1 概述
雖然我國鋁型材產量已經連續五年居世界首位，但鋁型材行業生產技術與美國、日本、德國、意大利等國家相比還存在較大的差距，節能減排任務重大。主要表現在以下幾個方面：
（1）鋁型材行業的能耗與污染物排放情況
平均每生產1噸鋁型材消耗工業用水約16～18噸；表面處理產生的廢水中含有多種金屬雜質離子；高能耗；產生大量廢渣，僅一條年產鋁型材2400噸的氧化著色生產線，每年產生污泥約15萬噸，廢渣2000噸，數量極大。廢水污泥成份比較復雜，目前大多數工廠采用填埋的方法處理這些污泥。這不僅占用有限的土地資源，而且浪費資源，污染環境。
（2）鋁型材行業高能耗與高污染的原因
①熔煉和回收：目前鋁熔煉爐中電爐占5％，油爐占91％，燃氣爐占4％，造成重熔生產1噸擠壓圓錠的油耗比工業發達國家的高55.17％，而實際鑄錠（軋制扁錠與擠壓圓錠）的平均熔煉能耗比工業發達國家的高得多。另外，鋁熔煉爐能耗的總體狀況還是處于中低水平。
②鑄造、軋制和擠壓：缺乏高檔次產品；小機臺多，擠壓裝備較落后，效率低；裝備的自動化程度低，無法實現等溫快速擠壓，生產精密型材；模具質量欠佳。
③表面處理： 表面處理是鋁加工過程中的高耗電、高耗水、高污染的環節。
節能減排成為當今鋁加工企業迫切需要解決的問題，本文從熔鋁爐、保溫爐、擠壓機棒爐、氧化處理污泥深加工利用等方面出發，提出一些新方法和策略，從而使鋁加工企業達到節能減排和清潔生產的目的。
2 熔鋁爐的節能減排與清潔生產技術
2.1 熔鋁爐工作過程
熔鋁爐的熔煉過程大致可分為4個階段，即爐料裝入到軟化下榻、軟化下榻至爐料化平、爐料化平到全部熔化（該階段產生氧化浮渣）、鋁液升溫。對鋁料的加熱是通過燒嘴火焰的對流傳熱、火焰和爐墻的輻射傳熱以及鋁料間的傳導傳熱來完成的。矩形熔鋁爐圖片見圖2—1，4個階段的工作特性見圖2—2、圖2—3所示。
圖2—1矩形熔鋁爐外型圖片
在整個過程中，三者之間的比率是不斷變化的。固態時鋁的黑度小，導熱能力強。隨著熔煉過程的進行，爐料進入半液半固的臨界狀態，其導熱能力下降，熱力學性質發生了根本性的變化。液態鋁的導熱能力僅為固態鋁的40％，熔池上部向底部的傳導傳熱過程十分緩慢。金屬鏡面上漂浮的疏松浮渣構成熱傳遞的絕熱阻擋層。此時熔池表面氧化膜化開，失去了保護作用，氧化、吸氣傾向增強。對于火焰熔鋁爐來講，在鋁的熔化期，爐膛溫度一般控制在1200℃，此時的出爐煙氣溫度即為爐膛溫度，煙氣帶走的熱量約占爐子熱負荷的50～70％，考慮到10％的其它熱損失，有效熱利用只有30～40％，如果不充分利用這部分余熱，勢必會造成很大浪費，使爐子熱效率很低。
圖 2—2熔鋁爐爐溫及能量分配模型示意圖
圖2—3熔煉過程中爐料變化示意圖
綜上所述，選擇有效的強化加熱方式和回收煙氣余熱來預熱助燃空氣是提高爐子熱效率，確保熔煉過程中最少的直接燃料消耗的有效途徑。
2.2 采用高溫空氣燃燒技術
高溫空氣燃燒改變了傳統燃燒方式，采用煙氣再循環方式或燃料爐內直接噴射燃燒的方式，主要表現為經過陶瓷蜂窩體的助燃空氣被預熱至1000℃以上，以適當的速度噴入爐膛，在高速氣流卷吸、攪拌作用下與爐內燃燒產物混和，空氣中21％的氧被稀釋，在低氧濃度（最低5％～6.5％）流體中燃燒，在高溫空氣條件下燃燒可實現低空氣系數燃燒，減少鋁的氧化燒損。
蓄熱式燃燒系統主要包括一對裝有蓄熱體的燃燒器、一套換向裝置、一套控制系統以及管路系統，其示意見圖2—3。
