鋁型材加工行業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)技術(shù)

    1概述

    雖然我國鋁型材產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)五年居世界首位,但鋁型材行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與美國、日本、德國、意大利等國家相比還存在較大的差距,節(jié)能減排任務(wù)重大.主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

    (1)鋁型材行業(yè)的能耗與污染物排放情況

    平均每生產(chǎn)1噸鋁型材消耗工業(yè)用水約16——18噸;表面處理產(chǎn)生的廢水中含有多種金屬雜質(zhì)離子;高能耗;產(chǎn)生大量廢渣,僅一條年產(chǎn)鋁型材2400噸的氧化著色生產(chǎn)線,每年產(chǎn)生污泥約15萬噸,廢渣2000噸,數(shù)量極大.廢水污泥成份比較復(fù)雜,目前大多數(shù)工廠采用填埋的方法處理這些污泥.這不僅占用有限的土地資源,而且浪費資源,污染環(huán)境.

    (2)鋁型材行業(yè)高能耗與高污染的原因

    ①熔煉和回收:目前鋁熔煉爐中電爐占5%,油爐占91%,燃氣爐占4%,造成重熔生產(chǎn)1噸擠壓圓錠的油耗比工業(yè)發(fā)達國家的高55.17%,而實際鑄錠(軋制扁錠與擠壓圓錠)的平均熔煉能耗比工業(yè)發(fā)達國家的高得多.另外,鋁熔煉爐能耗的總體狀況還是處于中低水平.

    ②鑄造、軋制和擠壓:缺乏高檔次產(chǎn)品;小機臺多,擠壓裝備較落后,效率低;裝備的自動化程度低,無法實現(xiàn)等溫快速擠壓,生產(chǎn)精密型材;模具質(zhì)量欠佳.

    ③表面處理:表面處理是鋁加工過程中的高耗電、高耗水、高污染的環(huán)節(jié).

    節(jié)能減排成為當(dāng)今鋁加工企業(yè)迫切需要解決的問題,本文從熔鋁爐、保溫爐、擠壓機棒爐、氧化處理污泥深加工利用等方面出發(fā),提出一些新方法和策略,從而使鋁加工企業(yè)達到節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的目的.

    2熔鋁爐的節(jié)能減排與清潔生產(chǎn)技術(shù)

    2.1熔鋁爐工作過程

    熔鋁爐的熔煉過程大致可分為4個階段,即爐料裝入到軟化下榻、軟化下榻至爐料化平、爐料化平到全部熔化(該階段產(chǎn)生氧化浮渣)、鋁液升溫.對鋁料的加熱是通過燒嘴火焰的對流傳熱、火焰和爐墻的輻射傳熱以及鋁料間的傳導(dǎo)傳熱來完成的.

    在整個過程中,三者之間的比率是不斷變化的.固態(tài)時鋁的黑度小,導(dǎo)熱能力強.隨著熔煉過程的進行,爐料進入半液半固的臨界狀態(tài),其導(dǎo)熱能力下降,熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的變化.液態(tài)鋁的導(dǎo)熱能力僅為固態(tài)鋁的40%,熔池上部向底部的傳導(dǎo)傳熱過程十分緩慢.金屬鏡面上漂浮的疏松浮渣構(gòu)成熱傳遞的絕熱阻擋層.此時熔池表面氧化膜化開,失去了保護作用,氧化、吸氣傾向增強.對于火焰熔鋁爐來講,在鋁的熔化期,爐膛溫度一般控制在1200℃,此時的出爐煙氣溫度即為爐膛溫度,煙氣帶走的熱量約占爐子熱負荷的50——70%,考慮到10%的其它熱損失,有效熱利用只有30——40%,如果不充分利用這部分余熱,勢必會造成很大浪費,使爐子熱效率很低.

    綜上所述,選擇有效的強化加熱方式和回收煙氣余熱來預(yù)熱助燃空氣是提高爐子熱效率,確保熔煉過程中最少的直接燃料消耗的有效途徑.

    2.2采用高溫空氣燃燒技術(shù)

    高溫空氣燃燒改變了傳統(tǒng)燃燒方式,采用煙氣再循環(huán)方式或燃料爐內(nèi)直接噴射燃燒的方式,主要表現(xiàn)為經(jīng)過陶瓷蜂窩體的助燃空氣被預(yù)熱至1000℃以上,以適當(dāng)?shù)乃俣葒娙霠t膛,在高速氣流卷吸、攪拌作用下與爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物混和,空氣中21%的氧被稀釋,在低氧濃度(最低5%——6.5%)流體中燃燒,在高溫空氣條件下燃燒可實現(xiàn)低空氣系數(shù)燃燒,減少鋁的氧化燒損.

