煙氣余熱回收再利用技術(shù)在輪轂制造工藝中的應(yīng)用

趙志強，張愛濤，樊勁輝，唱榮蕾，夏中雷，王 強

(1.秦皇島信能能源設(shè)備有限公司，河北 秦皇島 066000；2.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

0 引言

國家積極倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)能減排已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，無論是發(fā)展形勢所需還是利益所趨，走節(jié)約能源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展之路已成為企業(yè)發(fā)展的必然選擇。鋁錠熔煉過程中，熔煉爐消耗大量天然氣，產(chǎn)生高溫?zé)煔猓瑹崃砍糜谌诨X錠外，其余熱量直接排出進入大氣造成熱量浪費。為提高資源利用效率，達到節(jié)能減排效果，對熔煉設(shè)備中的高溫?zé)煔膺M行回收熱量后降溫排放，回收熱量用于制取高溫?zé)崴彤a(chǎn)品涂裝前余熱工藝，以期減少能耗，達到節(jié)能減排的目的。

近些年，國外在煙氣余熱回收方面進行了深入研究，如等效焓降理論在煙氣余熱方面的應(yīng)用[1]、吸收式熱泵和換熱器組成余熱回收新型機組回收余熱[2]等。國內(nèi)余熱回收研究主要集中在冷凝鍋爐、熱管技術(shù)、熱泵技術(shù)和換熱器技術(shù)四個方面，但是核心元件及技術(shù)牢牢掌握在歐美日等發(fā)達國家手里。隨著煙能量回收研究的不斷深入，煙氣回收利用技術(shù)逐漸朝著理論化、系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，新材料、新工藝、新設(shè)備在煙氣回收領(lǐng)域得到了系統(tǒng)化的應(yīng)用，一批以工業(yè)余熱回收為主業(yè)的企業(yè)乘勢而起，工業(yè)余熱回收也趨于產(chǎn)業(yè)化。

1 熔煉爐煙氣余熱回收利用方案

1.1 煙氣余熱回收流程

汽車輪轂生產(chǎn)過程中，鋁錠熔煉爐會放出大量余熱，而輪轂在進行噴涂前，也需要大量熱量進行預(yù)熱，根據(jù)上述工藝，制定熔煉爐煙氣余熱回收利用方案，如圖1所示。

(1) 熔煉爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)高溫相氣余熱收集器，加熱收集器中的循環(huán)水，高溫?zé)煔庥酂峄厥兆優(yōu)榈蜏責(zé)煔馀懦觯瑹煔庥酂峄厥毡脤⒏邷匮h(huán)水泵送至余熱保溫水箱蓄熱。

(2) 煙氣余熱供熱泵泵送保溫水箱中的高溫循環(huán)水進入板式散熱器，預(yù)熱涂裝預(yù)熱箱中的輪轂后，高溫循環(huán)水變成低溫循環(huán)水再流回?zé)煔庥酂岜厮湫顭帷?/p>

(3) 煙氣余熱保溫水箱中的循環(huán)水在煙氣余熱回收、利用過程中出現(xiàn)損耗，當(dāng)液位降低時，補水泵補水。

圖1 熔煉爐煙氣余熱回收利用示意圖

1.2 煙氣余熱回收智能控制

圖2為煙氣余熱回收智能控制流程，熔煉爐膛內(nèi)置煙氣壓力傳感器，余熱保溫箱內(nèi)置溫度傳感器和液位傳感器，涂裝預(yù)熱箱內(nèi)置溫度傳感器，各傳感器監(jiān)測對應(yīng)參數(shù)，傳遞至控制器。熔煉爐余熱回收煙道安裝電磁蝶閥，由控制器控制啟閉及開度。控制方式如下：

(1) 爐膛壓力傳感器實時監(jiān)測爐膛壓力，并將信號傳送至控制器進行分析，控制器通過爐膛壓力控制算法控制煙氣回收通道電磁蝶閥的啟閉和開度，調(diào)節(jié)爐膛煙氣壓至正常范圍。

