再生铝纯氧燃烧熔炼技术

与应用效果研究

Research on pure oxygen combustion smelting technology

and application effect of secondary aluminum

文 / 张 妍  曹 杰

摘要：  本文通过分析目前国内再生铝行业的发展状态和需求，结合再生铝的熔炼工艺过程中对于降低能耗及减 少对环境造成的污染等诉求，提出了纯氧燃烧及无焰纯氧燃烧等替代传统蓄热式燃烧的解决方案，介绍了纯氧 燃烧及无焰燃烧的产生机理，并分析了纯氧燃烧及无焰纯氧燃烧的特点及其在再生铝熔炼工艺中的降低能耗、

减少污染物排放及提高生产率等应用优势。

关键词：  再生铝；纯氧燃烧；无焰燃烧；烧损率；热传递；熔化效率

0 引言

绿色低碳成为工业和社会发展的必然趋势，随着中国 越来越多铝制品达到使用寿命，中国也迎来了废铝回收的 快速增长期，同时，海关对洋垃圾停止进口，降低了废铝 的进口量，激发了国内废铝回收体系的建设和发展。发达 国家的废铝回收使用水平接近 50%，我国废铝回收即将进 入新的发展时期，对于以前较少使用废铝的铝挤压及铝轧 制企业， 使用铝废料代替电解铝锭，  不仅可以减少碳排放， 还可以降低原料成本，提升经济效益 [1]。

与铝合金锭重熔或使用纯铝锭相比，再生铝对熔炼这 一核心生产环节的工艺设备提出了更高的要求，采用传统 的蓄热式燃烧系统进行熔炼很难达到最佳的能效和回收率 水平，蓄热式燃烧通常存在生产效率低、蓄热体等设备维 护成本高、能耗大、铝产品烧损严重，劳动强度大及环境 污染严重等问题。

因此国内外均针对再生铝熔炼工艺开展了大量的研究 开发与技术创新工作，纯氧燃烧在欧洲再生铝行业的成功

开发及应用，证明了其在再生铝工艺中的应用优势，纯氧 燃烧是一种较传统的空气燃烧在再生铝生产中降低能耗并 提高生产率的有效解决方案。

1) 纯氧燃烧、空气蓄热式燃烧在热效率等方面的对比 计算 [2]

炉窑的燃烧系统有多种方式，最常见的是空气燃烧，  也可以选择纯氧燃烧或富氧燃烧，每种燃烧有不同的燃烧 特性，会形成不同的燃烧效果，再生铝熔炼是将铝及铝合 金废料在熔炼炉内进行一系列的工艺处理，例如熔化、净化、 合金化、脱气、除杂等，最终生产出符合设计要求的铝合 金铸坯铸锭或铝水的过程。熔炼过程经历几个不同阶段：  装料、熔化、合金化、精炼、保温、浇注或出料，在这些 不同的阶段应用不同的火焰形状和燃烧速率，可达到最佳 工艺效果。

再生铝熔炼工艺常用的炉型是反射炉，燃烧系统采用 蓄热式空气燃烧，  可以提高能源效率。燃料以天然气为例， 冷空气燃烧、蓄热式燃烧及纯氧燃烧的能耗及能效如下表

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技 术  Technology

所示 :

表 1  不 同燃烧 方 式 下 的 能耗及 能效对 比

假定烟气温度为 1100℃，当助燃空气的温度被预热 至 200℃时，对比在非预热助燃空气条件下，热效率将从 40% 提高到 50%， 预热温度进一步提高将再次提高热效率， 同时，助燃空气的预热温度提升会引起火焰温度的提升，  过高的火焰温度将会带来一些不利影响，例如炉内耐火材 料的寿命减短、铝的烧损增加、维护成本的提升及 NOx  的 生成量的增加。因此，采用蓄热式燃烧的空气预热燃烧系统， 助燃空气的预热温度不宜过高。排放的标准也限制了 预热 温度，一般不超过 450~500℃。