    蓄熱式燃燒系統(tǒng)主要包括一對裝有蓄熱體的燃燒器、一套換向裝置、一套控制系統(tǒng)以及管路系統(tǒng).

    當(dāng)爐氣溫度為1000——1200℃時,助燃空氣溫度可預(yù)熱至800——1000℃,與使用間壁式空氣換熱器的燃油熔鋁爐相比可節(jié)約燃料50%左右.

    燃燒器出口混合氣體實際噴出速度在60m/s左右,火焰長度約2.5——3m,火焰直徑約0.5——0.7m.爐內(nèi)成對的燃燒器換向操作,高溫區(qū)頻頻互換,保證爐內(nèi)溫度均勻,不形成低溫區(qū).

    2.3高速燃燒器技術(shù)

    對于在用的舊爐子來說,花上30萬元新增一對蓄熱式燃燒器,對于企業(yè)來說較難接受.

    采用高速燒嘴的噴頭,燃氣以100m/s以上的高速噴向爐膛,助燃空氣以90m/s的速度參與助燃,對鋁堆產(chǎn)生強有力的沖擊作用,加速熔化,為了防止脫火,在燃氣的噴口安置了一只長明點火槍.

    我們在消化吸收美國天時高速燃燒器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,開發(fā)出了性能優(yōu)異的高速燃燒器,煙氣流速可達到180m/s,負荷調(diào)節(jié)比達到1:20,過剩空氣系數(shù)可在0.65——10.8之間調(diào)節(jié).

    高速氣體燃燒器的技術(shù)特點如下:

    a)精確組織燃燒,燃燒效率99.9%;

    b)寬運行工況:熱負荷調(diào)節(jié)比1∶20,空氣系數(shù)0.5——10;

    c)采用分級燃燒,有害氣體(NOx)排放符合國家環(huán)保標準;

    d)具有煙氣引射回流功能,可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內(nèi);

    e)全金屬結(jié)構(gòu),連續(xù)使用壽命3年.

    2.4熔鋁爐自動控制技術(shù)

    控制系統(tǒng)是改善燃燒、降低能耗、保證工藝要求、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)量的重要保證,最終的目的是要實現(xiàn)燃燒設(shè)備流量、溫度、壓力、氣氛等參數(shù)的自動檢測及過程控制.

    2.4.1爐壓自動調(diào)節(jié)控制

    合理的火焰爐應(yīng)實現(xiàn)微正壓操作.

    3擠壓機棒爐節(jié)能技術(shù)

    擠壓機棒爐的能耗占鋁加工企業(yè)總能耗的12——20%.擠壓機棒爐大體可分為三種,單棒爐、多棒爐和短棒爐.圖片分別見圖3—1、圖3—2、圖3—3.

    根據(jù)理論計算,將1t鋁棒加熱到450℃,只需要13m3天然氣(爐子熱效率100%),考慮到爐子熱效率和間歇加熱的生產(chǎn)工藝,加熱爐熱效率假定為60%,也最多消耗天然氣22 m3/t鋁棒,折合成產(chǎn)品能耗為26m3/t產(chǎn)品.然而,目前鋁棒加熱爐的產(chǎn)品能耗折合為天然氣為45m3/t產(chǎn)品,有的甚至高達70m3/t產(chǎn)品以上.節(jié)能空間仍然很大.

    3.1單棒爐節(jié)能技術(shù)

    3.1.1改造爐膛

    根據(jù)理論計算,現(xiàn)爐膛容積熱強度大大低于工業(yè)爐的標準,爐膛太大,爐內(nèi)溫度低,對燃燒不利,要求達到一定的容積熱強度就必須增加燃燒功率,這樣勢必會加大單位產(chǎn)品的燃氣消耗.我們采取減小爐膛容積和增加拱頂磚的方式改造爐膛.

    3.1.2更換燃燒器

    將現(xiàn)有直流燃燒器全部更換為好易燃公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品—旋流燃燒器(二代).增加火焰剛度,提高火焰溫度,加強傳熱效果.