圖2—3蓄熱式燃燒系統圖
當爐氣溫度為1000～1200℃時，助燃空氣溫度可預熱至800～1000℃，與使用間壁式空氣換熱器的燃油熔鋁爐相比可節約燃料50％左右。
燃燒器出口混合氣體實際噴出速度在60m/s左右，火焰長度約2.5～3m，火焰直徑約0.5～0.7m。爐內成對的燃燒器換向操作，高溫區頻頻互換，保證爐內溫度均勻，不形成低溫區。
2.3 高速燃燒器技術
對于在用的舊爐子來說，花上30萬元新增一對蓄熱式燃燒器，對于企業來說較難接受。
采用高速燒嘴的噴頭，燃氣以100m/s以上的高速噴向爐膛，助燃空氣以90m/s的速度參與助燃，對鋁堆產生強有力的沖擊作用，加速熔化，為了防止脫火，在燃氣的噴口安置了一只長明點火槍。見圖2-4。
圖2-4 高速燃燒器結構示意圖
我們在消化吸收美國天時高速燃燒器產品的基礎上，開發出了性能優異的高速燃燒器，煙氣流速可達到180m/s，負荷調節比達到1：20，過剩空氣系數可在0.65～10.8之間調節。
高速氣體燃燒器的技術特點如下：
a） 精確組織燃燒，燃燒效率99.9％；
b） 寬運行工況：熱負荷調節比1∶20，空氣系數0.5～10；
c） 采用分級燃燒，有害氣體（NOx）排放符合國家環保標準；
d） 具有煙氣引射回流功能，可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內；
e） 全金屬結構，連續使用壽命3年。
2.4 熔鋁爐自動控制技術
控制系統是改善燃燒、降低能耗、保證工藝要求、提高產品產量和產量的重要保證，最終的目的是要實現燃燒設備流量、溫度、壓力、氣氛等參數的自動檢測及過程控制。
2.4.1 爐壓自動調節控制
合理的火焰爐應實現微正壓操作。爐壓控制圖見圖2—5。
圖2—5爐壓控制方案圖
2.4.2 蓄熱式燃燒器控制方案
蓄熱式燒嘴控制方案見圖2—6所示。
圖2—6 蓄熱式燒嘴燃燒模式控制圖
2.4.3 燃燒系統控制
基本流量控制框圖見圖2—7。
圖2—7 燃燒系統基本流量控制圖
在熔鋁爐燃燒控制系統運用新技術后，無論從燃料消耗還是操作維護上，都會對熔鋁爐產生較大地改觀，有望達到世界一流的水平。
2.5 熔爐收塵及煙氣處理系統
除塵系統應根據爐子工作狀態自動調節系統抽風量，確保爐子工況穩定。除塵系統流程圖見圖2—8。
圖2—8除塵系統流程圖
我們對幾個鋁型材企業的熔鋁爐進行了以上改造，節約燃氣消耗達到18～27%。
3 擠壓機棒爐節能技術
擠壓機棒爐的能耗占鋁加工企業總能耗的12～20%。擠壓機棒爐大體可分為三種，單棒爐、多棒爐和短棒爐。圖片分別見圖3—1、圖3—2、圖3—3。
根據理論計算，將1t鋁棒加熱到450℃，只需要13m3天然氣（爐子熱效率100%），考慮到爐子熱效率和間歇加熱的生產工藝，加熱爐熱效率假定為60%，也最多消耗天然氣22 m3/t鋁棒，折合成產品能耗為26m3/t產品。然而，目前鋁棒加熱爐的產品能耗折合為天然氣為45m3/t產品，有的甚至高達70m3/t產品以上。節能空間仍然很大。
圖3-1擠壓機單棒爐圖片
圖3-2 擠壓機多棒爐圖片
圖3-3擠壓機短棒加熱爐
3.1 單棒爐節能技術
3.1.1 改造爐膛
根據理論計算，現爐膛容積熱強度大大低于工業爐的標準，爐膛太大，爐內溫度低，對燃燒不利，要求達到一定的容積熱強度就必須增加燃燒功率，這樣勢必會加大單位產品的燃氣消耗。我們采取減小爐膛容積和增加拱頂磚的方式改造爐膛，頂蓋改造示意圖見圖3—4。
