摘要：文章敘述了蜂窩體蓄熱式燃燒技術的工作原理，并對其優勢進行了闡述。針對目前應用最廣的18噸熔鋁爐(以天然氣為燃料)，建立了蜂窩體蓄熱室的設計模型，推導出了相應的計算公式。最后，通過工程實例證實了模型和公式的正確性，為蜂窩體熔鋁爐的設計與研究提供了理論基礎。
關鍵詞：天然氣熔鋁爐；蜂窩體；蓄熱式燃燒；設計模型；計算公式
1 前言
熔鋁爐是鋁加工過程的主要熔煉設備，其作用是熔化鋁料，使其質量均勻并達到一定化學成分要求，為鑄造及其他加工過程提供合格的鋁液。熔鋁爐的能耗約占鋁加工廠總能耗的40%以上[1]。因此，提高熔鋁爐的燃燒技術水平對降低鋁加工能耗、提高企業經濟效益及實現國家的節能減排戰略均具有重大意義。
目前，熔鋁爐基本都采用陶瓷球蓄熱式燃燒系統，雖然節能效果良好，但是體積大、效率低，還有繼續優化的必要。
蜂窩體是近年來廣為采用的蓄熱材料，如圖1所示。
蜂窩狀蓄熱體多采用堇青石質或莫來石質做原料[2]。目前廣泛使用的蜂窩蓄熱體的尺寸多為 150×150mm，蜂窩單元間距為 1～3mm，壁厚 0.5～1.0mm，比表面積大（為小球的2～4倍），蓄熱放熱快，有效流通面積大（球的2倍），阻力損失小（球的1/2），是遠優于蓄熱球的新型蓄熱材料。
圖1 蜂窩體蓄熱材料
目前，蜂窩體做為蓄熱材料用于天然氣熔鋁爐還鮮見報道。文獻[3]建立了蜂窩體蓄熱室流動與換熱過程的三維非穩態數學模型，運用計算流體力學(CFD)軟件對陶瓷蜂窩體的工作過程進行了數值模擬，得到了加熱期末尾時刻與冷卻期末尾時刻蜂窩體內氣體的速度、溫度、密度和壓力分布及一個換向周期內氣體出口溫度、蜂窩體縱向溫度和氣體縱向溫度的瞬時變化關系。但是計算方法非常復雜，難以被工程設計人員采用。因此，本文致力于首先建立適用于熔鋁爐的蜂窩體蓄熱室模型，然后給出簡潔的經驗計算公式，以便為工程設計人員提供理論指導。
2 蜂窩體蓄熱室設計計算
以最常見的18噸天然氣熔鋁爐為研究對象。該爐由爐體、兩個蜂窩體蓄熱室、燃料燒嘴組成。燃料以天然氣為例，相關的原始數據及有關參數如下所示：
燒嘴能力：250m3/h，燒嘴前天然氣溫度：20℃，燒嘴前空氣溫度：900℃，爐膛溫度：1200℃，排煙溫度：150度。
蜂窩體蓄熱室設計根據逆流換熱器的計算方法，以煙氣和空氣在周期內的平均溫度為特性溫度，求取綜合熱交換系數，設計蓄熱室的大小。詳細步驟如下：
(1)一個換向周期內預熱空氣所需要的熱量Qk的計算：
預熱空氣量(可近似按12倍燃氣量計算)：
Vk = 250×12 = 3000 Nm3/h = 3879 kg/h
設進入蓄熱室空氣溫度為t1k=20度，排出蓄熱室煙氣溫度為t2k=800度
分別查出t1k= 20℃和 t2k=800℃時空氣的比熱容：
c1k=1.005kJ/（kg?℃），c2k=1.156kJ/（kg?℃）
換向時間選為：Zk=40s=0.011h
則每周期內預熱空氣需要的熱量為：
Qk = Vk×(c2×t2k-c1×t1k)×Zk
= 3879×(1.156×800-1.005×20)×0.011
= 38603 kJ
= 3879×(1.156×800-1.005×20)×0.011
= 38603 kJ
(2)蓄熱室溫度效率e的計算
進入蓄熱室煙氣量(可近似按1.1倍預熱空氣量計算)：
Vy = 3000×1.1= 3300 Nm3/h = 4267 kg/h
設進入蓄熱室煙氣溫度為t2y=1000度，排出蓄熱室煙氣溫度為t1y=200度，分別查出t1y= 200℃和 t2y=1000℃時煙氣的比熱容：
c1y=1.29kJ/（kg?℃），c2y=1.1kJ/（kg?℃）
煙氣換向時間：Zy =40s=0.011h，則每周期內冷卻煙氣需要的熱量為：
Qy = Vy×(c2y×t2y-c1y×t1y)×Zy
= 4267×(1.29×1000-1.1×200)×0.011
= 50222kJ
= 4267×(1.29×1000-1.1×200)×0.011
= 50222kJ
蓄熱室溫度效率：
e=Qk/Qy=38603÷50222=77%，滿足要求。
(3)對數平均溫差 Δt的計算[4]
流動方式為逆流方式，則修正系數Φ=1，蓄熱室的對數平均溫差為：
Δt1 = 1000 – 900 =100度