    (1)旋流燃燒器工作原理

    燃燒器中裝有各種型式的旋流發(fā)生器(簡稱旋流器).燃料與空氣混合氣流通過旋流器時發(fā)生旋轉(zhuǎn),從噴口射出后形成旋轉(zhuǎn)射流.利用旋轉(zhuǎn)射流,能形成有利于著火的高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū),并使氣流強烈混合.

    (2)好易燃旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

    旋流噴嘴,跟傳統(tǒng)的長棒熱剪爐噴嘴相比,具有火焰剛度大、傳熱動力大、燃燒效率高等特點.

    3.1.3取消循環(huán)風(fēng)機

    擠壓機棒爐在有循環(huán)風(fēng)機的情況下,爐膛負壓過高,吸入的冷風(fēng)量大,噴嘴嚴重脫火,大大降低了爐子的熱效率.

    取消循環(huán)風(fēng)機后,爐膛可以運行在微正壓狀態(tài),保證爐子的安全、

    經(jīng)濟運行.還可以節(jié)約電費45000——66000元/臺.年.

    根據(jù)我們的改造經(jīng)驗,Φ180mm以下的棒爐可以取消循環(huán)風(fēng)機,Φ180mm以上的棒爐不適宜取消循環(huán)風(fēng)機,而是采用板式換熱器充分利用煙氣余熱加熱助燃空氣,提高加熱爐整體熱效率.

    3.1.4加裝氧氣檢測儀

    為了更加準確的調(diào)整燃燒,精確控制空燃比,擺脫憑經(jīng)驗調(diào)試的被動局面,在文丘里混合器后面的管道上安裝氧氣檢測儀,氧氣檢測儀連續(xù)將氧含量的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC,PLC根據(jù)設(shè)定的空燃比數(shù)據(jù)調(diào)整燃氣和空氣調(diào)節(jié)閥的開度,使氧含量始終保持在合適的比例,確保精確組織燃燒.

    3.1.5加強保溫

    爐膛改造后,在火嘴磚和頂蓋磚的外部采用新興保溫材料加強保溫,是爐壁溫度降低到80℃以下,減少散熱損失.

    2010年以來,我們已經(jīng)對80多臺單棒爐進行了節(jié)能改造,最好的節(jié)能49%,最差的也達到了12%.我們對客戶均承諾經(jīng)過我們節(jié)能改造后,燃氣節(jié)能率達到10%以上.

    3.2多棒爐節(jié)能技術(shù)

    3.2.1改造燃燒室

    將多棒爐出棒側(cè)改造成燃燒室,取消原燃燒機系統(tǒng),利用高速燃燒器作為熱源設(shè)備,將高速燃燒器的高速氣流直接噴入燃燒室,減少與空氣的換熱過程.

    為了避免火焰直接接觸鋁棒,導(dǎo)致熔棒事故發(fā)生,在燃燒器火焰

    底部鋪設(shè)一塊耐火隔板,使火焰高速擴散到爐膛的各個角落.

    3.2.2利用高速燃燒器

    與熔鋁爐近似.

    3.2.3取消熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

    將燃燒室進行改造后,將循環(huán)風(fēng)機、燃燒機、原燃燒室全部取消,為了減少改造工作量,對內(nèi)部結(jié)構(gòu)不予改變,只將原循環(huán)風(fēng)道堵死即可.這樣不但節(jié)省了風(fēng)機與燃燒機的投資,還節(jié)約了因循環(huán)風(fēng)機帶來的電力消耗.

    3.2.4爐壓控制系統(tǒng)

    爐膛溫度控制、排煙溫度與爐壓控制是密不可分的.首先,規(guī)定燃燒室的壓力范圍為10——20Pa,煙囪上安裝一塊擋板,爐壓高時,擋板開度加大,反之,減小.在爐壓的正常范圍內(nèi),根據(jù)爐膛溫度尤其是排煙溫度調(diào)節(jié)擋板開度.這就是所謂的串級控制.

    3.2.5增加板式空預(yù)器

    為了保證排煙溫度保持在150℃左右,充分利用煙氣余熱,在煙囪底部加裝一臺空氣預(yù)熱器,將助燃空氣進行預(yù)熱,提高燃燒溫度、降低過?？諝庀禂?shù)、提高棒爐效率、降低燃氣消耗.

