1 前言
我國的敞開式環(huán)形陽極焙燒爐技術是在消化80年代初引進的日輕焙燒技術的基礎上發(fā)展起來的，三十年來，由于各種原因，國內(nèi)各生產(chǎn)企業(yè)及科研設計單位僅在燃料選取、火道隔板、耐火材料、陽極裝爐層數(shù)等方面作了少量改進，但總的來說進步不大，基本上仍停留在日輕焙燒爐的技術水平上[1]。經(jīng)過多年的實踐運用，該技術雖然可以運用于預焙陽極生產(chǎn)，但還存在著能耗高、污染大、自動化水平低、勞動生產(chǎn)率低等缺點。
2 敞開式焙燒爐節(jié)能技術研究
河南中孚炭素有限公司陽極焙燒采用36室敞開式焙燒爐[2]，每個爐室有9條火道8個料箱，每個料箱分3層裝塊，可裝21塊預焙陽極(1620×705×553mm)，爐子分兩個火焰系統(tǒng)，每個火焰系統(tǒng)為18個爐室運轉(zhuǎn)(其中3個預熱爐室、3個加熱爐室、7個冷卻爐室和5個裝出爐工作爐室)，用重油作燃料，火焰移動周期可調(diào)整，投產(chǎn)時使用的是30小時，爐子的主要控制參數(shù)是焙燒爐1P火道負壓和1P、4P、5P、6P火道煙氣溫度及焙燒最高溫度控制在1150℃，排煙溫度控制在250℃以下。該焙燒爐自2004年4月點火生產(chǎn)以來，已穩(wěn)定運行11年，各項技術指標、焙燒陽極質(zhì)量已超過設計水平，能耗在國內(nèi)同類爐型中是最低的(51Kg/t-C)，這主要基于對焙燒爐熱平衡的精確分析(表1 熱平衡表)，以及在節(jié)能降耗方面進行了大量的、細致的研究。
表1 熱平衡表
圖1是焙燒爐一個火焰系統(tǒng)的配置圖。加熱爐室被分為四個連續(xù)的控制區(qū)域，形成陽極焙燒火道整體調(diào)節(jié)方式：1區(qū)由調(diào)節(jié)負壓進行操作;2區(qū)由調(diào)節(jié)負壓和調(diào)節(jié)揮發(fā)分燃燒位置進行操作，此期間主要完成揮發(fā)分的燃燒;3區(qū)由調(diào)節(jié)負壓和調(diào)節(jié)燃油量進行操作;4區(qū)由調(diào)節(jié)燃油量進行操作。1、2兩區(qū)陽極被熱氣流的熱交換加熱，氣流在這個區(qū)域的加熱靠機電一體化排煙架和分散式控制系統(tǒng)來完成。3、4兩區(qū)通過燃燒器噴出燃油來加熱，氣流的溫度曲線由分散式控制系統(tǒng)監(jiān)控。
區(qū)域2被認為是對陽極最終質(zhì)量和能耗有重要影響的區(qū)域，瀝青揮發(fā)份排出的陽極溫度范圍在200~600℃，瀝青揮發(fā)份的燃燒是一項重要的熱能來源，將其充分利用可提供爐體約一半的總能量輸入，為使瀝青揮發(fā)份充分燃燒，需提供適當高的煙氣溫度，然而假設瀝青揮發(fā)份的燃燒不受控制，就有可能產(chǎn)生無法承受的陽極升溫梯度，瀝青揮發(fā)份在熱狀態(tài)下釋放時，陽極塊中產(chǎn)生一個內(nèi)壓力，太大的升溫梯度會造成裂紋傳播，這種直接看不見的裂紋卻影響著陽極的機械性能，當陽極溫度梯度大于14℃/h時，陽極平均抗折強度急劇降低。太大的升溫梯度的結果還會造成高的廢品率，太低的梯度又減少了爐產(chǎn)能，增加了爐能耗。經(jīng)研究表明：最大允許升溫梯度在10～14℃/h，它取決于原材料和陽極尺寸。我公司在區(qū)域2的溫度梯度確定在6～10℃/h。在這一區(qū)間要想兼顧煙氣溫度和升溫梯度兩個方面，需靠調(diào)整適當?shù)牟僮鲄?shù)和運用分散式控制系統(tǒng)來完成，達到實現(xiàn)瀝青揮發(fā)分完全燃燒的控制。
