蓄热式燃烧技术在熔铝炉使用过程中的优缺点
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摘要：简要介绍了熔铝炉的工艺过程，蓄热燃烧技术的原理以及其在熔铝炉上的应用进行了分析探讨，并提出蓄热式燃烧技术在熔铝炉使用过程中的优缺点。
关键词：熔铝炉；蓄热式燃烧技术；优缺点
一、熔铝炉的工艺过程描述
熔铝炉用高效节能的蓄热式烧嘴，使铝及铝合金迅速熔化。固体料熔化之后，将按工艺要求进行配料，然后采用电磁搅拌器对液态铝进行有效、充分的搅拌，以使铝液温度、成分更均匀。熔炼期间也可进行电磁搅拌，可以提高炉子的熔化率。在铝液的成分和温度都符合工艺需求之后，铝水通过转注流槽注入保温炉内，进行精炼、扒渣、静置、调温。铝熔体温度符合铸造工艺要求而且铸造机已达到待铸状态，铝熔体通过流口、流槽流经在线除气、过滤装置后，进行铸造。
二、蓄热燃烧技术的原理
蓄热式烧嘴集燃烧器和蓄热式热交换器于一体，一般采取成对设置，二者交替变换燃烧和排烟工作状态，烧嘴内的蓄热体相应变换放热和吸热状态。成对烧嘴分设于炉膛的A侧和B侧，当B侧烧嘴燃烧时，空气流经积蓄了热量的蓄热体而被加热。与此同时，A侧烧嘴排烟，烟气热量被蓄热体吸收。换向工作后，A侧烧嘴燃烧，空气同样被蓄热体加热，B侧烧嘴排烟，烟气热量被蓄热体吸收。如此周而复始，通过蓄热体这一媒介，出炉烟气的余热被转换为空气的物理热，从而得到回收利用。通过蓄热式烧嘴，烟气排出温度可降至150℃～200℃或更低，空气可预热到1000℃以上，热回收率达到85%以上，温度效率达到90%以上。
蓄热式烧嘴的烟气排出温度为150℃～200℃，基本上达到工艺允许的最低温度。工艺允许的最低排烟温度是烟气露点以上30℃～50℃，如果排烟温度低于烟气露点，烟气中含有的SO2会形成硫酸，对金属废气管道、阀门、引风机等造成腐蚀。因此，排烟温度低至150℃～200℃可以认为烟气余热得到了极限回收。在蓄热式燃烧系统的使用实例中，由于排烟温度过低，废气管道、阀门、引风机等发生腐蚀的现象已不鲜见，因此不能一味追求更低的排烟温度而不顾设备的安全。
三、蓄热式燃烧技术的优缺点
（一）采用蓄热式燃烧技术具有以下优势：
1、是炉温更加均匀。由于燃气和空气在炉膛内半预混办扩散式燃烧，肉眼观察无明显火焰，因此炉温更均匀，而且无局部高温区；由于在每一对蓄热室中都是燃烧侧和排烟侧相隔很短的时间就交替换位，因此不存在烧偏的情况，可使炉子两侧温度均匀。
2、是燃料选择范围更广。用蓄热式燃烧技术，空气预热温度可由过去的400℃～600℃提高到800℃～1100℃。由于燃料的理论燃烧温度大幅度提高，燃料的选择范围更广，特别是可燃用800×4.18kJ/m3以下的低热值燃料，如高炉煤气或其他低热值劣质燃料。
3、是可以大幅度节能。由于烟气经蓄热体后温度降低到150℃以下，将烟气的绝大部分显热传给了助燃空气，实现了烟气余热的极限回收，因此炉子燃料消耗量大幅度降低。
4、是NOx生成量更少。采用传统的节能技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOx含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度高达800℃的情况下，炉内NOx生成量反而减少。由于蓄热式燃烧是在相对的低氧状态下半预混办扩散式燃烧，没有火焰中心，因此不具备大量生成NOx的条件。烟气中NOx含量低，有利于保护环境。
5、燃烧稳定性好。由于助燃空气温度预热到燃料自燃点以上，燃料一进入炉内就能着火燃烧，提高了自身的稳定性。
6、燃烧区扩大。通过组织炉内低氧气氛燃烧，火焰体积成倍增大，炉内温度场分布更均匀，有利于被加热件的均匀受热。
