焙燒爐能耗分析與優(yōu)化

1、焙燒爐能耗計算與分析陸敏，吳海文中國鋁業(yè)廣西分公司，廣西 百色531400摘要：焙燒爐的能源消耗在生產(chǎn)消耗中占有較大的比重，通過對焙燒爐的熱平衡計算，分析影響焙燒爐能耗的幾個因素，并提出了進(jìn)一步降低能源消耗的主要途 徑。關(guān)鍵詞：焙燒爐；能耗；熱平衡氧化鋁生產(chǎn)中，焙燒過程最常用的設(shè)備主要有氣體懸浮焙燒爐、回轉(zhuǎn)窯等。其中氣體懸浮焙燒爐以工藝的先進(jìn)性和能源的高效利用在行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。目前氣 體懸浮焙燒爐的燃料采用重油等液態(tài)燃料或者發(fā)生爐煤氣、天然氣等氣體燃料，采用 多級換熱的方式對熱量進(jìn)行梯級回收，能源轉(zhuǎn)換效率高（見圖1）0但 是，受世界范 圍內(nèi)能源緊缺的制約，如何進(jìn)一步降低焙燒爐的能源消耗，是節(jié)

2、約能源的一個重要發(fā) 展方向。圖1焙燒爐工藝簡圖2焙燒爐熱平衡計算焙燒爐的熱量主要來源于燃料（本文中以發(fā)生爐煤氣進(jìn)行計算）燃燒提供的熱 量。產(chǎn)生的熱量主要用來提供氫氧化鋁轉(zhuǎn)變成氧化鋁所需要的化學(xué)能以及結(jié)晶水、附 著水氣化所需要的能量，最終以煙氣和焙燒氧化鋁為載體將熱量帶出系統(tǒng)，還有少量 能量通過設(shè)備表面輻射、換熱的形式流失。通過熱平衡計算，可得到各種熱支出的分 布情況。2011以我廠的1#焙燒爐為例，采用發(fā)生爐煤氣作為燃料。原始條件如下（年）：表1焙燒爐操作條件進(jìn)料量進(jìn)料附水進(jìn)料溫度煤氣流量煤氣溫度剩余氧含量106t/h2.60%61C33420Nm334C2.20%表2煤氣成分CO2(%)Cn

3、Hm(%)02(%)CO(%)H2(%)CH 4(%)N2(%)7.20.20.226.315.01.549.5在熱平衡計算中，氫氧化鋁的反應(yīng)熱可根據(jù)下面的公式計算：Q=M 1000 2 78 11.3 4.1868 : 100 19.2 4.1868100式中，例一干氫氧化鋁量,kg/t.AO ；a成品氧化鋁中-A1203的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；一成品氧化鋁中-A12O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；78氫氧化鋁的分子量，g/mol；11.3X 4.18682mol氫氧化鋁反應(yīng)生成AI2O3的吸熱量，kJ/mol;19.2X 4.1868 2moi氫氧化鋁反應(yīng)生成AI2O3的吸熱量，kJ/mol。煙氣的流量可通過

4、經(jīng)驗公式或根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式進(jìn)行計算，在本文中就不詳細(xì)介紹。表3中就是根據(jù)熱平衡計算得出的1#焙燒爐熱收入和支出的詳細(xì)情況。表3 1#焙燒爐熱平衡表(2011年)熱收入熱支出項目數(shù)值項目數(shù)值空氣顯熱(MJ/tAO)21.0電收塵出口煙氣(MJ/tAO)669.9干 AH 顯熱(MJ/t.AO)118.3C04 出料 AO(MJ/t.AO)345.7AH附水顯熱(MJ/t.AO)10.5附水和結(jié)晶水蒸發(fā)熱(MJ/t.AO)1440.9煤氣顯熱(MJ/tAO)27.8表面散熱(MJ/t.AO)200.0煤氣燃燒反應(yīng)熱(MJ/t.AO)3513.8 AH 變成 AO 的反應(yīng)熱(MJ/t.AO)787