= 70W/（m2?K）
= 94.6W/（m2?K）
Δt2 = 200 – 200 =180度
Δt = (Δt2－Δt1)÷ln(Δt2Δt1/)=136度
(4)計算蓄熱室內空氣和煙氣速度
假設空氣/煙氣從方孔周期性流過，流體與四周陶瓷蓄熱壁連續換熱。假設流體流過蓄熱體時在各小孔的流速分布均勻。由于蜂窩陶瓷蓄熱體孔徑和壁厚較小，孔分布較均勻，且切換周期較短，故忽略內部徑向熱阻，壁內部徑向溫差視為均勻。
本設計選用的蜂窩體為150×150×150mm,孔為3×3mm，蜂窩體的尺寸得有效截面積（即孔隙率）為：
a=(3×3)÷(3.8×3.8) = 0.623
空氣的定性溫度取：（20+800）/2=410 ℃
煙氣的定性溫度取：（1000+200）/2＝600 ℃
在蓄熱室內每層放16個蜂窩體，因此蓄熱室的截面積為600×600mm2 ,即為0.6×0.6m2。那么可得：
蓄熱室內空截面空氣流速：Uk1 = 3000÷3600÷0.6÷0.6 = 2.31 Nm/s
蓄熱室內空截面煙氣流速：Uy1 = 1.1×Uk1 = 2.55 Nm/s
蓄熱室內空氣流速：Uk2 = Uk1÷? = 2.31÷0.623 = 3.71 Nm/s
蓄熱室內煙氣流速：Uy2 = 1.1×Uy1 = 4.1 Nm/s
在定性溫度下空氣速度為：Wk = 3.71×（1+410/273）＝ 9.3 m/s
在定性溫度下煙氣速度為：Wy = 4.1×（1+600/273）＝ 13.1 m/s
(5)計算蓄熱室傳熱系數K
空氣對流換熱系數為[5]：
= 70W/（m2?K）
煙氣對流換熱系數為[6]：
= 94.6W/（m2?K） 此外，為進一步深入計算，引入以下參數，
蜂窩體壁厚S=0.4mm=0.0004m
陶瓷的導熱系數：λx=2.83w/(m.K)
切換時間，Zk=Zy=40s=0.011h
帶入蓄熱室綜合傳熱系數的計算公式[7]：(考慮到輻射換熱量很小，可以近似認為ak=akd，ay=ayd
得出：K = 40.2 W/m2.k
(6)蓄熱室尺寸計算
蓄熱室單位時間傳熱量為：
q = Qk÷Zk = 38603÷40 = 965kw
蓄熱室的傳熱表面積為：
F = q÷(k×Δt）= 177m2
蜂窩體的壁厚為0.8mm，尺寸為3×3mm2，
其比表面積為：
S0=(4×3)÷3.8÷3.8×1000= 831 m2/m3
一個蓄熱室的蓄熱體體積V為：
V = 177÷831 = 0.213m3
蓄熱室的水平截面積為即為0.6×0.6m2。那么蓄熱室高度為：
L=0.213÷0.6÷0.6=0.592m
取高度為600mm，共四層蜂窩體。
即選用蜂窩體磚4×4×4 = 64塊。
(7)蓄熱室的阻力計算
根據埃根方程計算蓄熱室壓力損失[8]：
對于此蓄熱室，高度L=0.6m；
比表面積s0 = 831 m2/m3；
孔隙率a= (3×3)÷(3.8×3.8) = 0.623
式中U0為蓄熱室空氣的空床速度,
= 2.31×（1+410/273）= 5.8 m/s
μ 、ρ 為氣體定性溫度 410℃下的物性參數，μ=3.31×10-5 Pa?s
以上參數帶入埃根方程后得到蓄熱室阻力損失為： 4272Pa，保守取5000Pa。
3 實際應用效果
我公司于2013年采用蜂窩體蓄熱式燃燒技術對一臺18噸熔鋁爐進行了節能改造(采用本文的設計方法)，驗收結果如下：
表1 驗收數據表
由表1不難看出，改造后，節能效果顯著。噸鋁天然氣消耗由原來的65m3,下降到60m3，下降達到8%。目前，天然氣價格為4.5元/m3，噸鋁可節省天然氣費用22元；按18噸熔鋁爐年產鋁棒1.5萬噸計算，每年可節省天然氣費用33萬元。改造費用大約16萬元，投資回收只有6個月左右，完全可以大力推廣。
5 結論
本文對18噸天然氣熔鋁爐蜂窩體蓄熱室的設計進行了詳細闡述，給出了相應的計算公式，并通過實際改造工程的節能檢測效果驗證了計算方法的準確性。根據上文的論述，不難得出以下結論：
（1）蜂窩體蓄熱式燃燒技術在18噸天然氣熔鋁爐上的改造是非常成功的。
（2）可節省8%的天然氣燃料，按年產15000 t鋁計算，每年可節省天然氣費用33萬元。
（3）該技術投資回收期短，值得在同行業中大力推廣。
