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　　摘要:論述了鋁熔煉過程中節(jié)油與節(jié)料的關系。指出現(xiàn)代鋁熔煉巨大的節(jié)能潛力,應研究并推廣少無氧化熔煉技術。預熱爐料的節(jié)能效果優(yōu)于預熱助燃空氣。從煙氣中回收同樣數(shù)量的熱量,預熱爐料的節(jié)能效果是預熱助燃空氣的2.86倍。根據(jù)鋁在不同狀態(tài)時的物理、化學性能特點,采用分步強化熔煉技術輔之以罩式爐預熱爐料。內熱式保護氣氛特深熔池熔鋁爐,獨特的加熱、攪拌、熔體保護工藝,可取得較佳的節(jié)油、節(jié)料、提高熔體質量和生產率的綜合效果。

　　1　前言

　　鋁是一種能量資源,從鋁土礦、氧化鋁到工業(yè)純鋁需要耗費大量的電能,僅以60 kA熔煉電解鋁為例,每產1 t鋁需要碳素陽較560 kg,電耗16 500kW·h。在電解過程中,碳陽較起到“小電廠”的作用,它為電解工藝噸鋁降低理論電耗2 920 kW·h,按該槽型能量利用率43.4%計算,相當于電耗6 729 kW·h。我國的電力資源十分短缺,以火電為主,約占75%,火電廠的熱利用率約為34%,從煤到鋁的能量利用率不足15%,生產成本很高,因此說,鋁是一種富含二次能源的高等載能體。

　　鋁電解過程中,污染物的排放相當驚人。電解鋁過程排放大量的氟化物、二氧化硫、粉塵和瀝青煙,不僅直接損害人體健康,對農、林、漁、牧業(yè)也造成危害。每產1 t鋁,排放二氧化碳1 470 kg[2],全世界因產鋁排放二氧化碳為3 513萬t/a,它使大氣層像玻璃溫室一樣,造成大氣溫度升高,大部分國家氣候變暖。在鋁熔煉過程中采用少無氧化熔煉技術實現(xiàn)直接節(jié)料、間接節(jié)能并減少電解煙害和溫室氣體排放是作者為文的初衷。

　　2　節(jié)料與節(jié)油

　　在鋁熔煉過程中,節(jié)料與節(jié)油目的是一致的。節(jié)料的潛力及節(jié)能效果較直接節(jié)油大�，F(xiàn)行熔鋁爐在節(jié)能的問題上存在矛盾。這在后面的計算及本文3中都能看出。在鋁的熔煉過程中,以提高熔損為代價降低燃料消耗是值得懷疑的,這在某些快速熔鋁爐上表現(xiàn)尤為突出�？雌饋�,快速熔鋁爐排煙溫度很低,爐料從煙氣中回收了大量的余熱。但節(jié)約的是燃料,燒掉的是可循環(huán)使用、富含二次能源的“鋁”,而且收入小于支出。以熔鑄-軋拉生產管材為例,熔煉燒損成本與燃料費用計算如下:

　　鋁及鋁合金管材生產,熔鑄-軋拉綜合成材率為60%�；鹧鏍t熔煉鋁的燒損率:鋁錠1.35%,返回料7.82%,碎屑8.1%。本計算中,多油回爐料及碎屑燒損按7.9%選取。取生產100 t管材成品的金屬燒損為A t;新金屬投料量為(100+ A)t;熔鑄總投料量為:100/0.6= 166.67 t。熔鑄多油回爐料為:166.7-(100+ A)=(66.67- A)t�？偀龘p量等于新金屬燒損量與返回料燒損量之和。

　　即A=(100+ A)× 1.35%+(66.7- A)× 7.9%

　　A= 6.210 2 t

　　實際熔鑄的燒損率為6.210 2166.67× 高標準= 3.73%如果噸鋁熔煉油耗為74.5 kg,鋁錠價格為14元/kg,油價為2.3元/kg則熔煉過程的能耗成本為:166.67× 74.5× 2.3= 28 560元3.73%的金屬燒損,其價值則與227 kg柴油相當。現(xiàn)階段噸鋁熔煉油耗為70～ 80 kg,噸鋁理論油耗約為26 kg,直接節(jié)油很難取得令人滿意的綜合效果。在保證生產能力、冶金質量的前提下,大力開發(fā)和推廣少無氧化熔煉技術,減少燒損應成為21世紀鋁熔鑄技術的節(jié)能方向。

