1 概述
虽然我国铝型材产量已经连续五年居世界首位，但铝型材行业生产技术与美国、日本、德国、意大利等国家相比还存在较大的差距，节能减排任务重大。主要表现在以下几个方面：
（1）铝型材行业的能耗与污染物排放情况
平均每生产1吨铝型材消耗工业用水约16～18吨；表面处理产生的废水中含有多种金属杂质离子；高能耗；产生大量废渣，仅一条年产铝型材2400吨的氧化着色生产线，每年产生污泥约15万吨，废渣2000吨，数量极大。废水污泥成份比较复杂，目前大多数工厂采用填埋的方法处理这些污泥。这不仅占用有限的土地资源，而且浪费资源，污染环境。
（2）铝型材行业高能耗与高污染的原因
①熔炼和回收：目前铝熔炼炉中电炉占5％，油炉占91％，燃气炉占4％，造成重熔生产1吨挤压圆锭的油耗比工业发达国家的高55.17％，而实际铸锭（轧制扁锭与挤压圆锭）的平均熔炼能耗比工业发达国家的高得多。另外，铝熔炼炉能耗的总体状况还是处于中低水平。
②铸造、轧制和挤压：缺乏高档次产品；小机台多，挤压装备较落后，效率低；装备的自动化程度低，无法实现等温快速挤压，生产精密型材；模具质量欠佳。
③表面处理： 表面处理是铝加工过程中的高耗电、高耗水、高污染的环节。
节能减排成为当今铝加工企业迫切需要解决的问题，本文从熔铝炉、保温炉、挤压机棒炉、氧化处理污泥深加工利用等方面出发，提出一些新方法和策略，从而使铝加工企业达到节能减排和清洁生产的目的。
2 熔铝炉的节能减排与清洁生产技术
2.1 熔铝炉工作过程
熔铝炉的熔炼过程大致可分为4个阶段，即炉料装入到软化下榻、软化下榻至炉料化平、炉料化平到全部熔化（该阶段产生氧化浮渣）、铝液升温。对铝料的加热是通过烧嘴火焰的对流传热、火焰和炉墙的辐射传热以及铝料间的传导传热来完成的。矩形熔铝炉图片见图2—1，4个阶段的工作特性见图2—2、图2—3所示。
图2—1矩形熔铝炉外型图片
在整个过程中，三者之间的比率是不断变化的。固态时铝的黑度小，导热能力强。随着熔炼过程的进行，炉料进入半液半固的临界状态，其导热能力下降，热力学性质发生了根本性的变化。液态铝的导热能力仅为固态铝的40％，熔池上部向底部的传导传热过程十分缓慢。金属镜面上漂浮的疏松浮渣构成热传递的绝热阻挡层。此时熔池表面氧化膜化开，失去了保护作用，氧化、吸气倾向增强。对于火焰熔铝炉来讲，在铝的熔化期，炉膛温度一般控制在1200℃，此时的出炉烟气温度即为炉膛温度，烟气带走的热量约占炉子热负荷的50～70％，考虑到10％的其它热损失，有效热利用只有30～40％，如果不充分利用这部分余热，势必会造成很大浪费，使炉子热效率很低。
图 2—2熔铝炉炉温及能量分配模型示意图
图2—3熔炼过程中炉料变化示意图
综上所述，选择有效的强化加热方式和回收烟气余热来预热助燃空气是提高炉子热效率，确保熔炼过程中最少的直接燃料消耗的有效途径。
2.2 采用高温空气燃烧技术
高温空气燃烧改变了传统燃烧方式，采用烟气再循环方式或燃料炉内直接喷射燃烧的方式，主要表现为经过陶瓷蜂窝体的助燃空气被预热至1000℃以上，以适当的速度喷入炉膛，在高速气流卷吸、搅拌作用下与炉内燃烧产物混和，空气中21％的氧被稀释，在低氧浓度（最低5％～6.5％）流体中燃烧，在高温空气条件下燃烧可实现低空气系数燃烧，减少铝的氧化烧损。
蓄热式燃烧系统主要包括一对装有蓄热体的燃烧器、一套换向装置、一套控制系统以及管路系统，其示意见图2—3。
图2—3蓄热式燃烧系统图
当炉气温度为1000～1200℃时，助燃空气温度可预热至800～1000℃，与使用间壁式空气换热器的燃油熔铝炉相比可节约燃料50％左右。
燃烧器出口混合气体实际喷出速度在60m/s左右，火焰长度约2.5～3m，火焰直径约0.5～0.7m。炉内成对的燃烧器换向操作，高温区频频互换，保证炉内温度均匀，不形成低温区。
2.3 高速燃烧器技术
对于在用的旧炉子来说，花上30万元新增一对蓄热式燃烧器，对于企业来说较难接受。
采用高速烧嘴的喷头，燃气以100m/s以上的高速喷向炉膛，助燃空气以90m/s的速度参与助燃，对铝堆产生强有力的冲击作用，加速熔化，为了防止脱火，在燃气的喷口安置了一只长明点火枪。见图2-4。