影響焙燒爐能耗的因素盡管紛繁復雜，但最主要的因素可以概括為以下五項：(1)揮發(fā)份充分燃燒與否;(2)固體蓄熱回收程度;(3)漏風量大小;(4)爐體散熱情況;(5)自動控制技術?，F(xiàn)從這五方面對本公司焙燒爐節(jié)能降耗措施分述如下：
2.1 揮發(fā)份燃燒
敞開式陽極焙燒爐中，瀝青揮發(fā)份一邊析出，一邊進入火道內(nèi)燃燒，成為除燃料外的主要熱量來源。陽極配方中一般瀝青占生陽極重量的14～16%，以55%計算瀝青析焦量，揮發(fā)份熱值為3.762×104kj/kg，則揮發(fā)份發(fā)熱量約為：2263MJ/T熟陽極，這相當于60kg重油燃燒產(chǎn)生的熱值。因此可見，如何使揮發(fā)份在火道內(nèi)盡可能的完全燃燒，成為焙燒爐節(jié)能的要考慮的最重要的問題之一。
瀝青揮發(fā)份有三種主要成分：氫、甲烷和焦油，每一種成分在不同的溫度范圍釋放，研究表明氫和甲烷析出時溫度高于其本身燃點溫度，基本上析出即燃;而焦油析出時的溫度比燃點低，其燃燒需要在更高的溫度下才能進行，因此在焙燒爐火道內(nèi)如出現(xiàn)揮發(fā)份燃燒不完全的情況，則其中主要成分必是焦油。
由于以上所述特性，為保證焦油在火道內(nèi)完全燃燒，在預熱段必須保證火道內(nèi)的溫度與陽極溫度有足夠的溫差(一般而言，火道與陽極溫度溫差至少大于350℃)，而取得足夠的溫差在爐型設計上雖然已經(jīng)做了考慮，但預熱段的升溫速率也是需要重點考慮的問題，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，本公司的實際生產(chǎn)升溫曲線就比其他類似的炭素廠稍高，所以能夠?qū)r青揮發(fā)份完全燒盡。
2.2 固體蓄熱回收
為達到陽極焙燒的目的，敞開式陽極焙燒爐中的生陽極一般要加熱到1050～1200℃，此時在陽極、填充焦和耐火墻體中儲存了大量的熱能，稱固體蓄熱。由于焙燒爐內(nèi)燃料和揮發(fā)份燃燒需要大量的一次空氣助燃，實際上環(huán)式焙燒爐正是采用預熱助燃空氣來回收固體蓄熱，為達到此目的，正確使用設計配置的鼓風架及零壓架成為該回收固體蓄熱的重要手段，大部分生產(chǎn)廠并不重視該種節(jié)能措施。如某國外公司采用負壓通風方式，即不使用鼓風機而只有引風方式，能耗會有不同程度的增加。
2.3 漏風
一般焙燒爐均有不同程度的漏風?！奥╋L”指在火道負壓下爐外冷空氣向爐內(nèi)火道泄漏。漏風在加熱段和預熱段均存在。由于加熱段火道負壓較小，漏風量也較小，爐子稍加密封即可解決。由于預熱段的負壓較大，大量的漏風發(fā)生在預熱段。從爐室分布來看，越靠近排煙架的爐室，漏風越嚴重，這是因為越到下游負壓越大的原因。有關數(shù)據(jù)顯示，漏風通道主要有三條：火道頂部磚縫、填充焦、觀察孔。研究表明，大量漏風從三個方面造成爐子熱耗增加：(1)漏入冷風擠占預熱空氣參與燃燒的份額，使焙燒后的固體蓄熱回收減少，增加熱耗;(2)大量的冷風需加熱到燃燒時的高溫，最后以排煙溫度排出;(3)即使通過增大火道運行負壓和增大噴油量對火道溫度分布進行調(diào)整，在漏風較大時仍無法阻止低溫區(qū)的火道和陽極的溫度降低，造成無法滿足揮發(fā)份燃燒的溫度條件，使揮發(fā)份不能充分燃燒。同時火道負壓的增大又引起漏風的加劇，形成漏風--加大負壓--更大漏風的惡性循環(huán)，最終的結果，增加的熱耗以排煙的形式損失掉。