    我們?yōu)槟充X加工企業(yè)所做的多棒爐節(jié)能改造效果顯著,原噸產(chǎn)品消耗天然氣53m3,改造后僅為31.8m3,節(jié)能率達到了40%,且提高了爐膛溫度均勻性,加熱時間大大縮短,提高了設(shè)備生產(chǎn)率.

    3.3短棒爐節(jié)能技術(shù)

    短棒加熱爐是一種對流式加熱爐,見圖3—9所示.利用燃燒機燃燒產(chǎn)生的高溫氣體對鋁棒進行對流加熱.

    該鋁棒加熱爐爐膛內(nèi)設(shè)置熱電偶,控制爐膛溫度以滿足鋁棒加熱的要求,由于控制系統(tǒng)為脈沖控制即溫度超過設(shè)定溫度后,燃燒機停止工作,當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時,燃燒機要對爐內(nèi)吹冷風(fēng)幾十秒鐘才點火,這樣就影響到了爐子的熱效率,增加了能耗.另外,該燃燒機對空燃比不能自動控制,一般都是大空燃比運行,導(dǎo)致能耗增加.

    3.3.1采用高速燃燒器替代燃燒機(見多棒爐)

    3.3.2增加自動控制系統(tǒng)

    (1)加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

    加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖3—10所示,它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模塊、整流器SCR、加熱爐、傳感器等5個部分組成.

    短棒加熱爐是由爐膛溫度作為溫度控制指標,預(yù)先設(shè)定爐膛溫度為相應(yīng)溫度.

    3.3.3取消循環(huán)風(fēng)機

    短棒加熱爐一般都配置1——4臺循環(huán)風(fēng)機,試圖使爐膛溫度均勻,提高煙氣流速.

    (1)取消循環(huán)風(fēng)機

    更換為高速燃燒器以后,因為高速燃燒器噴出速度高,對爐膛內(nèi)的氣氛具有強烈的攪拌作用,不用風(fēng)機就能保證爐膛溫度均勻,因此,完全可以取消循環(huán)風(fēng)機,以節(jié)省電耗.

    (2)改造爐膛底部的燃燒室

    縮小底部爐膛體積,保持煙氣流速.用特制耐火磚將爐膛縮小,沿?zé)煔饬鲃臃较虬凑諒男〉酱蟮捻樞蛳蛏喜块_孔,以保證對鋁棒均勻加熱.

    通過對某鋁加工企業(yè)的短棒爐進行的節(jié)能效果來看,燃氣節(jié)能率達到10——35%以上.

    4氧化污泥深加工技術(shù)

    鋁型材表面處理過程中會產(chǎn)生大量的膠體狀廢液,經(jīng)沉淀處理后俗稱污泥,進一步脫水后即為含鋁廢渣.這種廢渣數(shù)量極大,僅一條

    年產(chǎn)鋁型材2400t的氧化著色流水線,每年產(chǎn)生污泥約15萬t,廢渣2000 t,因此綜合利用意義重大.

    鋁型材廢水處理工藝原理簡單,操作、管理方便.目前存在的問題是廢渣的處理,鋁材污泥經(jīng)壓濾機脫水后仍含較多的氫氧化物,隨便處置會造成二次污染.實際上鋁材廢水的沉淀物含有大量的氫氧化鋁,如果加以開發(fā)利用,生產(chǎn)活性氧化鋁產(chǎn)品,具有廣泛的用途.

    4.1氧化污泥生產(chǎn)活性氧化鋁工藝

    工藝流程見圖4—1.用流態(tài)化爐焙燒,將濕氫氧化鋁先送入斯德干燥機,再送入流態(tài)化焙燒爐,噴入燃料焙燒成氧化鋁,經(jīng)過造粒、養(yǎng)生、活化、分級后,即為最終產(chǎn)品.

    5結(jié)論

    通過對鋁加工行業(yè)熔鋁爐、棒爐的節(jié)能技術(shù)改造,對氧化污泥的深加工利用進行研究,總結(jié)了一些實踐經(jīng)驗,也達到了一定的效果.但是,因為鋁加工企業(yè)訂單大多較飽滿,很少能有充裕的時間進行徹底的節(jié)能改造,還有不少的節(jié)能空間.建議鋁加工企業(yè)提高節(jié)能意識,充分認識到節(jié)能減排不僅僅是國家為了完成國家公約而制定的強硬措施,而且對提高企業(yè)經(jīng)濟效益、提高企業(yè)管理水平、提高企業(yè)技術(shù)裝備水平同樣具有重要的意義.