图2-4 高速燃烧器结构示意图
我们在消化吸收美国天时高速燃烧器产品的基础上，开发出了性能优异的高速燃烧器，烟气流速可达到180m/s，负荷调节比达到1：20，过剩空气系数可在0.65～10.8之间调节。
高速气体燃烧器的技术特点如下：
a） 精确组织燃烧，燃烧效率99.9％；
b） 宽运行工况：热负荷调节比1∶20，空气系数0.5～10；
c） 采用分级燃烧，有害气体（NOx）排放符合国家环保标准；
d） 具有烟气引射回流功能，可以将废烟气从炉后引回重新投入炉内；
e） 全金属结构，连续使用寿命3年。
2.4 熔铝炉自动控制技术
控制系统是改善燃烧、降低能耗、保证工艺要求、提高产品产量和产量的重要保证，最终的目的是要实现燃烧设备流量、温度、压力、气氛等参数的自动检测及过程控制。
2.4.1 炉压自动调节控制
合理的火焰炉应实现微正压操作。炉压控制图见图2—5。
图2—5炉压控制方案图
2.4.2 蓄热式燃烧器控制方案
蓄热式烧嘴控制方案见图2—6所示。
图2—6 蓄热式烧嘴燃烧模式控制图
2.4.3 燃烧系统控制
基本流量控制框图见图2—7。
图2—7 燃烧系统基本流量控制图
在熔铝炉燃烧控制系统运用新技术后，无论从燃料消耗还是操作维护上，都会对熔铝炉产生较大地改观，有望达到世界一流的水平。
2.5 熔炉收尘及烟气处理系统
除尘系统应根据炉子工作状态自动调节系统抽风量，确保炉子工况稳定。除尘系统流程图见图2—8。
图2—8除尘系统流程图
我们对几个铝型材企业的熔铝炉进行了以上改造，节约燃气消耗达到18～27%。
3 挤压机棒炉节能技术
挤压机棒炉的能耗占铝加工企业总能耗的12～20%。挤压机棒炉大体可分为三种，单棒炉、多棒炉和短棒炉。图片分别见图3—1、图3—2、图3—3。
根据理论计算，将1t铝棒加热到450℃，只需要13m3天然气（炉子热效率100%），考虑到炉子热效率和间歇加热的生产工艺，加热炉热效率假定为60%，也最多消耗天然气22 m3/t铝棒，折合成产品能耗为26m3/t产品。然而，目前铝棒加热炉的产品能耗折合为天然气为45m3/t产品，有的甚至高达70m3/t产品以上。节能空间仍然很大。
图3-1挤压机单棒炉图片
图3-2 挤压机多棒炉图片
图3-3挤压机短棒加热炉
3.1 单棒炉节能技术
3.1.1 改造炉膛
根据理论计算，现炉膛容积热强度大大低于工业炉的标准，炉膛太大，炉内温度低，对燃烧不利，要求达到一定的容积热强度就必须增加燃烧功率，这样势必会加大单位产品的燃气消耗。我们采取减小炉膛容积和增加拱顶砖的方式改造炉膛，顶盖改造示意图见图3—4。
图3—4顶盖改造示意图
3.1.2 更换燃烧器
将现有直流燃烧器全部更换为好易燃公司生产的专利产品—旋流燃烧器（二代）。增加火焰刚度，提高火焰温度，加强传热效果。
（1）旋流燃烧器工作原理
燃烧器中装有各种型式的旋流发生器(简称旋流器)。燃料与空气混合气流通过旋流器时发生旋转，从喷口射出后形成旋转射流。利用旋转射流，能形成有利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合。 见图3—5。
图3—5旋流燃烧器燃烧过程示意图
（2）好易燃旋流燃烧器结构
旋流喷嘴（如图3—6），跟传统的长棒热剪炉喷嘴相比，具有火焰刚度大、传热动力大、燃烧效率高等特点。
图3—6旋流喷嘴示意图
3.1.3 取消循环风机
挤压机棒炉在有循环风机的情况下，炉膛负压过高，吸入的冷风量大，喷嘴严重脱火，大大降低了炉子的热效率。
取消循环风机后，炉膛可以运行在微正压状态，保证炉子的安全、
经济运行。还可以节约电费 45000～66000元/台.年。
根据我们的改造经验，Φ180mm以下的棒炉可以取消循环风机，Φ180mm以上的棒炉不适宜取消循环风机，而是采用板式换热器充分利用烟气余热加热助燃空气，提高加热炉整体热效率。
3.1.4 加装氧气检测仪