5、.1其他計算誤差247.8合計(MJ/t.AO)3691.5合計(MJ/t.AO)3691.53主要影響因素1.1 燃料熱值煤氣熱值對焙燒爐的能耗由巨大的影響。熱值的高低主要體現(xiàn)在燃料成分的不 同。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出，燃料中的可燃物質(zhì)主要包括CO、H2、甲烷(CH4)和多元烷。但這些可燃成分的比重遠(yuǎn)未能達(dá)到總成分的50%o主要的成分被N2所取代。這就意味著一半以上的氣體需要用燃料燃燒進(jìn)行加熱，最終以煙氣 (180C )成分排入大氣。其次，煤氣中含有的水分對煤氣熱值也有很大的影響。由于煤氣在制造過程 中不可避免的存在機械水和飽和水蒸汽汽。在輸送過程中，如果溫度升高，則機械水將轉(zhuǎn)變成飽和水蒸

6、汽直接以煤氣成分的形式存在，將極大的影響到煤氣的熱值。圖2中顯示的是在相同壓力下，不同的溫度中水蒸汽可占據(jù)的最高體積比例。可 見煤氣溫度越高，煤氣中含有的水分就有可能越高，越不利于煤氣熱值的提升。溫度C）圖2不同溫度下煤氣的最高含水率1.2 氫氧化鋁附水氫氧化鋁的附水對焙燒爐的能耗影響很大。主要原因為水的潛熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的 顯熱（見表4）。表3中可以看到附水和結(jié)晶水蒸發(fā)熱是熱支出的一個主要方 向。在 這過程中，由于結(jié)晶水是氫氧化鋁本身固有的特性，在實際生產(chǎn)中，由于附水的增 加，在系統(tǒng)中，需要投用額外的能量進(jìn)行加熱使其改變成水蒸氣并最終以煙氣成分的 形式排入大氣。表4水的物理性質(zhì)煙氣溫度對應(yīng)飽和壓

7、力對應(yīng)飽和水熔值對應(yīng)蒸汽熔值對應(yīng)汽化潛熱180C10.019bar783.2kJ/kg2/.7kJ/kg2014.5kJ/kg根據(jù)計算，氫氧化鋁中含水率越高，煤氣需要消耗的煤氣量越大，平均每改變 1%的含水率，熱值為5.6MJ/Nm3的煤氣單位消耗量大約改變7Nm3 （具體關(guān)系見下 圖）。含水率%圖3氫氧化鋁含水率對煤氣消耗的影響1.3 剩余氧含量焙燒爐屬于工業(yè)爐窯，在運行過程中為了保證燃燒質(zhì)量，確保不發(fā)生不完全反應(yīng) 導(dǎo)致安全事故，必須要求一定的空氣過剩系數(shù)。在焙燒爐中體現(xiàn)為剩余氧含 量。理論 已經(jīng)證明，較大的剩余氧含量（空氣過剩系數(shù)）對能耗消耗是不利的。主要原因是較 大的氧含量意味著爐膛中進(jìn)

8、入了過多的空氣量，這部分多出來的空 氣會破壞整個系 統(tǒng)的熱平衡，降低爐內(nèi)的溫度。在這個過程中，如果需要進(jìn)入新 的熱平衡，必須 通入更多量的能量（即燃料）才能維持新的平衡。因此，剩余氧 含量必須要控制在一 個合理的范圍。4 .改進(jìn)措施從以上的分析可知，焙燒爐的消耗降低可以從3個方面入手：一是提高煤氣的熱 值。通過對煤氣發(fā)生爐進(jìn)行更加精細(xì)的操作，根據(jù)不同的煤種進(jìn)行不同的反應(yīng)溫度 的控制，使得生產(chǎn)出來的煤氣成分中可燃成分比重增力口?；蛘卟捎眯录夹g(shù)，如采用富 氧代替空氣進(jìn)行反應(yīng)、兩段法煤氣產(chǎn)生技術(shù)等替代目前的工藝。在部分天然氣供應(yīng) 充分的地方，可以選擇使用天然氣代替煤氣進(jìn)行生產(chǎn)。二是降低氫氧化鋁中的含水率。目前較為常用的辦法是使用脫水劑進(jìn)行強化脫 水。通過調(diào)整脫水劑的用量，可以最大幅度的降低含水率。其次是根據(jù)工藝條件盡 量增大氫氧化鋁的粒度，這樣有利于平盤過濾機的過濾效果，保證含水率的降低。三是適當(dāng)下調(diào)焙燒爐的氧含量。目前國內(nèi)外先進(jìn)的控制范圍在1.0至1.5%之 間。在保證燃燒反應(yīng)充分的前提下，通過適當(dāng)?shù)南抡{(diào)可以對能耗由一定