王敏
云南浩鑫铝箔有限公司 云南省昆明市 650000
摘要：浩鑫公司的熔铝炉原来是以柴油为燃料的，成本较高，污染较大，后改成了以城市煤气为燃料，并增加了集热氧化铝球，使废气余热得到收集利用。但在开始使用阶段效果并不理想。本文试图分析燃烧系统的设计缺陷，并探求改进措施。希望对有类似燃烧系统的工厂提供参考。
关键词：柏努力方程式、氧化铝球、风—气比例、动压力、静压力
一、原设计的基本原理及立意
公司熔铝炉原使用的是柴油为燃料，且没有废气余热回收利用装置。成本较高，污染较大。改为城市煤气为燃料后，加装了废气余热回收利用系统，成本实现了较大幅度的降低，经济意义特别明显。同时也响应了国家节能降耗、减污增效的大政方针。原设计的原理图简略如图1。
如图所示，助燃风进入系统，顶开风—气比例阀，使煤气进入燃烧系统。图示为1号烧咀燃烧时的状态，煤气与经过1号蓄热罐加热的助燃风在1号火咀内混合燃烧（长明小火未画出）。此时，1号煤气阀、1号进风阀、2号排气阀处于开启状态，而2号煤气阀、2号进风阀、1号排气阀处于关闭状态。1号氧化铝球蓄热罐处于放热状态，加热助燃风，燃烧废气经2号火咀进入到2号氧化铝球罐，2号氧化铝球罐吸收废气余热，废气经排风机进入除尘系统。燃烧一段时间（约1分钟）后，1号火咀熄灭，
2号火咀点燃。如此反复循环。这是一个立意甚佳的设计方案。
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图 1
二、开始使用阶段带来的问题
新炉子投入使用后，环境好转了，成本也下降了。继续使用一段时间后，氧化铝球需要更换。更换氧化铝球后出现了一个现象——进入炉子的煤气量太小，调大、调小助燃风都不会改变，调整比例阀也不见好转。铝锭熔化速度达不到轧机需要，影响了产品质量，甚至导致过停机故障。每次换氧化铝球都一样，令维修人员和操作人员困惑不解。在一段时间内影响了生产的正常进行，增加了维修工作量。
三、设计缺陷分析
问题出在哪里？让我们直观的分析一下。假如我们把1号进风阀和2号进风阀都关闭，助燃风总压力全部用于顶开风——气比例阀，则煤气最大，此时只有最大的煤气进入炉子，而助燃风为零。这时煤气与助燃风的比例是严重失调的。反之，假如两个进风阀全部打开，氧化铝球又很干净，相当于管道阻力很小，则顶开比例阀的助燃风压力是很低的。此时进入火咀的助燃风量很大，而煤气量反而很少，两者比例也是严重失调的。这两种情况都不是我们希望出现的。从这两种现象分析，我们可以初步判断，风—气比例的调节可能不是设计者所希望的正比例，而是我们所不希望的反比例调节。
这个判断有理论根据吗？答案是肯定的。根据柏努利方程式，理想情况下，流体的能量是守恒的。流体的能量包含三种，一是动能，正比于流速，一是压力能，也叫静压力，一是位能。
柏努利方程告诉我们，这三种能量是可以相互转换的，但在管道内任一截面，单位质量的流体所包含的三种能量的总和是一定的。在本例中，我们只分析同一断面，所以不计位能。把助燃风的能量只看作由动能（动压力）和压力能（静压能）构成。如果助燃风机的功率一定，根据柏努利方程，则在风——气比例阀的取风口的助燃风的能量是一定的。这个一定的能量是动能和静压能的代数和，可见动能和静压能存在着此消彼长的关系如图2所示。当换氧化铝球后，相当于管道无阻力，此时流速很快，动能很高，则静压能很小。而这个静压恰恰是去推动风——气比例阀的，所以此时煤气反而很小。反之，氧化铝球很脏，则风的动能很小静压能很大，则煤气进入系统很多。
通过以上分析可以看出，推动煤气比例阀的压力与进入燃烧系统的助燃风量是成反比例的，也就是进入燃烧系统的煤气与助燃风是成反比例的。这就导至了开始使用阶段的问题。
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图 2
四、实际使用的改进方法
理论分析清楚地告诉我们，原设计的风——气是成反比例进入到燃烧系统中的。这个不是我们希望的比例，我们希望的是正比例。我们分析，直接取风的动压头，动作大，且市面上微压气动元件价格贵，难买到，也不稳定。就用别的压力源来控制，产生一个合适静压，去顶开风——气比例阀，使两者成正比例。原理如图3所示。当然这是一个人工的过程。
这个调节的基本原理也是利用了柏努利方程式。当调节节流阀1和节流阀2时，也就调节了向上箭头所示的顶开比例阀的静压力，这种方法能调到很小的压力。在此不再详细说明原理。。通过这样的改造后，能手工调节使风——气成正比例。满足了生产的要求。氧化铝球越干净，节省煤气的效果也越好，取得了相当好的经济效果。
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五、更进一步的改进可能
进一步的改造是有可能的。我们可以选择电磁比例阀，用差压变送器将助燃风的流速转换为电信号，用这个电信号通过PLC产生一个比例电流，再去推动电磁比例阀，从而控制了风——气成正比例。当然，可能还有其它更好的方法。探讨这些方法不是本文的主要目的。本文试图抛砖引玉，对其它类似的熔炼炉设计缺陷起参考作用。
参考文献：
王宁、李宝祥主编，北京大学出版社《流体力学及泵和风机》。