为了更加准确的调整燃烧，精确控制空燃比，摆脱凭经验调试的被动局面，在文丘里混合器后面的管道上安装氧气检测仪，氧气检测仪连续将氧含量的数据发送到 PLC，PLC 根据设定的空燃比数据调整燃气和空气调节阀的开度，使氧含量始终保持在合适的比例，确保精确组织燃烧。
3.1.5 加强保温
炉膛改造后，在火嘴砖和顶盖砖的外部采用新兴保温材料加强保温，是炉壁温度降低到80℃以下，减少散热损失。
2010年以来，我们已经对 80 多台单棒炉进行了节能改造，最好的节能49%，最差的也达到了12%。我们对客户均承诺经过我们节能改造后，燃气节能率达到 10%以上。
3.2 多棒炉节能技术
3.2.1 改造燃烧室
将多棒炉出棒侧改造成燃烧室，取消原燃烧机系统，利用高速燃烧器作为热源设备，将高速燃烧器的高速气流直接喷入燃烧室，减少与空气的换热过程。
为了避免火焰直接接触铝棒，导致熔棒事故发生，在燃烧器火焰
底部铺设一块耐火隔板，使火焰高速扩散到炉膛的各个角落。改造示意图见图3—7。
图3—7燃烧室示意图
3.2.2 利用高速燃烧器
与熔铝炉近似。
3.2.3 取消热风循环系统
将燃烧室进行改造后，将循环风机、燃烧机、原燃烧室全部取消，为了减少改造工作量，对内部结构不予改变，只将原循环风道堵死即可。 这样不但节省了风机与燃烧机的投资，还节约了因循环风机带来的电力消耗。
3.2.4 增加空燃比控制系统
控制系统见图3—8。
图3—8电子空燃比控制系统图
3.2.5 炉压控制系统
炉膛温度控制、排烟温度与炉压控制是密不可分的。首先，规定燃烧室的压力范围为 10～20Pa，烟囱上安装一块挡板，炉压高时，挡板开度加大，反之，减小。在炉压的正常范围内，根据炉膛温度尤其是排烟温度调节挡板开度。这就是所谓的串级控制。
3.2.6 增加板式空预器
为了保证排烟温度保持在150℃左右，充分利用烟气余热，在烟囱底部加装一台空气预热器，将助燃空气进行预热，提高燃烧温度、降低过剩空气系数、提高棒炉效率、降低燃气消耗。
我们为某铝加工企业所做的多棒炉节能改造效果显著，原吨产品消耗天然气53m3，改造后仅为31.8m3，节能率达到了40%，且提高了炉膛温度均匀性，加热时间大大缩短，提高了设备生产率。
3.3 短棒炉节能技术
短棒加热炉是一种对流式加热炉，见图3—9所示。利用燃烧机燃烧产生的高温气体对铝棒进行对流加热。
图3—9短棒加热炉示意图
该铝棒加热炉炉膛内设置热电偶，控制炉膛温度以满足铝棒加热的要求，由于控制系统为脉冲控制即温度超过设定温度后，燃烧机停止工作，当温度低于设定温度时，燃烧机要对炉内吹冷风几十秒钟才点火，这样就影响到了炉子的热效率，增加了能耗。另外，该燃烧机对空燃比不能自动控制，一般都是大空燃比运行，导致能耗增加。
3.3.1 采用高速燃烧器替代燃烧机（见多棒炉）
3.3.2 增加自动控制系统
（1）加热炉温度控制系统基本构成
加热炉温度控制系统基本构成如图3—10所示，它由PLC主控系统、移相触发模块、整流器 SCR、加热炉、传感器等 5个部分组成。
短棒加热炉是由炉膛温度作为温度控制指标，预先设定炉膛温度为相应温度。
图3—10温度控制系统基本构成
（2）空燃比控制系统
燃烧控制示意图如图3—11所示。燃料给定量的调节根据铝棒加热炉的温度由计算机控制。
图3—11铝棒加热炉燃烧控制示意图
3.3.3 取消循环风机
短棒加热炉一般都配置1～4台循环风机，试图使炉膛温度均匀，提高烟气流速。
（1）取消循环风机
更换为高速燃烧器以后，因为高速燃烧器喷出速度高，对炉膛内的气氛具有强烈的搅拌作用，不用风机就能保证炉膛温度均匀，因此，完全可以取消循环风机，以节省电耗。
（2）改造炉膛底部的燃烧室
缩小底部炉膛体积，保持烟气流速。用特制耐火砖将炉膛缩小，沿烟气流动方向按照从小到大的顺序向上部开孔，以保证对铝棒均匀加热。
通过对某铝加工企业的短棒炉进行的节能效果来看，燃气节能率达到 10～35%以上。
4 氧化污泥深加工技术
铝型材表面处理过程中会产生大量的胶体状废液，经沉淀处理后俗称污泥，进一步脱水后即为含铝废渣。这种废渣数量极大，仅一条