圖3—4頂蓋改造示意圖
3.1.2 更換燃燒器
將現有直流燃燒器全部更換為好易燃公司生產的專利產品—旋流燃燒器（二代）。增加火焰剛度，提高火焰溫度，加強傳熱效果。
（1）旋流燃燒器工作原理
燃燒器中裝有各種型式的旋流發生器(簡稱旋流器)。燃料與空氣混合氣流通過旋流器時發生旋轉，從噴口射出后形成旋轉射流。利用旋轉射流，能形成有利于著火的高溫煙氣回流區，并使氣流強烈混合。 見圖3—5。
圖3—5旋流燃燒器燃燒過程示意圖
（2）好易燃旋流燃燒器結構
旋流噴嘴（如圖3—6），跟傳統的長棒熱剪爐噴嘴相比，具有火焰剛度大、傳熱動力大、燃燒效率高等特點。
圖3—6旋流噴嘴示意圖
3.1.3 取消循環風機
擠壓機棒爐在有循環風機的情況下，爐膛負壓過高，吸入的冷風量大，噴嘴嚴重脫火，大大降低了爐子的熱效率。
取消循環風機后，爐膛可以運行在微正壓狀態，保證爐子的安全、
經濟運行。還可以節約電費 45000～66000元/臺.年。
根據我們的改造經驗，Φ180mm以下的棒爐可以取消循環風機，Φ180mm以上的棒爐不適宜取消循環風機，而是采用板式換熱器充分利用煙氣余熱加熱助燃空氣，提高加熱爐整體熱效率。
3.1.4 加裝氧氣檢測儀
為了更加準確的調整燃燒，精確控制空燃比，擺脫憑經驗調試的被動局面，在文丘里混合器后面的管道上安裝氧氣檢測儀，氧氣檢測儀連續將氧含量的數據發送到 PLC，PLC 根據設定的空燃比數據調整燃氣和空氣調節閥的開度，使氧含量始終保持在合適的比例，確保精確組織燃燒。
3.1.5 加強保溫
爐膛改造后，在火嘴磚和頂蓋磚的外部采用新興保溫材料加強保溫，是爐壁溫度降低到80℃以下，減少散熱損失。
2010年以來，我們已經對 80 多臺單棒爐進行了節能改造，最好的節能49%，最差的也達到了12%。我們對客戶均承諾經過我們節能改造后，燃氣節能率達到 10%以上。
3.2 多棒爐節能技術
3.2.1 改造燃燒室
將多棒爐出棒側改造成燃燒室，取消原燃燒機系統，利用高速燃燒器作為熱源設備，將高速燃燒器的高速氣流直接噴入燃燒室，減少與空氣的換熱過程。
為了避免火焰直接接觸鋁棒，導致熔棒事故發生，在燃燒器火焰
底部鋪設一塊耐火隔板，使火焰高速擴散到爐膛的各個角落。改造示意圖見圖3—7。
圖3—7燃燒室示意圖
3.2.2 利用高速燃燒器
與熔鋁爐近似。
3.2.3 取消熱風循環系統
將燃燒室進行改造后，將循環風機、燃燒機、原燃燒室全部取消，為了減少改造工作量，對內部結構不予改變，只將原循環風道堵死即可。 這樣不但節省了風機與燃燒機的投資，還節約了因循環風機帶來的電力消耗。
3.2.4 增加空燃比控制系統
控制系統見圖3—8。
圖3—8電子空燃比控制系統圖
3.2.5 爐壓控制系統
爐膛溫度控制、排煙溫度與爐壓控制是密不可分的。首先，規定燃燒室的壓力范圍為 10～20Pa，煙囪上安裝一塊擋板，爐壓高時，擋板開度加大，反之，減小。在爐壓的正常范圍內，根據爐膛溫度尤其是排煙溫度調節擋板開度。這就是所謂的串級控制。
3.2.6 增加板式空預器
為了保證排煙溫度保持在150℃左右，充分利用煙氣余熱，在煙囪底部加裝一臺空氣預熱器，將助燃空氣進行預熱，提高燃燒溫度、降低過剩空氣系數、提高棒爐效率、降低燃氣消耗。
我們為某鋁加工企業所做的多棒爐節能改造效果顯著，原噸產品消耗天然氣53m3，改造后僅為31.8m3，節能率達到了40%，且提高了爐膛溫度均勻性，加熱時間大大縮短，提高了設備生產率。
