能源、电力

利用天然气进行金属加工

金属加工是指对金属材料进行整形和重塑,通过冶炼矿石或重熔废料和许多成品来生产金属,从而制造出有用的物体、部件、组件和大型结构,这可能需要进一步的加工,如热处理

由Arvind Thekdi 3月30日,2021年3月30日
Courtesy: Arvind Thekdi, PhD, E3M Inc。

编者按:本文是基于一系列的能源解决方案中心(ESC)研讨会于2020年9月至2021年1月举行讨论重要的技术问题和营销重要主题相关信息有效利用的天然气工业热过程所使用的主要行业在美国这些主题包括:

  • 常用的煤气炉/烤箱
  • 工业燃烧控制
  • 热处理
  • 铝熔化
  • 钢铁行业。

此外,文章和演示文稿的内容摘要来自Arvind Thekdi,E3M Inc。总裁Arvind Thekdi的即将到来的小册子摘录

Dr. Arvind Thekdi在工业加热系统的燃烧、能量减少和热回收领域拥有超过50年的研发和技术支持经验。Thekdi博士在20年前创办了他的公司E3M Inc.,并为行业、美国能源部和几家公用事业公司提供咨询服务,包括能源解决方案中心(ESC)。主要研究方向为过程加热系统的改进设计、废能回收、排放控制、热电联产等。在创立E3M公司之前,他曾任职于三家主要的炉具公司(表面燃烧、Lee-Wilson和Ipsen International)的研发、工程和营销领域。他在与热系统相关的课题上获得了25项美国和国外专利。

初级金属行业包括从矿石和/或废金属中熔化和精炼金属的设施。这些设施接收主要铁矿石等钢铁生产金属来源,铝土矿铝生产、废金属或另一种金属源产生熔融金属,这是注入模具生产半成品形状如猪或锭,或凝固成板,坯料或其他附近净形状产品深加工生产板之前,床单,油管,酒吧,杆、电线和其他物品。

常用的煤气炉/烤箱

金属工业使用被称为熔炉、烤箱、加热器等的加热设备来加热和熔化各种材料,如钢、铝、铜、锌、铅、镁等。这种设备可以使用燃料,如天然气或燃油,或电作为热源。

用于加热设备的术语,如加热炉和烘箱,是可以互换使用的,特别是在800至1400华氏度的温度范围内。它是基于操作温度的考虑,基于建筑,基于特定的行业,甚至一个工厂的传统。在许多情况下,工作在1000华氏度以下的加热设备被称为烘箱,而工作在1000华氏度以上的设备被称为熔炉。许多行业使用自己的术语。例如,在800°F的温度下运行的钢质回火设备在热处理车间仍被称为回火炉,那里还有很多其他的高温炉,而在铝厂均质化设备仍可被认作烘箱。化工厂和炼油厂都有自己的术语,如加热器、反应器等。

在批量炉中,将材料放置在炉间中,并在载荷在炉中进行一定的时间温度循环加热(参见图1)。在所需的时间温度循环结束时,从炉中取出负载并运输到另一个设备,例如骤冷或冷却室。在一些情况下,通过在加热循环结束时使用冷却介质在同一腔室中加热和冷却负载。

图1:连续和分批炉负荷位置和温度循环。礼貌用语:迪克·班尼特,经允许使用

图1:连续和分批炉负荷位置和温度循环。礼貌用语:迪克·班尼特,经允许使用

只使用一套燃烧器,燃烧器输入由温度控制系统控制,从而满足工艺的时间-温度要求。在批量加热炉中,热量需求可能在很大的范围内发生变化,燃烧器也会做出相应的响应。在这里,高燃速与低燃速的比率,也就是俗称的燃烧器调低是非常高的。

在连续炉中,将材料直接放置或装载在诸如连续带或输送机的材料处理系统上,并通过炉子移动到排出端(参见图1)。虽然负载通过炉子移动,但炉的温度被控制在不同位置的所需值。在熔炉中,温度在一定长度的炉子中变化,并且与长度相关联的每个长度或体积被称为区域。例如,炉温可以在入口位置或区域处为100°F,并且增加到一个或两个区域(浸泡区域)的更高值并保持恒定。负载可以从浸泡区排出,或者可以在炉子的后续区域中冷却。通过烧制由温度控制系统操作的一个或多个燃烧器来控制每个区域温度。

