熔铝炉的节油、节料与少无氧化熔炼

　　摘要:论述了铝熔炼过程中节油与节料的关系。指出现代铝熔炼巨大的节能潜力,应研究并推广少无氧化熔炼技术。预热炉料的节能效果优于预热助燃空气。从烟气中回收同样数量的热量,预热炉料的节能效果是预热助燃空气的2.86倍。根据铝在不同状态时的物理、化学性能特点,采用分步强化熔炼技术辅之以罩式炉预热炉料。内热式保护气氛特深熔池熔铝炉,独特的加热、搅拌、熔体保护工艺,可取得较佳的节油、节料、提高熔体质量和生产率的综合效果。

　　1　前言

　　铝是一种能量资源,从铝土矿、氧化铝到工业纯铝需要耗费大量的电能,仅以60 kA熔炼电解铝为例,每产1 t铝需要碳素阳较560 kg,电耗16 500kW·h。在电解过程中,碳阳较起到“小电厂”的作用,它为电解工艺吨铝降低理论电耗2 920 kW·h,按该槽型能量利用率43.4%计算,相当于电耗6 729 kW·h。我国的电力资源十分短缺,以火电为主,约占75%,火电厂的热利用率约为34%,从煤到铝的能量利用率不足15%,生产成本很高,因此说,铝是一种富含二次能源的高等载能体。

　　铝电解过程中,污染物的排放相当惊人。电解铝过程排放大量的氟化物、二氧化硫、粉尘和沥青烟,不仅直接损害人体健康,对农、林、渔、牧业也造成危害。每产1 t铝,排放二氧化碳1 470 kg[2],全世界因产铝排放二氧化碳为3 513万t/a,它使大气层像玻璃温室一样,造成大气温度升高,大部分国家气候变暖。在铝熔炼过程中采用少无氧化熔炼技术实现直接节料、间接节能并减少电解烟害和温室气体排放是作者为文的初衷。

　　2　节料与节油

　　在铝熔炼过程中,节料与节油目的是一致的。节料的潜力及节能效果较直接节油大。现行熔铝炉在节能的问题上存在矛盾。这在后面的计算及本文3中都能看出。在铝的熔炼过程中,以提高熔损为代价降低燃料消耗是值得怀疑的,这在某些快速熔铝炉上表现尤为突出。看起来,快速熔铝炉排烟温度很低,炉料从烟气中回收了大量的余热。但节约的是燃料,烧掉的是可循环使用、富含二次能源的“铝”,而且收入小于支出。以熔铸-轧拉生产管材为例,熔炼烧损成本与燃料费用计算如下:

　　铝及铝合金管材生产,熔铸-轧拉综合成材率为60%。火焰炉熔炼铝的烧损率:铝锭1.35%,返回料7.82%,碎屑8.1%。本计算中,多油回炉料及碎屑烧损按7.9%选取。取生产100 t管材成品的金属烧损为A t;新金属投料量为(100+ A)t;熔铸总投料量为:100/0.6= 166.67 t。熔铸多油回炉料为:166.7-(100+ A)=(66.67- A)t。总烧损量等于新金属烧损量与返回料烧损量之和。

　　即A=(100+ A)× 1.35%+(66.7- A)× 7.9%

　　A= 6.210 2 t

　　实际熔铸的烧损率为6.210 2166.67× 高标准= 3.73%如果吨铝熔炼油耗为74.5 kg,铝锭价格为14元/kg,油价为2.3元/kg则熔炼过程的能耗成本为:166.67× 74.5× 2.3= 28 560元3.73%的金属烧损,其价值则与227 kg柴油相当。现阶段吨铝熔炼油耗为70～ 80 kg,吨铝理论油耗约为26 kg,直接节油很难取得令人满意的综合效果。在保证生产能力、冶金质量的前提下,大力开发和推广少无氧化熔炼技术,减少烧损应成为21世纪铝熔铸技术的节能方向。

　　4　预热炉料的节油效果

　　熔铝炉的废热回收一直是个难题,多倾向于采用预热助燃空气的方法回收烟气余热。预热器属于气-气热交换装置,用以回收高温烟气中的部分余热预热助燃空气,可以提高燃料的理论燃烧温度,直接提高炉温。对使用发热低的煤气高温炉来说,预热空气和煤气成为必须的前提,否则,达不到工艺所要求的温度。对以辐射传热为主的炉型来说,提高炉温有显著的意义,因为,辐射传热量与炉温的4次方成正比。

　　铝的黑度低,对辐射能的吸收能力仅相当于钢的1/4～ 1/7。熔体温度800℃ ,炉气温度1 500℃ ,火焰速度200 m/s时,对流传热量是辐射传热量的10倍以上[4]。提高炉温,对强化熔炼过程效果不明显,相反,加大了铝的烧损,增加了砌体的蓄热、散热损失,排烟温度升高,排烟热损加大,预热器的工作环境恶化,影响使用寿命。现代熔铝炉多采用高速或亚速烧嘴,中温、低残氧气氛对炉料进行冲击加热,强化对流换热过程。采用热交换器预热助燃空气,从而提高熔铝炉熔炼温度的做法,与前述的中温操作技术相矛盾。

　　烟气中的氯化物、氟化物腐蚀换热设备,堵塞气流通道,附着在热管上恶化换热效果,换热器使用寿命低,难以取得令人满意的节油效果。

　　5结论

　　(1)铝是一种高等能量资源,节料较节油具有更好的节能效果。熔损降低1%,经济效益与节约60.9 kg燃料油相当。建议研究并推广少无氧化熔炼技术,降低铝的氧化损失,实现直接节料、间接节能,可以创造巨大的经济效益和社会效益,减少温室气体的排放。

　　(2)预热炉料的节能效果优于预热助燃空气。从烟气中回收同样数量的余热,预热炉料的节能效果是预热助燃空气节能效果的2.86倍。

　　(3)根据铝在不同状态和熔炼阶段的物理化学性能特点,采用分步强化熔炼技术可将熔炼油耗、料耗降到较低限度,达到较佳的节油、节料,提高熔体质量和生产率的综合效果。

　　(4)特深熔池熔铝炉是现代宽炉膛、浅熔池巨型炉的替代炉型。其镜面积仅相当于普通巨型炉镜面积的1/2～ 1/3。独特的加热、搅拌、熔体保护工艺为21世纪熔铝炉实现少无氧化熔炼技术,节省燃料,大幅度提高生产率,提高熔体质量,降低炉子建设费用提供保证。

　　(5)现代铝熔炼技术存在这样几个问题亟待解决:①浅熔池、大镜面的炉型结构应革新。这种结构烧损大、吸气严重,砌体蓄热、散热损失大;建造费用成倍增加;②加热方式单调,只适应固态铝的升温特点,不能满足铝因物态变化导致热性能变化对加热工艺的要求;③在节能的问题上有误区,重视了节油、节电,忽略了节料。节料有较大的节能潜力和节能效果,还能减少电解铝厂的排污量;④铝熔炼过程中用能与节能是有区别的。预热炉料与预热助燃空气和熔池砌体及炉底散热与上部炉膛散热是有区别的,前者的节能效果近似于后者的1/η(为熔炼的热效率)倍。