　　4　預熱爐料的節(jié)油效果

　　熔鋁爐的廢熱回收一直是個難題,多傾向于采用預熱助燃空氣的方法回收煙氣余熱。預熱器屬于氣-氣熱交換裝置,用以回收高溫煙氣中的部分余熱預熱助燃空氣,可以提高燃料的理論燃燒溫度,直接提高爐溫。對使用發(fā)熱低的煤氣高溫爐來說,預熱空氣和煤氣成為必須的前提,否則,達不到工藝所要求的溫度。對以輻射傳熱為主的爐型來說,提高爐溫有顯著的意義,因為,輻射傳熱量與爐溫的4次方成正比。

　　鋁的黑度低,對輻射能的吸收能力僅相當于鋼的1/4～ 1/7。熔體溫度800℃ ,爐氣溫度1 500℃ ,火焰速度200 m/s時,對流傳熱量是輻射傳熱量的10倍以上[4]。提高爐溫,對強化熔煉過程效果不明顯,相反,加大了鋁的燒損,增加了砌體的蓄熱、散熱損失,排煙溫度升高,排煙熱損加大,預熱器的工作環(huán)境惡化,影響使用壽命�，F(xiàn)代熔鋁爐多采用高速或亞速燒嘴,中溫、低殘氧氣氛對爐料進行沖擊加熱,強化對流換熱過程。采用熱交換器預熱助燃空氣,從而提高熔鋁爐熔煉溫度的做法,與前述的中溫操作技術相矛盾。

　　煙氣中的氯化物、氟化物腐蝕換熱設備,堵塞氣流通道,附著在熱管上惡化換熱效果,換熱器使用壽命低,難以取得令人滿意的節(jié)油效果。

　　5結論

　　(1)鋁是一種高等能量資源,節(jié)料較節(jié)油具有更好的節(jié)能效果。熔損降低1%,經濟效益與節(jié)約60.9 kg燃料油相當。建議研究并推廣少無氧化熔煉技術,降低鋁的氧化損失,實現(xiàn)直接節(jié)料、間接節(jié)能,可以創(chuàng)造巨大的經濟效益和社會效益,減少溫室氣體的排放。

　　(2)預熱爐料的節(jié)能效果優(yōu)于預熱助燃空氣。從煙氣中回收同樣數(shù)量的余熱,預熱爐料的節(jié)能效果是預熱助燃空氣節(jié)能效果的2.86倍。

　　(3)根據(jù)鋁在不同狀態(tài)和熔煉階段的物理化學性能特點,采用分步強化熔煉技術可將熔煉油耗、料耗降到較低限度,達到較佳的節(jié)油、節(jié)料,提高熔體質量和生產率的綜合效果。

　　(4)特深熔池熔鋁爐是現(xiàn)代寬爐膛、淺熔池巨型爐的替代爐型。其鏡面積僅相當于普通巨型爐鏡面積的1/2～ 1/3。獨特的加熱、攪拌、熔體保護工藝為21世紀熔鋁爐實現(xiàn)少無氧化熔煉技術,節(jié)省燃料,大幅度提高生產率,提高熔體質量,降低爐子建設費用提供保證。

　　(5)現(xiàn)代鋁熔煉技術存在這樣幾個問題亟待解決:①淺熔池、大鏡面的爐型結構應革新。這種結構燒損大、吸氣嚴重,砌體蓄熱、散熱損失大;建造費用成倍增加;②加熱方式單調,只適應固態(tài)鋁的升溫特點,不能滿足鋁因物態(tài)變化導致熱性能變化對加熱工藝的要求;③在節(jié)能的問題上有誤區(qū),重視了節(jié)油、節(jié)電,忽略了節(jié)料。節(jié)料有較大的節(jié)能潛力和節(jié)能效果,還能減少電解鋁廠的排污量;④鋁熔煉過程中用能與節(jié)能是有區(qū)別的。預熱爐料與預熱助燃空氣和熔池砌體及爐底散熱與上部爐膛散熱是有區(qū)別的,前者的節(jié)能效果近似于后者的1/η(為熔煉的熱效率)倍。