針對以上分析的漏風情況，可采取以下措施予以解決：(1)爐面采用塑料薄膜覆蓋;(2)加強爐面孔洞(觀察孔及排煙孔)處的嚴密性;(3)采用較細的填充料覆蓋在填充料的最上層;(4)盡量采用低負壓操作等等措施。
2.4 爐體散熱
減少散熱從以下四個方面考慮：(1)減少散熱面積，使爐子緊湊、合理;這在爐子設計時已經(jīng)考慮;(2)設計時已經(jīng)考慮加強了爐子的保溫;(3)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，適當降低火道溫度;(4)采用28小時曲線，縮短焙燒火焰周期。
2.5 自動控制技術
在原材料質(zhì)量一定的情況下，采用計算機過程控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)焙燒控制參數(shù)，可實現(xiàn)焙燒爐動態(tài)優(yōu)化控制，生產(chǎn)出質(zhì)量均一的優(yōu)質(zhì)陽極，并能降低陽極焙燒能耗。
我公司陽極焙燒控制系統(tǒng)采用分散式控制系統(tǒng)，分現(xiàn)場控制系統(tǒng)和上位機中央控制系統(tǒng)兩大部分?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)通過MODBUS網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換(通訊)。分散式控制系統(tǒng)能對焙燒爐每條火道的加熱帶、預熱帶的溫度及負壓進行精確控制，對某些特殊工況(例如跨接煙道時)可選擇不同的控制模式，不僅能實現(xiàn)對升溫曲線、負壓的精確控制，還能對燃料(重油)的油溫、油壓進行控制，實現(xiàn)負壓--燃料連鎖、油壓--燃料連鎖、油溫--燃料連鎖等一系列連鎖功能，可充分保證系統(tǒng)運行的安全性，實現(xiàn)各種焙燒生產(chǎn)工藝所需的各種報警、設定值計算、爐室號識別、管理架子移動及切除、數(shù)據(jù)存儲分析等一系列功能。
由于采用了自動控制技術，保證了調(diào)節(jié)的適時性，能夠?qū)崿F(xiàn)多點同步調(diào)節(jié)，克服了人工調(diào)節(jié)過程中的粗糙性和盲目性等缺點，從而有效降低了焙燒能耗。
3 結論
3.1 降低生產(chǎn)成本，節(jié)約燃料消耗：按國內(nèi)其他廠重油消耗70Kg/噸陽極，新型陽極控制系統(tǒng)僅為51Kg/噸陽極，2101.2MJ/t(重油熱值為41200 kJ/Kg);按公司實際產(chǎn)量16.5萬噸產(chǎn)能計算，一年可節(jié)約燃油3135噸，價值1881萬元(重油按：6000元/噸)。
3.2 減少有害氣體排放：在節(jié)能降耗的同時減少了瀝青煙排放量。根據(jù)2001年11月河南省環(huán)保監(jiān)測站提供的數(shù)據(jù)，焙燒爐環(huán)形煙道出口處煙氣焦油含量為125mg/Nm3。生產(chǎn)一噸預焙陽極需重油51Kg，該項指標已經(jīng)達到世界先進水平。下表是國內(nèi)外三家預焙陽極生產(chǎn)能耗情況：
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聲明：
“敞開式環(huán)形陽極焙燒爐節(jié)能技術研究” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：河南省鞏義市河南中孚鋁業(yè)有限公司
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