氣態懸浮焙燒爐能耗計算與分析

李文鋒,孫彥峰,屈浩然,李銀保,張偉超

(河南建筑材料研究設計院有限責任公司,河南 鄭州 450003)

現代氧化鋁生產工藝中,焙燒工序的設備有氣體懸浮焙燒爐、回轉窯等,其中氣體懸浮焙燒爐以工藝先進、設備布置緊湊、能耗低、能源利用率高等優點在行業有非常廣泛的應用[1-2]。當前氣體懸浮焙燒爐燃氣主要是焦爐煤氣、發生爐煤氣、天燃氣,焙燒工藝采用多級換熱的方式對熱量進行梯級回收,能源轉換效率高[3]。

當前全球范圍內能源消耗的日益增加,各種資源日趨短缺匱乏,能源危機越來越嚴重。氧化鋁行業中研究如何進一步降低焙燒工序的能耗,是行業降本增效的一個緊要攻關課題。本篇把焙燒爐工藝流程作為一個整體的熱力學系統計算,從熱力學原理全面分析影響焙燒工序能耗的關鍵要素,為更深入降低焙燒工序能耗做好理論基礎[4]。

1 氣態懸浮焙燒爐運行原理

1.1 氣態懸浮焙燒爐工藝流程

氣態懸浮焙燒爐生產運行由以下部分組成,進料部分是螺旋給料機和文丘里干燥器,預熱部分是兩級懸風預熱器,焙燒部分是主焙燒爐帶懸浮分離,冷卻部分是四級懸風冷卻,出料部分是流態化冷卻器,收塵返灰部分是電收塵和返灰系統。如圖1所示。焙燒爐運行期間內設備內為負壓狀態,物料處于稀相流態化狀態[2-4]。

圖1 氣態懸浮焙燒爐流程圖

氫氧化鋁(含附著水)通過螺旋給料機輸送到文丘里干燥器內,高溫煙氣將物料打散后充分混合,將附著水去掉。物料經過PO1、PO2兩級預熱并去掉部分結晶水后,進入焙燒爐主爐PO4內進一步反應脫掉結晶水,其中PO4-PO3是焙燒爐的核心反應器,物料在1100～1150 ℃溫度范圍內高溫焙燒,停留時間為2～3秒。主燃氣在PO4錐部進入爐內,和經過換熱后的高溫空氣混合燃燒。焙燒后的物料從PO3從底部分離后,進入到四級懸風冷卻部分,高溫物料經過空氣四級冷卻降溫后進入到流態化冷卻器,冷卻至80 ℃左右輸送到成品倉。從CO4進入的空氣與高溫物料經過四級換熱后,進入到PO4主爐內,與燃氣混合燃燒[5]。

1.2 氣態懸浮焙燒爐熱平衡計算

氣態懸浮焙燒爐的熱量主要來源于燃料燃燒提供的熱量,產生的熱量主要用來提供轉變成Al2O3所需要的化學能以及結晶水、附著水氣化所需要的能量,最終以煙氣和成品Al2O3為載體將熱量帶出系統,一部分熱量以系統熱損失形式散失到空氣中。本文通過對目前國內氧化鋁廠焙燒中常用的天燃氣,發生爐煤氣和焦爐煤氣進行氣態懸浮焙燒爐的熱平衡計算,原始條件如表1所示,燃氣成分如表2所示。

表1 焙燒熱平衡計算初始條件

表2 燃氣成分百分比 %

從表2中可以得出,不同燃氣的主要氣體組分是不同的,天燃氣中含量最多的是CH4氣體,焦爐煤氣中是H2氣體,發生爐煤氣中是N2氣體。由于不同燃氣的主要氣體的構成不同,因而其燃燒熱值,需要的空氣量,產生的煙氣量都有很大的區別。

