄热室被预热至高温并送往2号嘴参与燃烧过程，蓄热体逐渐被冷却降温；与此同时，1号烧嘴抽取炉内烟气对1号蓄热体进行加热，由蓄热室排出的烟气温度在150～180℃之间，低温烟气通过排烟器排空。如此反复循环，维持燃烧过程。
1-换向装置；2-1#烧嘴；3-蓄热体；4-2#烧嘴；5-炉体
2蓄热式烧嘴示意图
图3 蓄热式燃烧器工作原理图
2.2 蓄热烧嘴与间壁烧嘴的比较
蓄热烧嘴和间壁烧嘴都是自身预热烧嘴，后者的余热回收原理与换热器的相同，烧嘴一般为单体结构，单只烧嘴连续工作[1]。前者的余热回收原理则与蓄热室式炉相近，烧嘴和蓄热室都是成对出现的，两只烧嘴交替进行吸烟和燃烧喷火状态。
从使用效果看，间壁烧嘴余热回收率不超过45%；蓄热烧嘴余热回收率可达到90%，见表1。间壁式烧嘴在简化炉体结构方面有较好的效果，但烟气排放量大，NOx的排放量多；蓄热烧嘴在简化炉体结构的同时还可缩小炉体尺寸。新一代蓄热烧嘴因采用了烟气强循环再生燃烧技术和高温空气燃烧技术，NOx的排放量仅为传统燃烧技术的10%，烟气排放量可减少30%[1，2]。
表1间壁式与蓄热式自身预热燃烧器比较[2]
| |
间壁式烧嘴 |
蓄热式烧嘴 |
| 工作原理 |
热交换装置为不换向的换热器，连续工况 |
热交换装置为需换向的蓄热室，周期工况 |
| 空气预热温度/℃ |
480～600 |
较炉温低80～150℃，一般可将空气预热到960～1080℃ |
| 排烟温度/℃ |
>700 |
150～180 |
| 使用寿命/a |
3～5 |
>10 |
| 余热回收率/% |
40～45 |
≈90 |
|
2.3 蓄热燃烧器的特点
蓄热燃烧器可以将空气预热到1000℃左右，与炉温仅相差80～150℃；烟气排放温度可低于200℃。与采用冷风相比（不回收烟气余热），RCB燃烧器的燃料节约率可高达60%～65%[3]，由于采用了烟气强循环再生燃烧技术，其NOx的排放量很少。同时由于采用了高余热回收率技术，空气消耗系数由1.0增大到1.5时，熔铝炉的单位燃耗和炉子的热效率变化不大。
RCB烧嘴的另一个优点是可以采用低氧燃烧技术。燃料的实际理论燃烧温度公式为：
式中：QyDw—燃料的低位发热，kJ/kg；
Q空气、Q燃料—预热燃料和助燃空气带入炉内的物理热，kJ/kg；
Vn—空气消耗系数为n的情况下，燃—料燃烧时的产物生成气量，m3/kg；
Cy燃烧生成气的平均比热容，kJ/(m3.℃）
由（1）式可知，随助燃空气温度的升高，Q空气增大，燃烧温度升高；当空气温度预热到1000℃以上时，如果仍按常规燃烧技术的标准供入氧气，炉温就会超过铝熔炼工艺允许的温度，甚至超过耐火材料的容许使用温度[4]。往助燃空气中通入不参加燃烧反应的烟气，使助燃空气中的氧含量降低，通入燃料量减少，因VnCy增大，燃烧温度随之降低。控制通入的烟气量，可以将炉温控制在铝熔炼工艺允许的范围内。
排放的NOx是引发酸雨和光化学烟雾的重要原因，对环境造成极大的破坏。RCB烧嘴抽取炉内烟气掺入助燃空气中，降低了助燃空气中的N2、O2浓度，降低了燃料燃烧温度，由于消除了局部高温区，NOx的生成量大幅度降低，实际NOx的排放量仅为普通蓄热烧嘴的10%。
RCB蓄热式自身预热烧嘴将很高温度（达1000℃左右）的助燃空气喷射入炉膛，超过了燃料的自燃温度，无需火焰稳定机制即能保证稳定燃烧，火焰在均匀高温激发的反应中生成，炉温的均匀性不受传统火焰的形状、火焰长度、火焰的刚性及铺展性的影响，整个炉膛的温度梯度很小，燃烧噪音极低。
RCB燃烧器属于高效、节能、低污染、高效益的新型燃烧装置，在日本被誉为是21世纪的关键技术之一，具有其它型式燃烧器不可比拟的优点，带来极好的经济和社会收益。
3 蓄热烧嘴的应用情况与节能效果
25t圆形炉采用5套RCB蓄热烧嘴，每套烧嘴的燃油能力为60kg/h，0#柴油的低热值为QyDw=43410kJ/kg，铝装炉量为25t/炉，熔炼一炉工业纯铝的时间为 =3.1h；而采用普通烧嘴的燃油单耗为B'=80kg/t。熔铝炉采用喷射排烟技术，喷射风与助燃风各用一台风机，风机的风压为7000Pa，烧嘴换向周期为60～90s。
则熔炼每吨铝的实际燃油消耗量为：
因此，采用RCB烧嘴时的燃料节约率为：
 (2)式中：B'—未采用蓄热烧嘴时熔炼吨铝的燃料单耗，kg/t；
B—采用RCB烧嘴时的燃料单耗，kg/t。
将B=37.2B'=80代入（2）式，得η节=53.5%。
从热平衡分析可知，采用RCB烧嘴的燃料节约率与炉子砌体的蓄热量、炉体的表面散热损失有关。因为烧嘴是通过烟气回收余热的，炉体的蓄热量减小，表面散热损失越少，则排烟余热量越大，燃料节约率就越高。
RCB蓄热烧嘴不适于在带熔炼前室的熔铝炉、双向熔炼炉和利用烟气余热预热炉料的竖式熔铝炉上安装使用。在这些炉型中，烧嘴吸烟都将减弱烟气对炉料的预热作用，形成烧嘴与预热段争热量的局面。对于不设烟囱、烟道，不安装换热器，不利用烟气余热预热炉料的室式熔铝炉（在中小型企业中十分普遍），如能将熔池上部炉墙改成热惰性小的高强轻质耐火材料，炉顶采用纤维喷涂料结构，并安装余热回收率几乎接近理论值的RCB高速蓄热烧嘴，即能在熔铝炉上实现高炉温、高火焰喷出速度、高烟温、高余热回收率和低惰性的四高一低的操作技术。能有效强化炉内热交换过程，提高熔炼生产率，大幅度降低燃料消耗，并可节约现场面积，收到理想的综合经济效果。
作者简介：贺永东，男，1966年生，高级工程师。
作者单位：湖北黄冈铝业有限公司 湖北省黄冈市 436218
参考文献
1 周怀春，盛锋等。高温空气燃烧技术。工业炉。1998，(1):19～27
2 张先棹，尹丹模。自身预热燃烧器与燃料工业炉创新。工业加热，1997，(2):20
3 郭伯伟，张者一。蓄热燃烧器在现代工业炉上的应用。工业加热，1998，(5):14
4 王秉铨主编。工业炉设计手册。北京：机械工业出版社，1996.20～21 | |