铝锭熔化所需的能量， 在理想状态下通常为 316kwh/t。 燃料燃烧的反应方程为：

例如：

由于燃烧反应中，助燃空气中的氮气等除氧气之外的 成分没有参与真正的燃烧反应，但是却被加热到 1100℃， 随后从烟道排出，带走了大量的热量，若提高助燃空气中 的氧含量或采用纯氧，可大幅较少烟气的生成量，从而有 效提高燃烧效率。

2)污染物排放

较高的火焰温 度会导致氮气和氧气反应生成热力型 NOx，纯氧燃烧便可以完美解决这个难题，采用纯氧助燃直 接避免了常规助燃空气中的大量氮气进入炉内，只有少量的 氮气由于炉体漏风或者跟随物料进入炉内，阻断了氮的来源， 有效减少了 NOx  的大量生成。

氧气加入后的节能效果是显而易见的，例如，在助燃 空气中增加 30% 的氧气，相当于将助燃空气完全 预 热 至 600℃的节能效果，实际生产中，无法预热到 600℃，因为助

燃空气预热到 600℃后会生成大量的 NOx。

使用纯氧或富氧的燃烧的另一个需要考虑的问题为氧 气或助燃空气的过剩系数，没有一种燃烧工艺可以实现氧气 和天然气的完全燃烧， 无任何残氧。因此，需根据炉内实际 状况对燃烧器的氧燃比进行精确的控制。通过对燃烧器的 实时控制，改变火焰形状以适应不同工艺的实际需求，并实 现对炉内残氧量的控制，并避免过量的氧气长时间接触熔 炼炉内壁，减少耐火材料的氧化，并减少形成铝渣的可能性， 提高收得率。

3)纯氧燃烧系统的构成及经济性研究

针对再生铝熔炼的特点和发展需求，开发了纯氧燃烧系 统，包括液氧储罐，汽化器，流量控制阀组，纯氧燃烧器及相 应的传感器。根据熔炼反应的不同阶段，精确控制氧气与天 然气流量，从而改变火焰形状，适应各个熔炼阶段的需要。 综合国内外的应用，纯氧燃烧器可以实现快速高效熔炼，在 实验室研究开发的基础上，在国内铝合金制品企业已经开始 生产应用：

在 20 吨 再生铝反射炉内安装了两支低 NOx  高速纯氧 燃烧器，最大功率 4WM，另一台 20 吨反射炉保持原有的 蓄热式燃烧器，并进行对比测试。吨铝能耗从 100Kwh 降低 到 49.8kwh。实现了节能 50% 的目标。加料初期的熔化阶 段是发挥纯氧燃烧效能的最佳阶段，这一阶段，物料为常温， 火焰和物料的温差最大，较大的温度梯度实现了快速的热 量传递，同时，炉体的排烟温度较低，熔化一炉原料的时间 从 8h 缩短为 6h，炉次从每天 3 次增加为 4 次，大大提高了 生产率。附带的优势是，纯氧燃烧系统的使用，烟气量大幅 降低，环境更加友好。

由于避免了无效的氮气带走燃料燃烧产生的热量，纯氧 燃烧技术显著提高了能效，降低了能耗，同时，氧气的使用 增加了部分成本，因此，对使用氧气后的成本进行了比对，结 果如下：

天然气节约量：100kwh/t~50kwh/t ，即 100-50=50m3/t 天然气价格：3 元 /m3

氧气消耗：2×50=100m3/t

氧气价格：1 元 /m3

效益：50×3 - 100x1=50 元 /t

年生产量  20000t~24000t

利润 200 元 /t

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T  echnology  技 术  

年度效益：50×24000+(24000 -20000)×260=200( 万 元 / 年 )

项目投资约 80 万元，因此不到半年可以回收投资。

2  热传递效率与金属烧损率：

铝由于对氧气的高亲和力而倾向于被氧化为 Al2  O3 , 因 此固态和液态铝的表面时常会覆盖着一层氧化膜，氧化膜可 以保护铝产品免受进一步氧化。铝可以被氧气、二氧化碳、 水蒸气和一氧化碳氧化，反应方程如下 [3,4]：