年产铝型材2400t的氧化着色流水线，每年产生污泥约15万t，废渣2000 t，因此综合利用意义重大。
铝型材废水处理工艺原理简单，操作、管理方便。目前存在的问题是废渣的处理，铝材污泥经压滤机脱水后仍含较多的氢氧化物，随便处置会造成二次污染。实际上铝材废水的沉淀物含有大量的氢氧化铝，如果加以开发利用，生产活性氧化铝产品，具有广泛的用途。
4.1 氧化污泥生产活性氧化铝工艺
工艺流程见图4—1。用流态化炉焙烧，将湿氢氧化铝先送入斯德干燥机，再送入流态化焙烧炉，喷入燃料焙烧成氧化铝，经过造粒、养生、活化、分级后，即为最终产品。
图4—1氧化污泥生产活性氧化铝工艺流程图
4.2 主要技术经济指标表（见下表）
|
主要技术经济指标 |
|||
|
序号 |
指标内容 |
单位 |
指标值 |
|
1 |
达产年年均产品产量 |
吨 |
5000 |
|
2 |
项目组成 |
|
|
|
2.1 |
污泥干燥系统 |
|
|
|
2.2 |
污泥煅烧系统 |
|
|
|
2.3 |
造粒系统 |
|
|
|
2.4 |
养生系统 |
||
|
2.5 |
活化冷却系统 |
|
|
|
2.6 |
筛分包装系统 |
||
|
2.7 |
控制系统 |
||
|
3 |
建设内容与规模 |
|
|
|
3.1 |
办公生活设施 |
m2 |
1200 |
|
3.2 |
厂房及仓储 |
m2 |
4000 |
|
3.3 |
活性氧化铝生产装置 |
套 |
5000t/a |
|
4 |
燃料动力年耗量 |
|
|
|
4.1 |
燃气 |
m3 |
1250000 |
|
4.2 |
电 |
kWh |
2000000 |
|
4.3 |
水 |
m3 |
10000 |
|
5 |
投资和筹措 |
|
|
|
5.1 |
固定资产投资 |
万元 |
2980 |
|
5.1.1 |
流动资金 |
万元 |
300 |
|
5.1.2 |
总投资额 |
万元 |
3280 |
|
5.2 |
资金筹措 |
|
|
|
5.2.1 |
风险投资 |
万元 |
1800 |
|
5.2.2 |
银行贷款 |
万元 |
1100 |
|
5.2.3 |
自筹资金 |
万元 |
380 |
|
6 |
财务评价指标 |
|
|
|
6.1 |
年销售收入（高端产品与中低端产品各50%） |
万元 |
8750 |
|
6.2 |
年总成本（电费0.8元/kWh、燃气6.5元/ m3、水3元/ m3， 维修300万元，利息300万元，管理费用875万元，工资253.868万元。） |
万元 |
2704.368 |
|
6.3 |
年缴税金 |
万元 |
1487.5 |
|
6.4 |
年均利润 |
万元 |
4558.132 |
|
6.5 |
投资利润率 |
％ |
138.97% |
|
6.6 |
投资利税率 |
％ |
45.35% |
|
6.7 |
全部投资内部收益率(所得税后) |
％ |
39.7 |
|
6.8 |
财务净现值(所得税后) |
万元 |
138.599 |
|
6.9 |
动态投资回收期(所得税后) |
年 |
1.56 |
|
6.10 |
静态投资回收期(所得税后) |
年 |
0.96 |
5 结论
我国是铝加工特别是铝型材生产大国，产量占世界总产量的50%以上。过去铝加工企业对节能减排工作的重视程度不够，因此，我国铝加工企业的能耗、装备水平以及自控技术与国外相比还有很大差距。本文介绍了铝加工行业熔铝炉以及棒炉的节能改造技术，根据作者多年的研究和生产实践，结合设备的具体状况，提出节能改造的方案。通过对铝加工行业熔铝炉、棒炉的节能技术改造，对氧化污泥的深加工利用进行研究，总结了一些实践经验，也达到了一定的效果。但是，因为铝加工企业订单大多较饱满，很少能有充裕的时间进行彻底的节能改造，还有不少的节能空间。建议铝加工企业提高节能意识，充分认识到节能减排不仅仅是国家为了完成国家公约而制定的强硬措施，而且对提高企业经济效益、提高企业管理水平、提高企业技术装备水平同样具有重要的意义。