炉功能和组件。典型的炉子包括许多功能和部件,用于其结构和操作。

用于气体燃烧炉的发热系统包括以下部件。对于电加热炉,不需要许多这些组件,系统通常由电气系统版本的电力供应和过程 - 安全特定组件组成:

  • 燃烧器/热源
    • 燃气燃烧器
    • 辐射管
    • 红外(IR)燃烧器(辐射、催化等)。
  • 燃烧空气供应
    • 风机
    • 燃烧器供气控制(阀门、流量计等)
    • 联锁设备
    • 与过程控制相关联的其他组件。
  • 天然气(燃料)供应
    • 压力调节器
    • 安全系统,如关闭阀、排气阀等。
    • 燃料流量控制阀等
    • 与过程控制相关的其他组件。
  • 特定于过程和安全的组件
    • 火焰监督系统
    • 烟气再循环系统
    • 用于氧燃料或氧气供气的氧气注射器用于燃烧
    • 其他流程特定的组件。

燃烧器是炉子中最重要的部分,并选择基于工艺热需求,操作类型(批次与连续),传热要求(对流与辐射),燃烧空气温度和所需调节(高火比率和低的比率火灾情况热输入)。

在这些炉中使用的两种类型的燃烧器是预混燃烧器和喷嘴混合燃烧器(见图2)。在预混燃烧器中,气体和空气在进入燃烧器之前进行混合,并使用火焰保持装置来稳定火焰。在喷嘴混合燃烧器中,空气和气体分别进入燃烧器,并在混合物燃烧前在燃烧器内混合。这些燃烧器也使用火焰稳定设计作为燃烧器本身的一部分。大多数现代工业炉使用喷嘴混合燃烧器。

图2:预混料和喷嘴混合燃烧器。礼貌用语:迪克·班尼特,经允许使用

图2:预混料和喷嘴混合燃烧器。礼貌用语:迪克·班尼特,经允许使用

使用预热燃烧空气。使用预热燃烧空气可能是在工业炉中通过从废气中的热量回收的最常用的节能方法。当来自炉烟气的热量用于预热燃烧空气时,可以在炉中节省5%至30%的能量。使用预热空气导致火焰温度较高,传热较高和更高的生产率。一般规则的拇指为100°F燃烧空气温度增加,火焰温度升高40°人们普遍认为,使用预热空气会导致较高的NO含量X。新一代低noX和超低的没有X燃烧器提供较低的价格X即使使用预热空气。

工业燃烧控制

该行业采用两种定义来定义效率:燃烧效率和热效率。“燃烧效率”也称为可用热量,是燃烧过程和加热过程的有效性。燃烧效率表示将炉子叶为烟气的能量输入。剩余的热量分布以满足炉内的热量需求。

燃烧效率(可用热量)(%)= 100×(1 - 烟道气的热含量/总热输入)

“热效率”表示基于总供热价值的热量输入百分比,这是北美天然气的约1,000 btu /标准立方Ft。(SCF)。

热效率(%)= 100 x(供应到负载或充电/总热输入)

热效率和燃烧效率是相互关联的。以下等式给出了这种关系。

热效率=燃烧效率-(炉膛热损失/总热输入)

当已知热效率和可用热(燃烧效率)时,可以计算总炉热损失。在许多情况下,不可能计算总热量损失,这是一种这样做的方法。

炉控制系统。炉子包括几种不同类型的对照。最多使用的控件及其功能如下:

  • 过程控制系统提供必要的热量,以维持过程温度和其他热条件,如热传递到被处理的材料。
  • 燃烧器燃料空气控制系统控制燃烧器的气体(燃料)和空气量,以满足空气燃料比要求并保持炉内所需的气氛。
  • 一种安全系统,手表和控制所有安全要求,如火焰监控,过热等,用于安全炉操作。
  • 炉内压力或通风控制维持炉内所需的压力。
  • 炉膛气氛控制避免了爆炸条件,并在热处理、固化有机涂层和其他类似的特殊过程中保持工艺要求。
  • 工艺具体,设备特定或行业特定控制,以满足特殊要求。

这些控制可以集成在智能计算机或可编程逻辑控制器(PLC)的炉控制系统中。

燃气加热炉过程控制的最简单形式是对单区加热炉或多区加热炉中的几个区进行温度控制。炉温控制器使用温度传感器,如连接到温度控制器的热电偶。控制器向燃烧控制系统发送信号,为炉膛安全提供必要的热量或空气燃料供应。