上述化学反应并非全部在同一时间和温度下发生。通 常，一氧化碳的浓 度不高，因此通常不会发生液态铝与一 氧化碳的反应。在燃烧过程中，多余的氧气保持在最低水 平，因此，铝被 过 度氧化也不太常见。炉内气氛主要成分 为 CO2 和 H2 O，这些反应最有可能发生。在这两者之间，  H2 O 还原为 H2  主要发生在铝熔体的熔炼温 度范围内。当 Al 氧化成 Al2   O3  时，它的重量约为 89％。在实验室规模 的测试设备上，可以测量这种重量增加。氧化铝释放热量， 每千克 Al2   O3  释放出 4 . 56 kw 的热量，并且 对炉内热 平 衡具有积极的影响 [5]。

金属铝极易氧化 , 且其氧化在较高的温度和周围较高 的氧化气氛浓度下会加速 ,，所以必须格外小心对于温度及 氧化性气氛的控制。铝在过热条件下会产生渣，局部过热会 导致炉内产生热区和冷区，导致无法有效利用熔炼炉的容积 进行熔化处理，在相对较冷的炉段中，炉底或炉端积渣量增多。 炉子局部过热或火焰偏斜会造成耐火材料损失过多和能量 损失较大。而局部过热通常是由短火焰引起的。对于炉子而 言太长的火焰容易使炉子的另一端过热，并可能损坏对面炉 壁的耐火材料，火焰长度过长甚至可能造成火焰直接穿过 炉子而引发着火，从而导致能量损失增加，因此，火焰长度 的控制也是燃烧控制的关键环节。

由于实现了更好的热量传递，纯氧燃烧可以显著提高 熔化效率，缩短熔化时间，提高单位时间内的产量。   炉内铝 水暴露在氧气过剩的炉气内的时间相应缩短，减少了渣的生 成量。另一方面，虽然纯氧燃烧后的炉气量大幅减少，降低 了炉气流过物料表面的总量，影响了热量传递，但火焰温度高， 温差大，带来的对流换热及辐射换热的速度快，抵消了这一 负面影响。

研发过程中，针对熔炼工艺的不同阶段，对燃烧系统进 行了精确控制，这一点尤为重要。

在熔炼初期，采用较高的功率，火焰方向偏下，实现快 速加热，在原料吸热充分并开始熔化为铝水后及时降低功率， 避免过度加热，引起壁面温度过高，造成铝液氧化，生成铝 渣。铝渣一旦生成就会影响热传递效率，避免漂浮铝渣的生 成和及时扒渣是工艺控制的重要环节，因此，燃烧系统的精 确控制是实现良好的熔炼效果的关键，这其中也包括燃烧器 的安装位置和角度的设计，燃烧系统内多因素协同完成对炉 内气氛的控制实现低金属烧损。由于再生铝工厂的氧气使用 量一般不大，较为常见的是由工业气体公司提供液氧储罐，  安装在客户工厂，用液体槽式运送液氧，保障氧气供应，客户 支付储罐租赁和氧气使用费用。这一费用已经包含在前述的 经济效益分析计算之中。

为了避免火焰在给定的炉子内布置不当，必须调整火焰 的长度及宽度，并且必须仔细计划和设计烟气路径。只有在 燃烧技术和熔炼工艺得到调整和最优化时才有可能实现。 独特的控制技术与无焰纯氧燃烧技术相结合，可确保在热量 需求高的工艺段具有较高的能量输入速率，而在预期氧化速 率较高时可确保较低的能量输入速率，以降低烧损。

2  无焰纯氧燃烧在铝熔炼工艺中的应用

目前，全球范围内对于无焰燃烧还没有进行非常明确的 定义，我们可以通俗的理解为，燃烧发生在非常宽广的空间 之内，火焰没有明显的边界。无焰燃烧也被称为稀释燃烧、 弥散燃烧等。无焰燃烧通常有以下两种方法直接获得 [5]：