不同種類燃氣的整體熱平衡如表3～表5所示。

表3 天燃氣整體熱平衡

表4 焦爐煤氣整體熱平衡

表5 發生爐煤氣整體熱平衡

從表3～表5中可以看出,發生爐煤氣的總能耗最高,焦爐煤氣中等,天燃氣最小。系統中氧化鋁反應熱為固定值,Al2O3帶出顯熱,煙氣的顯熱和系統散熱損失各占有一定的比重,應考慮通過降低Al2O3帶出顯熱、煙氣顯熱和系統散熱損失,從而降低總能量的消耗。

2 氣態懸浮焙燒爐主要影響因素

氣態懸浮焙燒爐是一個敞開的熱力學體系,爐內熱工過程相當復雜。通過對爐子熱平衡的理論計算,找出影響爐子能耗的主要因素。

2.1 燃氣成分

燃氣熱值對于焙燒爐的能耗有著巨大的影響,熱值的高低主要體現在燃氣成分上面[6]。天燃氣、焦爐煤氣、發生爐煤氣的物理化學性質如下圖2所示。

圖2 不同燃氣的物理化學性質

由圖2可以得出,其中天燃氣的燃燒熱值最大,高位熱值和低位熱值都是最大的,其次是焦爐煤氣,最后是發生爐煤氣。因此在氣態懸浮焙燒爐中,天燃氣用量最小,發生爐煤氣量最多,發生爐煤氣量幾乎是天燃氣的10倍左右,是焦爐煤氣的4倍左右。但是,通過理論計算得出,焦爐煤氣的理論燃燒溫度最高,其次是天燃氣,最后是發生爐煤氣。理論燃燒溫度與燃燒熱值和產生煙氣量有關。天燃氣雖然燃燒熱值大,但是其產生的煙氣量也大,其煙氣加熱需要的能量也相應的多,燃氣燃燒后的煙氣量與燃氣的化學成分相關。

在實際生產中,根據各自廠的周邊條件及相應燃氣的價格,選擇合適的燃氣成分。因為天燃氣用量最小,其輸送的管道較細,輸送成本低,而發生爐煤氣用量最大,其輸送管道較粗,成本高。

2.2 空氣過剩系數

在氫氧化鋁含水率相同的條件下,保持反應爐PO4內溫度不變,隨著空氣過剩系數的變化,爐內運行狀況變化如下圖3所示。

圖3 空氣過剩系數與PO4燃氣消耗量、AO2燃氣消耗量、總燃氣消耗量和氧化鋁出口溫度的關系

由上圖中可以得出,增加空氣過剩系數時,為了保持爐子內部溫度維持一個穩定的狀態,則反應爐PO4內的燃氣量也相應的增加。當增加較多的空氣量時,會破壞整個系統的熱平衡,從而降低PO4爐內溫度,因此需要更多的燃氣燃燒產生熱量進而提高爐內的溫度。但是AO2文丘里反應器內的燃氣量則是隨著空氣過剩系數的增加而降低。因為增加空氣過剩系數,其產生的煙氣量也相應的增加,爐內溫度一定時,煙氣的顯熱顯著增加。當煙氣經過AO2文丘里干燥器時,煙氣的顯熱可以去除大部分氫氧化鋁的附著水,從而顯著的減少了AO2中燃氣的消耗量。由于AO2燃氣的減少量小于PO4中燃氣的增加量,所以隨著空氣過剩系數的增加,其整體能耗是增加的。空氣過剩系數的增加將會在PO4中產生過多的煙氣量,增加PO4的燃氣消耗,而且過多的煙氣量在PO1處排放增加外排煙氣的顯熱。在整體熱平衡計算中,隨著空氣過剩系數的增加,增加的空氣量吸收成品氧化鋁的顯熱小于PO1出口處外排煙氣所增加的顯熱,則焙燒爐的總能耗是增加的,所以合理設定空氣過剩系數特別重要。在現場運行中,空氣過剩系數的調整是通過外排煙氣中氧氣含量來進行反饋調節,即煙氣中氧氣含量高,則空氣過剩系數高,氧氣含量低,則空氣過剩系數小。氧化鋁出口的溫度則是不斷的降低的,由于增加的空氣量帶走了成品氧化鋁更多的熱量,從而使出口成品氧化鋁溫度降低。