通过使用高温限制热电偶保持安全性,与气体和空气供应系统中的适当部件一起被称为气体和空气列车。燃烧控制系统是在炉中加工材料的热处理的核心。

热处理

热处理工业包括金属和非金属零件的热处理(加热和冷却),用于许多行业,如汽车、工程机械、通用制造等。热处理的定义是对材料进行控制加热和冷却,以改变其物理和化学性质。热处理可用于软化硬金属或硬化软金属。

热处理是用于黑色金属,有色金属和非金属,包括:

  • 黑色金属:钢,铸铁,合金,不锈钢,工具钢等
  • 有色金属:铝、铜、黄铜、钛等。
  • 非金属:玻璃和陶瓷材料。

然而,钢材占所有热处理材料的80%左右。

热处理过程。热处理工艺包括加热材料控制温升,拿着材料温度在一定时间、浸泡时间,其次是冷却速度控制,可非常快速淬火操作(参见图3)。内加热的速度或温度上升,浸泡时间可以使零件内部的温度均匀,从而使冶金转变发生,冷却速度对于获得所需的性能(硬度或柔软度)很重要。

图3:用于材料的热处理的温度/时间循环。Courtesy: Arvind Thekdi, PhD, E3M Inc。

图3:用于材料的热处理的温度/时间循环。Courtesy: Arvind Thekdi, PhD, E3M Inc。

在许多过程中,加热是在一种特殊的气氛或惰性或反应性气体的混合物中进行的。钢和其他材料热处理工艺的结果受以下参数的影响:

  • 钢中碳的含量、大小、形状和形式主要决定了钢的最终性能。
  • 炉内气氛如惰性气体(N2和其他)或反应性的(CO, H2, CH4和其他气态的碳氢化合物)影响零件的表面(碳和合金元素)。
  • 一个控制的加热和冷却速率(热处理)可以改变钢中碳的形状、大小和形式。
  • 加热后冷却速率对热处理材料的性能有重要影响。
  • 热处理的效果通常是可逆的,钢的性能可以通过热处理来设计。

用特定组合物的金属热处理结果取决于加热和冷却期间使用的以下参数。

  • 温度、时间和相变(3Ts)
  • 钢结构(转化)
  • 冷却温度(温度)
  • 冷却速率(时间)。

铁 - 碳合金的热处理方法分为四类:退火,归制,硬化和回火,以及壳体硬化。前两个(退火和归一性)用于赋予零件的柔软性,而最后两个(硬化/回火和壳硬化)用于赋予整个部件或部分的所选部分的部件的硬度。

热处理炉。设计用于热处理的燃气炉可直接烧制或间接烧制。在直接烧制的炉中,燃烧器直接在炉内烧制,并在与燃烧产物接触时加热零件。间接加热的炉子使用辐射管或马弗泥,以将燃烧产物与加热的部件隔离。在这种情况下,部件在选定的大气中加热。

热处理炉气氛。热处理过程使用不同的气体混合物或“大气”以保护零件免受氧化或添加与基础金属反应的碳或氮的某些元素。大气中可以分类为以下类别:

  • 保护的:保护金属部件免受金属表面的氧化或碳和其他元件的损失。
  • 反应性:在贱金属中加入非金属(如碳、氧、氮)或金属(如铬、硼、钒)元素。
  • 清洗(防止爆炸):从炉子或血管中除去空气或易燃气体。

每一种大气类型都包括氢、一氧化碳、甲烷、氮或二氧化碳等气体的混合物。它们可以通过天然气与空气的吸热或放热反应、蒸汽重整过程(天然气与蒸汽反应)或释放氢和氮的氨分解产生。大气也可以通过混合主要是氮气、一氧化碳、氢气和氮气的商用气体来制备。

铝熔化

铝业可以广泛分为两类:主要扇区,其中铝被从铝土矿提取,二次扇区使用从各种来源收集的废料产生铝。初级和二级(再生)铝均为美国初级铝中的重要制造产品,由铝土矿生产。它涉及几个步骤,包括氧化铝的电解以生产铝金属。二次铝制生产主要使用铝和一些原铝。

铝熔炼炉使用废料或主要原料作为炉料。电荷材料的温度通常接近环境温度,在40至80之间°F.在许多情况下,废干燥器和预热器用于去除废料在熔炉中加入废料之前去除水分和有机材料。将材料加热至熔化温度,其在1,160至1,210的范围内°F取决于铝的合金。将熔化的液态金属在浇注之前加热,使其形成不同的形状和尺寸。