1)通过将部分烟气再循环到燃烧器中来稀释火焰，助 燃空气需预热到 400℃~ 500℃；

2)使燃料和助燃剂高速分离并延迟混合来实现，通常， 助燃剂有三种形式：一、纯氧助燃；二、空气助燃，需预热至

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技 术  Technology

1000℃以上；三、富氧空气助燃，也需预热。

无焰燃烧有助于获得非常良好的温度均匀性。实施无 焰燃烧后的炉膛内，低温区域的温度上升，高温区域的温度 下降，这意味着，炉膛内将获得更小的温度梯度，对于温度 均匀性要求高的工艺环境是非常有利的。其次，无焰燃烧可 以将燃烧产物中的 NOx  降到很低的水平，这可以很好的解 决很多工业过程带来的环境污染问题。无焰燃烧的一个附 带的优势是燃烧过程的噪音低，为操作人员创造了一个更加 安全且相对舒适的工作环境。

将无焰燃烧技术与纯氧燃烧技术相结合，能融合两种

燃烧方式的优势，进一步降低能耗以及使     x  的排放量降

到更低的水平。

无焰纯氧燃烧在铝熔炼工艺中的应用之一，Air Liquide 公司的 BoostAL DDC 系列的燃烧器，具有两种工作模式， 一种为动态火焰模式，火焰可见，如图 1 所示，在熔化段，调 节火焰的喷射角度，使可见火焰外略固体料表面，强化对流

图 1 BoostAL DDC 的可调节火焰工作模式

图 2 BoostAL DDC 无焰工作模式

换热，提高换热效率，可实现废料的快速升温及熔化；另外 一种工作模式为无焰纯氧燃烧，如图 2 所示，在保温段，利 用无焰燃烧温度均匀性高、节能等优良特性，实现铝液的低 能耗保温并将烧损降至最低。

根据以往的应用案例，使用 BoostAL DDC 后，对比传 统的纯氧燃烧技术，可为客户节约 20% 的氧气及 15% 的天 然气的同时，获得更好的产品质量及更少的烧损。

3  结论及应用展望

1)   再生铝行业反射炉应用结果显示，纯氧燃烧可以将 熔化效率提高 20% 以上，与冷空气助燃相比可节能 50%， 与蓄热式相比，可节能 20% 以上，降低了氮氧化物的排放， 对金属烧损无不利影响，经济效益显著。因此，纯氧燃烧对 比传统的空气蓄热式燃烧在降低能耗方面有非常突出的表 现，加之可以有效降低再生铝熔炼过程中产生的氮氧化物等 有害物质并具有减少维护、操作更友好等优势，使之具有非 常可观的应用前景。

2)   无焰纯氧燃烧具有无焰燃烧和纯氧燃烧共同的优 势，可进一步将产能及污染物的排放降到最低，且同时获得 最佳的炉温均匀性及燃烧的低噪声，在再生铝熔炼工艺中具 有非常有意义的应用价值。

3)   纯氧燃烧在再生铝行业中的应用方兴未艾，随着我 国液氧供应覆盖区域的扩大，再生铝纯氧燃烧会逐渐成为众 多行业领先公司对节能减排，实现“绿水青山”的突破口，在 实现高效燃烧和低碳发展的同时，获得最佳的经济效益。

参考文献

1. 韦漩 , 王海娟 , 刘春伟 , 等 . 废旧铝合金回收利用的研究现状 [J]. 过程工程学报 ,2019,19(1):45— 54.

2. 曲永祥 . 铝行业的新机遇 [J]. 中国有色金属 ,2012(12):38— 39.

3.  Fateh,  B .  2011.  Study  of  early  stage  interaction  of oxygen with Al,  methods,  challenges  and  difficulties, TMS 2011, Light Metals 2011, 725 ff.

4. Kvithyld, A. 2011. Oxidation of AlMg in dry and humid atmospheres, TMS 2011, Light Metals 2011, p. 719 ff.

5.  CHARLES  E .  B A UKAL  JR,  O XY GEN - ENHANCED COMBUSTION SECOND EDITION, 2013, 495 - 520.

作者简介：张妍(1982—)，女，辽宁鞍山人，硕士，研究员， 从事气体在有色金属领域应用技术及设备研究、设计工作。 R

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