7、经过蓄热室后的烟气温度较低，烟道和烟囱的内衬可以不采用耐热材料。
（二）蓄热式燃烧技术目前存在的几点不足：
目前，我国的资源和环境问题日益突出，迫切要求高能耗行业全面推行高效、清洁的燃烧技术。蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧技术，是20世纪90年代在发达国家开始推广的一项新型的燃烧技术，它具有高效烟气余热回收、空气和煤气预热温度高以及低氮氧化物排放的优越性，主要用于钢铁、冶金、机械、建材等工业部门中，并已出现迅猛发展的势头。至今我们已有了自己的一些专利，并且在国内有了相对广泛的应用，取得了相当的经济效益。
关键部件
1、蓄热体
蓄热体是高温空气燃烧技术的关键部件，其主要技术指标如下：
（1）蓄热能力：单位体积蓄热体的蓄热量要大，这样可减小蓄热室的体积，需要通过材料的比热CP来衡量。（2）换热速度：材料的导热系数λ可以反映固体内部热量传递的快慢，导热系数大可以迅速地将热量由表面传至中心，充分发挥蓄热室的能力；高温时，材料辐射率可表征气体介质与蜂窝体热交换的强弱。（3）热震稳定性：蓄热体需要在反复加热和冷却的工况下运行，在巨大温差和高频变换的作用下，很容易脆裂、破碎和变形等，导致气流通道堵塞，压力损失加大，甚至无法继续工作。（4）抗氧化和腐蚀性：有些材料在一定的温度和气氛下发生氧化和腐蚀，会堵塞气体通道，增加流通阻力。（5）压力损失：在气体通过蜂窝体通道时，会产生摩擦阻力损失，在流经两块蜂窝体交界面时因流通面积突变和各个通道之间可能发生交错而产生局部阻力损失；前者对传热有利，后者对传热是不利的，因此应尽力减少局部阻力损失来降低风机的动力消耗。（6）经济性：它是一个重要的指标，一种蜂窝体如果各种性能都好，但成本很高，推广和应用会受到限制。
2、换向阀
由于必须在一定的时间间隔内实现空气、燃气与烟气的频繁切换，换向阀也成为与余热回收率密切相关的关键部件之一。尽管经换热后的烟气温度很低，对换向阀材料无特殊要求，但必须考虑换向阀的工作寿命和可靠性。因为烟气中含有较多的微小粉尘以及频繁动作，势必对部件造成磨损，这些因素应当在选用换向阀时加以考虑。如果出现阀门密封不严、压力损失过大、体积过大、密封材料不易更换、动作速度慢等问题，会影响系统的使用性能和节能效果。
3、烧嘴
烧嘴的设计原则是不能让空气和燃气混合得太快，这样容易形成局部高温，但也不能混合得太慢，防止煤气在蓄热室出现“二次燃烧”甚至燃烧不充分。为了保证燃料在低氧气氛中燃烧，必须在设计其供给通道时，考虑燃料和空气在空间的扩散、与炉内烟气的混合和射流的角度及深度，而这些参数应根据加热装置尺寸、加热工艺要求、燃料种类、烧嘴大小、预热温度和空煤气压力等因素来确定。
蓄热式燃烧技术又被称为“高温稀薄燃烧”技术。实现这种低氧燃烧的有效途径之一是：合理的布置烧嘴的位置和数量以及各个燃烧单元的相对位置关系和换向方式，有效地组织炉膛内气流的流动，依靠预热后空气和煤气射流的高速卷吸，使炉内产生大量烟气回流。一般来说，射流的速度越大，炉内的卷吸和回流作用越强烈，就越有利于实现低氧的气氛，而这种相对很低的煤气和氧气浓度降低了平均燃烧速度，拓展了燃烧边界，形成了均匀的温度场，并降低了NOx的排放。
四、结束语
在熔铝炉设计中，燃烧器的选型及合理的布置时最重要的环节之一，多年来，高速烧嘴及换热器一直是熔铝炉的标准配置，但在实际生产中，由于熔铝炉粉尘及烟气的缘故，熔铝炉换热器总是难以解决的一个难题。近年来蓄热式烧嘴应用在熔铝炉上，改变了这个局面。通过使用这种烧嘴，熔铝炉的烟气的排放温度可降低至250℃以下，其吨铝耗量也得到了降低，但也存在一些不足的地方。目前，反对与支持之间的争论非常红火。