3.3 短棒爐節能技術
短棒加熱爐是一種對流式加熱爐，見圖3—9所示。利用燃燒機燃燒產生的高溫氣體對鋁棒進行對流加熱。
圖3—9短棒加熱爐示意圖
該鋁棒加熱爐爐膛內設置熱電偶，控制爐膛溫度以滿足鋁棒加熱的要求，由于控制系統為脈沖控制即溫度超過設定溫度后，燃燒機停止工作，當溫度低于設定溫度時，燃燒機要對爐內吹冷風幾十秒鐘才點火，這樣就影響到了爐子的熱效率，增加了能耗。另外，該燃燒機對空燃比不能自動控制，一般都是大空燃比運行，導致能耗增加。
3.3.1 采用高速燃燒器替代燃燒機（見多棒爐）
3.3.2 增加自動控制系統
（1）加熱爐溫度控制系統基本構成
加熱爐溫度控制系統基本構成如圖3—10所示，它由PLC主控系統、移相觸發模塊、整流器 SCR、加熱爐、傳感器等 5個部分組成。
短棒加熱爐是由爐膛溫度作為溫度控制指標，預先設定爐膛溫度為相應溫度。
圖3—10溫度控制系統基本構成
（2）空燃比控制系統
燃燒控制示意圖如圖3—11所示。燃料給定量的調節根據鋁棒加熱爐的溫度由計算機控制。
圖3—11鋁棒加熱爐燃燒控制示意圖
3.3.3 取消循環風機
短棒加熱爐一般都配置1～4臺循環風機，試圖使爐膛溫度均勻，提高煙氣流速。
（1）取消循環風機
更換為高速燃燒器以后，因為高速燃燒器噴出速度高，對爐膛內的氣氛具有強烈的攪拌作用，不用風機就能保證爐膛溫度均勻，因此，完全可以取消循環風機，以節省電耗。
（2）改造爐膛底部的燃燒室
縮小底部爐膛體積，保持煙氣流速。用特制耐火磚將爐膛縮小，沿煙氣流動方向按照從小到大的順序向上部開孔，以保證對鋁棒均勻加熱。
通過對某鋁加工企業的短棒爐進行的節能效果來看，燃氣節能率達到 10～35%以上。
4 氧化污泥深加工技術
鋁型材表面處理過程中會產生大量的膠體狀廢液，經沉淀處理后俗稱污泥，進一步脫水后即為含鋁廢渣。這種廢渣數量極大，僅一條
年產鋁型材2400t的氧化著色流水線，每年產生污泥約15萬t，廢渣2000 t，因此綜合利用意義重大。
鋁型材廢水處理工藝原理簡單，操作、管理方便。目前存在的問題是廢渣的處理，鋁材污泥經壓濾機脫水后仍含較多的氫氧化物，隨便處置會造成二次污染。實際上鋁材廢水的沉淀物含有大量的氫氧化鋁，如果加以開發利用，生產活性氧化鋁產品，具有廣泛的用途。
4.1 氧化污泥生產活性氧化鋁工藝
工藝流程見圖4—1。用流態化爐焙燒，將濕氫氧化鋁先送入斯德干燥機，再送入流態化焙燒爐，噴入燃料焙燒成氧化鋁，經過造粒、養生、活化、分級后，即為最終產品。
圖4—1氧化污泥生產活性氧化鋁工藝流程圖
4.2 主要技術經濟指標表（見下表）
|
主要技術經濟指標 |
|||
|
序號 |
指標內容 |
單位 |
指標值 |
|
1 |
達產年年均產品產量 |
噸 |
5000 |
|
2 |
項目組成 |
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2.1 |
污泥干燥系統 |
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2.2 |
污泥煅燒系統 |
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2.3 |
造粒系統 |
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|
