熔鋁爐中鋁在固態(tài)升溫階段的傳熱計算及分析

杜文智 吳迪 茍遠波 李凱華 朱曉龍 郭小虎

(1.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

熔鋁爐是一種冶煉金屬鋁的熔煉爐。由于熔鋁爐存在能耗巨大、運行成本高的問題，對其節(jié)能改造意義重大。

熔鋁爐利用天然氣燃燒釋放的熱量，將固態(tài)鋁料熔融為鋁液。鋁熔煉過程可分為三個階段：固態(tài)加熱階段、固液混合物加熱階段、液態(tài)加熱階段。鋁熔煉過程的能量分配如圖1所示。固態(tài)鋁加熱過程是鋁熔煉的開始，該過程吸收的熱量占全部熱量的50%[1]，是整個鋁熔煉過程的重點。基于此，本文對固態(tài)鋁加熱過程的換熱情況進行計算和分析，以期對熔鋁爐的節(jié)能提效有一定的貢獻。

1 傳熱計算模型

1.1 模型假設(shè)

本文以30t圓型熔鋁爐為例設(shè)計固態(tài)鋁升溫過程傳熱模型，并對該模型進行如下合理的簡化和假定：(1)熔鋁爐為直徑5.4m、高2m的圓柱體。(2)爐內(nèi)30t鋁堆積成圓柱體，該圓柱體直徑3.3m、高1.3m，鋁在固態(tài)升溫過程保持形狀不變。(3)熔鋁爐保溫良好，沒有散熱。(4)鋁只受到輻射和對流傳熱，其中輻射傳熱來自煙氣和爐內(nèi)壁，對流傳熱來自煙氣。(5)假定傳熱過程爐內(nèi)煙氣溫度和爐內(nèi)表面溫度穩(wěn)定。(6)天然氣為純CH4，助燃空氣含濕量10g/m3，燃燒時過量空氣系數(shù)取1.2。

模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1.2 模型計算過程

鋁柱所受熱量來自三個方面：爐壁輻射、煙氣輻射、煙氣對流，即公式(1)所示。

式中：Q總及Qlb、Qyq、Qdl分別代表鋁柱總受熱功率及來自爐壁的輻射功率、煙氣的輻射功率、煙氣的對流換熱功率(kW)。

圖1 鋁熔煉過程的能量分配圖

圖2 換熱模型示意

1.2.1 爐壁輻射Qlb

爐膛壁面對鋁柱的輻射來自爐膛上表面、側(cè)表面、底面未被鋁遮擋的環(huán)形，鋁柱吸收輻射的面為其上表面和側(cè)表面。鋁柱受到的壁面輻射功率可表達為：

式中：εlb和εlz分別為爐壁內(nèi)表面和鋁柱表面黑度；F1為鋁柱輻射表面積(m2)；σ0為黑體輻射常數(shù)5.67×10-11kW/(m2·K4)；Tlb和Tlz分別為爐壁和鋁柱的溫度(K)；X1,2為爐壁對鋁柱的輻射角系數(shù)。

根據(jù)文獻[2]，爐壁溫度在870～1071℃范圍，見表1。

表1 熔鋁爐爐內(nèi)壁面溫度

因此本模型爐壁溫度Tlb取1000℃，即1273K。鋁熔化溫度為660℃[1]，本模型中鋁從常溫加熱到熔化溫度，綜合考慮鋁柱溫度Tlz選為560℃，即833K。根據(jù)文獻[3]推薦的壁面黑度與爐壁溫度之間關(guān)系的擬合公式(見公式(3))，可知爐壁溫度1000℃時，爐壁表面黑度εlb為0.607。鋁柱的加熱過程是從常溫加熱到熔化的過程，處于強氧化階段，因此根據(jù)表2，鋁柱表面黑度εlz取0.15。

式中：ε為壁面黑度；t為壁面溫度(℃)。

表2 各種情況下鋁的發(fā)射率

鋁柱下底面與爐膛底面重合，因此鋁柱輻射表面積F1為上表面和側(cè)表面之和，即22.03m2。鋁柱完全置于熔鋁爐中，鋁柱發(fā)射出去的輻射都被爐壁吸收，即鋁柱對壁面的輻射角系數(shù)為1。因此，根據(jù)角系數(shù)性質(zhì)[4]可知，壁面對鋁柱的輻射角系數(shù)X1,2可用下式表示：