在實際生產運行中,AO2文丘里干燥器一般不通燃氣,PO4燃氣消耗量則是總消耗量。因此,應控制空氣過剩系數在一個合適的值,即使煙氣中氧含量控制在一定的范圍內,既能保證燃氣的充分燃燒,又不致使煙氣量過大,引起增加焙燒爐能耗。

2.3 含水率

在保持反應爐PO4內溫度一定,且空氣過剩系數一定的情況下,隨著含水率的變化,進而對爐內操作條件產生的影響如圖4所示。

圖4 含水率與燃氣消耗量和溫度的關系

從圖中可以得出,當氫氧化鋁含水率增加時,PO4反應爐和AO2文丘里干燥器內的燃氣量都是處于增加的趨勢,則整體的燃氣用量增加較大。但是氧化鋁的溫度則是不斷的降低。因為整體燃氣量的增加,則相應的增加的助燃空氣的量,增加的空氣量帶走了氧化鋁更多的熱量,從而使出口氧化鋁溫度降低。進料處的氫氧化鋁附水高也會相應的增加AO2處的燃氣量。

氫氧化鋁附水對焙燒爐的能耗影響很大,主要原因為水的潛熱遠遠大于水的顯熱,因此當降低氫氧化鋁含水量時,能顯著的降低燃氣的消耗量,并且降低煙氣的體積。

2.4 氣態懸浮焙燒爐內溫度分布

在保持反應爐PO4內溫度一定,出口煙氣溫度一定情況下,且空氣過剩系數和含水率一定的情況下,使用不同的燃氣時,氣態懸浮焙燒爐內運行狀況如表6和圖5所示。

表6 單獨爐子的溫度分布 ℃

圖5 燃氣種類與燃氣消耗量關系圖

從表6和圖5可得,在主爐PO4內溫度一定時,其發生爐煤氣的出口氧化鋁溫度最高,其次是焦爐煤氣,天燃氣最低,且各個爐子內的溫度中,發生爐煤氣爐子各部分的溫度最高,其次是焦爐煤氣,最后是天燃氣。在燃氣的總消耗量中,天燃氣熱值最高,則其消耗量最小,發生爐煤氣熱值最低,則其消耗量最大。主爐PO4的燃氣消耗量走勢同整體燃氣消耗量一樣。但是,AO2燃氣消耗量則不一樣,其中焦爐煤氣量最大,其次是發生爐煤氣,最后是天燃氣。

3 總 結

通過氣態懸浮焙燒爐的燃氣成分及性質,空氣過剩系數,氫氧化鋁含水率這些影響因素進行熱平衡計算,得出一定條件的下焙燒爐能耗水平,分析為以下方面:

(1)盡量選用高熱值的燃氣,高熱值的燃氣消耗量少,從而產生的煙氣量也小,能達到較高的燃燒溫度。

(2)空氣過剩系數保持在一個穩定的范圍,目前國內先進的空氣過剩系數范圍在1.1至1.15之間,而助燃空氣量的加入是通過煙氣中的氧氣含量來進行反應調節的,因此通過計算得出,其相對應的天燃氣煙氣中合理氧氣含量為0.91%～1.31%,焦爐煤氣是0.85%～1.24%,發生爐煤氣是0.96%～1.49%。通過控制煙氣中氧氣含量值,使空氣過剩系數在合理的范圍內,既能保證燃氣的充分燃燒,燃氣消耗量維持在一個較低的水平而且產生較少的煙氣量。

(3)降低氫氧化鋁中的附著水。采用脫水劑進行強化脫水,能顯著降低焙燒爐能耗,降低燃氣的消耗量,從而節約生產成本。

氣態懸浮焙燒爐是一個動態復雜的熱力學系統,內部熱力學反應仍在探索和完善中,各種影響因素對于焙燒爐的能耗的更深一層次分析仍需要更近一步的探索。