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：

　?。?）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。

　?。?）鋁型材行業(yè)高能耗與高污染的原因

　?、偃蹮捄突厥眨耗壳颁X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。

　?、阼T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。

　?、郾砻嫣幚恚?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。矩形熔鋁爐圖片見圖2—1，4個階段的工作特性見圖2—2、圖2—3所示。

圖2—1矩形熔鋁爐外型圖片

　　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。

圖 2—2熔鋁爐爐溫及能量分配模型示意圖

圖2—3熔煉過程中爐料變化示意圖

　　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)，其示意見圖2—3。

圖2—3蓄熱式燃燒系統(tǒng)圖

　　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。見圖2-4。

 

圖2-4 高速燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

　　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?？諝庀禂?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。爐壓控制圖見圖2—5。

圖2—5爐壓控制方案圖

　　2.4.2　蓄熱式燃燒器控制方案

　　蓄熱式燒嘴控制方案見圖2—6所示。

圖2—6　蓄熱式燒嘴燃燒模式控制圖

2.4.3　燃燒系統(tǒng)控制

 

　　基本流量控制框圖見圖2—7。

圖2—7　燃燒系統(tǒng)基本流量控制圖

　　在熔鋁爐燃燒控制系統(tǒng)運用新技術(shù)后，無論從燃料消耗還是操作維護上，都會對熔鋁爐產(chǎn)生較大地改觀，有望達到世界一流的水平。

　　2.5　熔爐收塵及煙氣處理系統(tǒng)

　　除塵系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)爐子工作狀態(tài)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)抽風(fēng)量，確保爐子工況穩(wěn)定。除塵系統(tǒng)流程圖見圖2—8。

圖2—8除塵系統(tǒng)流程圖

    我們對幾個鋁型材企業(yè)的熔鋁爐進行了以上改造，節(jié)約燃氣消耗達到18～27%。

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。

圖3-1擠壓機單棒爐圖片

圖3-2 擠壓機多棒爐圖片

圖3-3擠壓機短棒加熱爐

　　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，頂蓋改造示意圖見圖3—4。

圖3—4頂蓋改造示意圖

　　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。

　?。?）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。  見圖3—5。

圖3—5旋流燃燒器燃燒過程示意圖

    （2）好易燃旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

旋流噴嘴（如圖3—6），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。

 

圖3—6旋流噴嘴示意圖

　　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。改造示意圖見圖3—7。

圖3—7燃燒室示意圖

　　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　增加空燃比控制系統(tǒng)

 

　　控制系統(tǒng)見圖3—8。

圖3—8電子空燃比控制系統(tǒng)圖

　　3.2.5　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。

　　3.2.6　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。

圖3—9短棒加熱爐示意圖

　　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。

圖3—10溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成

（2）空燃比控制系統(tǒng)

 

　　燃燒控制示意圖如圖3—11所示。燃料給定量的調(diào)節(jié)根據(jù)鋁棒加熱爐的溫度由計算機控制。

圖3—11鋁棒加熱爐燃燒控制示意圖

　　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。

　?。?）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。

圖4—1氧化污泥生產(chǎn)活性氧化鋁工藝流程圖

4.2　主要技術(shù)經(jīng)濟指標表（見下表）

 

主要技術(shù)經(jīng)濟指標
序號	指標內(nèi)容	單位	指標值
1	達產(chǎn)年年均產(chǎn)品產(chǎn)量	噸	5000
2	項目組成
2.1	污泥干燥系統(tǒng)
2.2	污泥煅燒系統(tǒng)
2.3	造粒系統(tǒng)
2.4	養(yǎng)生系統(tǒng)
2.5	活化冷卻系統(tǒng)
2.6	篩分包裝系統(tǒng)
2.7	控制系統(tǒng)
3	建設(shè)內(nèi)容與規(guī)模
3.1	辦公生活設(shè)施	m2	1200
3.2	廠房及倉儲	m2	4000
3.3	活性氧化鋁生產(chǎn)裝置	套	5000t/a
4	燃料動力年耗量
4.1	燃氣	m3	1250000
4.2	電	kWh	2000000
4.3	水	m3	10000
5	投資和籌措
5.1	固定資產(chǎn)投資	萬元	2980
5.1.1	流動資金	萬元	300
5.1.2	總投資額	萬元	3280
5.2	資金籌措
5.2.1	風(fēng)險投資	萬元	1800
5.2.2	銀行貸款	萬元	1100
5.2.3	自籌資金	萬元	380
6	財務(wù)評價指標
6.1	年銷售收入（高端產(chǎn)品與中低端產(chǎn)品各50%）	萬元	8750
6.2	年總成本（電費0.8元/kWh、燃氣6.5元/ m3、水3元/ m3， 維修300萬元，利息300萬元，管理費用875萬元，工資253.868萬元。）	萬元	2704.368
6.3	年繳稅金	萬元	1487.5
6.4	年均利潤	萬元	4558.132
6.5	投資利潤率	％	138.97%
6.6	投資利稅率	％	45.35%
6.7	全部投資內(nèi)部收益率(所得稅后)	％	39.7
6.8	財務(wù)凈現(xiàn)值(所得稅后)	萬元	138.599
6.9	動態(tài)投資回收期(所得稅后)	年	1.56
6.10	靜態(tài)投資回收期(所得稅后)	年	0.96

5　結(jié)論

　　我國是鋁加工特別是鋁型材生產(chǎn)大國，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上。過去鋁加工企業(yè)對節(jié)能減排工作的重視程度不夠，因此，我國鋁加工企業(yè)的能耗、裝備水平以及自控技術(shù)與國外相比還有很大差距。本文介紹了鋁加工行業(yè)熔鋁爐以及棒爐的節(jié)能改造技術(shù)，根據(jù)作者多年的研究和生產(chǎn)實踐，結(jié)合設(shè)備的具體狀況，提出節(jié)能改造的方案。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。