|
2.4 |
養生系統 |
||
|
2.5 |
活化冷卻系統 |
|
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|
2.6 |
篩分包裝系統 |
||
|
2.7 |
控制系統 |
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|
3 |
建設內容與規模 |
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3.1 |
辦公生活設施 |
m2 |
1200 |
|
3.2 |
廠房及倉儲 |
m2 |
4000 |
|
3.3 |
活性氧化鋁生產裝置 |
套 |
5000t/a |
|
4 |
燃料動力年耗量 |
|
|
|
4.1 |
燃氣 |
m3 |
1250000 |
|
4.2 |
電 |
kWh |
2000000 |
|
4.3 |
水 |
m3 |
10000 |
|
5 |
投資和籌措 |
|
|
|
5.1 |
固定資產投資 |
萬元 |
2980 |
|
5.1.1 |
流動資金 |
萬元 |
300 |
|
5.1.2 |
總投資額 |
萬元 |
3280 |
|
5.2 |
資金籌措 |
|
|
|
5.2.1 |
風險投資 |
萬元 |
1800 |
|
5.2.2 |
銀行貸款 |
萬元 |
1100 |
|
5.2.3 |
自籌資金 |
萬元 |
380 |
|
6 |
財務評價指標 |
|
|
|
6.1 |
年銷售收入（高端產品與中低端產品各50%） |
萬元 |
8750 |
|
6.2 |
年總成本（電費0.8元/kWh、燃氣6.5元/ m3、水3元/ m3， 維修300萬元，利息300萬元，管理費用875萬元，工資253.868萬元。） |
萬元 |
2704.368 |
|
6.3 |
年繳稅金 |
萬元 |
1487.5 |
|
6.4 |
年均利潤 |
萬元 |
4558.132 |
|
6.5 |
投資利潤率 |
％ |
138.97% |
|
6.6 |
投資利稅率 |
％ |
45.35% |
|
6.7 |
全部投資內部收益率(所得稅后) |
％ |
39.7 |
|
6.8 |
財務凈現值(所得稅后) |
萬元 |
138.599 |
|
6.9 |
動態投資回收期(所得稅后) |
年 |
1.56 |
|
6.10 |
靜態投資回收期(所得稅后) |
年 |
0.96 |
5 結論
我國是鋁加工特別是鋁型材生產大國，產量占世界總產量的50%以上。過去鋁加工企業對節能減排工作的重視程度不夠，因此，我國鋁加工企業的能耗、裝備水平以及自控技術與國外相比還有很大差距。本文介紹了鋁加工行業熔鋁爐以及棒爐的節能改造技術，根據作者多年的研究和生產實踐，結合設備的具體狀況，提出節能改造的方案。通過對鋁加工行業熔鋁爐、棒爐的節能技術改造，對氧化污泥的深加工利用進行研究，總結了一些實踐經驗，也達到了一定的效果。但是，因為鋁加工企業訂單大多較飽滿，很少能有充裕的時間進行徹底的節能改造，還有不少的節能空間。建議鋁加工企業提高節能意識，充分認識到節能減排不僅僅是國家為了完成國家公約而制定的強硬措施，而且對提高企業經濟效益、提高企業管理水平、提高企業技術裝備水平同樣具有重要的意義。