式中：F2為爐膛輻射表面積，即為爐膛上表面、側(cè)表面和底面未被鋁遮擋的環(huán)形面積之和，即71.18m2，則X1,2為0.31。將以上各參數(shù)帶入式(2)，則計算可得鋁柱受到的壁面輻射Qlb為75.93kW。

1.2.2 高溫?zé)煔廨椛銺yq

高溫?zé)煔獾妮椛淇砂聪率接嬎悖?/p>

式中：εyq為煙氣黑度；Tlt為爐膛溫度(K)。

依據(jù)文獻[5]，入爐助燃空氣溫度保持在1000℃，比爐溫低200℃，即爐膛溫度為1200℃。依據(jù)文獻[6]，爐膛溫度在1400～1500K的范圍波動。因此爐膛溫度Tlt選為1473K。天然氣燃燒煙氣中不含有飛灰和焦炭，則煙氣黑度可簡化為如下公式：

式中：V為爐內(nèi)有效體積，即爐膛體積減去鋁柱體積，為32.33m3；S為爐膛有效輻射層厚度，可算得1.635m；r為煙氣中三原子氣體份額，即煙氣中CO2和H2O(g)含量，為0.25；P為爐內(nèi)分壓，取大氣壓；kq為三原子氣體輻射減弱系數(shù)，計算公式如下：

kq=10×((0.78+1.6×rH2O)/(10×Pq×S)0.5-0.1)×(1-0.37×Tlt/1000) (8)

通過計算煙氣成分可得水蒸氣體積分數(shù)rH2O為0.17，三原子氣體CO2和H2O(g)的分壓Pq為0.025MPa。則kq為6.99，煙氣黑度εyq為0.25。其他參數(shù)在壁面輻射中已經(jīng)獲得，可知鋁柱受到的煙氣輻射Qyq為200.03kW。

1.2.3 煙氣對流傳熱Qdl

煙氣對流傳熱可按圓柱擾流模型考慮[4]。

式中：hdl為對流傳熱系數(shù)(W/(m2·K))；λyq為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)煙氣成分加權(quán)算得0.098W/(m·K)；lt為鋁柱特征長度，即鋁柱外徑3.3m。根據(jù)文獻[4]可知Nu數(shù)的計算公式如下，該式的適用范圍為Re×Pr>0.2。

通過計算和查表[4]得到Pr數(shù)為0.56，Re數(shù)為17667，則Nu數(shù)為67.12，對流傳熱系數(shù)hdl為1.99W/(m2·K)。

因此，煙氣沖刷鋁柱對流換熱功率Qdl為28.00kW。

2 研究結(jié)果分析

將上節(jié)分析得到的計算結(jié)果匯總?cè)氡?，鋁柱加熱過程總換熱功率大約為300kW。輻射換熱占據(jù)主導(dǎo)位置，占比超過90%。輻射中煙氣輻射比重最大，占總傳熱功率超過65%。因此為提高熔鋁爐的換熱功率，最重要的是提高輻射強度，尤以提高煙氣輻射效率為主。為此，應(yīng)在其他條件允許的情況下，盡可能提高爐膛溫度，并加強爐體保溫。

表3 鋁柱吸收傳熱功率匯總

煙氣對流換熱對鋁在固態(tài)升溫階段傳熱效率影響非常小，在改善換熱效率時可不考慮煙氣流速。在熔鋁爐設(shè)計的時候，可從減少阻力，優(yōu)化流程，節(jié)省材料和投資方面確定煙氣最佳流速。

3 結(jié)語

熔鋁爐中鋁在固態(tài)升溫過程的傳熱以輻射換熱為主，占比在90%以上；輻射換熱中以煙氣輻射占主，占總換熱超過65%。改進熔鋁爐在鋁固態(tài)升溫階段效率時，首先考慮強化輻射換熱，盡可能提高爐膛溫度，并加強爐體保溫；煙氣對流換熱對傳熱效率影響非常小，可在不考慮其對傳熱影響的情況下尋找最佳流速以優(yōu)化流程，節(jié)約材料和投資。