(2) 煙氣余熱保溫水箱溫度傳感器實時監(jiān)測水溫，當(dāng)水溫達到上限值無法吸熱后，信號反饋至控制器，控制器根據(jù)水箱溫控算法，控制煙氣回收通道電磁蝶閥關(guān)閉，余熱回收泵關(guān)閉，停止取熱。液位傳感器監(jiān)測到液面降低時，控制器接收信號，控制補水泵開啟補水，液面恢復(fù)到正常范圍，停止補水。

(3) 涂裝預(yù)熱箱內(nèi)置溫度傳感器實時監(jiān)測預(yù)熱箱溫度，當(dāng)溫度超過上限值時，控制器接收溫度傳感器反饋信號，關(guān)閉煙氣余熱供熱泵；溫度降低后，供熱泵自動開啟。

2 熔煉爐煙氣余熱回收利用經(jīng)濟效益分析

每套煙氣余熱器回收2臺熔煉爐煙氣余熱，表1為熔煉回收系統(tǒng)參數(shù)，基于表1進行余熱回收量計算。

圖2 煙氣余熱回收控制流程

表1 熔煉回收系統(tǒng)參數(shù)

對余熱回收采用近似計算[3]的方式，每立方米天然氣每小時燃燒需要的空氣量V0(m3)為：

(1)

其中：HL為天然氣低熱值，取值為3.64×104kJ/m3。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計算得V0=10.3 m3。

每立方米天然氣每小時燃燒產(chǎn)生的理論煙氣量V0f(m3)為：

(2)

其中：α為過量空氣系數(shù)，取值為2。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)計算得V0f=11.2 m3。

每立方米天然氣每小時燃燒產(chǎn)生的實際煙氣量VN(m3)為：

VN=V0f+(α-1)V0.

(3)

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)計算得VN=21.5 m3。

4臺熔煉爐每小時產(chǎn)生的實際煙氣量V(m3)為：

V=KVNV燃氣.

(4)

其中：K為煙氣利用系數(shù)，取值為0.8；V燃氣為4臺熔煉爐每小時耗氣量，取值為460 m3/h。將相關(guān)參數(shù)代入式(4)計算得V=7 912 m3。

2套煙氣余熱器每小時吸收熱量[4]Q0(kJ/h)為：

Q0=V(c1t1-c2t2).

(5)

其中：t1為高溫?zé)煔鉁囟龋?00 ℃；c1為高溫(500 ℃)煙氣標(biāo)況下熱容，取1.443 kJ/(m3·℃)；t2為低溫?zé)煔鉁囟龋?20 ℃；c2為低溫(120 ℃)煙氣標(biāo)況下熱容，取1.375 kJ/(m3·℃)。將相關(guān)參數(shù)代入式(5)計

算得Q0=4.4×106kJ/h。

(6)

折算成天然氣用量：

(7)

根據(jù)多年生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，熔煉爐每年運行約為350天，其折算用氣總量V總(m3)為：

(8)

其中：T為熔煉爐每年運行時間，取為8 400 h。經(jīng)計算得V總=4.3×105m3。

由上述計算可知，所設(shè)計的熔煉爐余熱回收再利用系統(tǒng)，每年理論上可以減少4.3×105m3的用量，其經(jīng)濟效益頗為可觀。

3 結(jié)論

熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統(tǒng)已成功在輪轂生產(chǎn)線運行，通過現(xiàn)場跟蹤，并分析對比兩年以來技術(shù)指標(biāo)、運行參數(shù)及經(jīng)濟數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

(1) 熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統(tǒng)可以充分地回收熔煉爐煙氣余熱，并將余熱傳遞至涂裝預(yù)熱工藝，輪轂預(yù)熱效果顯著，證明熔煉爐煙氣余熱回收利用技術(shù)路線是可行的。

(2) 熔煉爐煙氣余熱回收再利用智能控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對余熱回收、余熱傳送和余熱利用等各個環(huán)節(jié)進行控制，提取高品質(zhì)煙氣余熱供輪轂預(yù)熱，實現(xiàn)熱量自動匹配功能。

(3) 分析熔煉爐煙氣余熱回收再利用系統(tǒng)的經(jīng)濟指標(biāo)和成本數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)每年可節(jié)省成本百余萬元，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值,同時有效地減少了碳排放，達到了節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。