铝厂通过熔炼车间运送的主要产品有钢锭、母猪、铸件、板材、卷板、锻件等。这些产品通常是重熔或进一步加工的热轧和冷轧,然后热处理,如均质和淬火,退火,沉淀硬化或时效。

在北美,大多数二次铝厂使用燃气炉。有许多类型的炉可用,并用于二次铝厂。许多这样的熔炉,特别是大型熔炉,使用热回收设备,如回热器或蓄热燃烧器,以提高其热效率和能量强度(每磅熔化金属的Btu)。然而,恢复器的使用需要适当的监控和维护,以避免灾难性故障和生产中断。

在过去的几年中,蓄热式燃烧器的使用越来越被人们所接受,许多新熔炉,特别是那些接近稳定生产水平的熔炉,都在设计时使用了蓄热式燃烧器。这些系统也需要定期维护。然而,发生灾难性故障的可能性要小得多。在减少能源消耗、提高生产效率和改善炉体性能方面,已经尝试了一些新的发展,但成功率几乎不存在。

废料处理。废铝加工使用两种烧成设备:废铝干燥机和热氧化剂。在大多数情况下,它们被整合为一个单元。然而,对于一些设备来说,只有废弃的染色机被使用,干燥机的烟雾直接进入熔化机。

二次铝熔炉使用不同类型的废料作为主要电荷材料,以产生熔融铝和产品。熔融铝或铸造产品,通常称为母猪和锭,也根据需要使用,以实现所需的生产,在某些情况下,以获得所需的化学或金属的组成。

可供回收利用的废料有多种形式。轻废料,如用过的饮料容器,通常是打包或压块,以减少运输成本。这些包和煤团通常被压碎、粉碎或剪切并撕裂成可控的流动颗粒大小,以便在炉中加料。输送系统和分离系统用于分离颗粒,以供进一步处理。

大量的铝废料含有油漆、搪瓷、漆或瓷涂层,如果在熔化前不清除,会显著降低金属回收率。热处理的目的是去除镀层,得到干净的金属,以便装进熔化炉。一些清洁或无污染的轻废料直接装进炉膛,并由额外的较重的装料组件覆盖。在工厂生产的废料是按照尺寸处理和输送到熔炉,通常没有任何预处理。

钢铁行业

钢铁制作的两个主要路线是使用高炉生产猪铁与基本的氧气炉(BOF)在集成厂生产钢,以及使用电弧炉(EAF)生产钢制废料和其他钢在迷你磨机中直接减少铁(DRI)或热金属等原料(见图4)。

图4:炼钢工艺步骤。单位:美国钢铁协会;改编自Arvind Thekdi,博士,E3M公司。

图4:炼钢工艺步骤。单位:美国钢铁协会;改编自Arvind Thekdi,博士,E3M公司。

金属加工行业消耗的能源中约38%用于高炉炼铁,以煤为主要能源,而电炉炼钢消耗的能源占总能源的15%,主要是电能,少量天然气或煤炭。高炉转炉法的能源成本约占炼钢成本的11%,电炉法为8%。

钢厂的第二大能源消耗是加热炉。这种能源主要由天然气供应,如果有的话,还有焦炉和高炉煤气。由于连铸技术的广泛应用,加热炉的能耗下降。

在炼钢过程的几乎所有阶段都使用天然气。图5列出了使用天然气的地区。从铁矿石或废铁中提炼钢材的上游工序只占天然气总使用量的一小部分。然而,下游的二次加工(铸造、轧制、再加热、退火、涂层等)使用了大部分用于最终钢材产品的天然气。

图5:天然气在炼钢过程中的应用领域。Courtesy: Arvind Thekdi, PhD, E3M Inc。

图5:天然气在炼钢过程中的应用领域。Courtesy: Arvind Thekdi, PhD, E3M Inc。

天然气的使用很可能会增加在钢铁行业,因为在EAFs中天然气的使用增加了,通过使用氧燃料(天然气)燃烧器预熔化废料来减少电能的使用和提高生产率。

-这篇文章出现在天然气技术补充。

更多信息

E3M Inc .)

能源解决方案中心

www.energysolutionscenter.org.


Arvind Thekdi
作者生物:Arvind Thekdi博士,E3M公司总裁。