敞开式环形阳极焙烧炉节能技术研究

719 编辑：中冶有色技术网来源：河南省巩义市河南中孚铝业有限公司

2023-05-10 15:36:22

1 前言

我国的敞开式环形阳极焙烧炉技术是在消化80年代初引进的日轻焙烧技术的基础上发展起来的，三十年来，由于各种原因，国内各生产企业及科研设计单位仅在燃料选取、火道隔板、耐火材料、阳极装炉层数等方面作了少量改进，但总的来说进步不大，基本上仍停留在日轻焙烧炉的技术水平上[1]。经过多年的实践运用，该技术虽然可以运用于预焙阳极生产，但还存在着能耗高、污染大、自动化水平低、劳动生产率低等缺点。

2 敞开式焙烧炉节能技术研究

河南中孚炭素有限公司阳极焙烧采用36室敞开式焙烧炉[2]，每个炉室有9条火道8个料箱，每个料箱分3层装块，可装21块预焙阳极(1620×705×553mm)，炉子分两个火焰系统，每个火焰系统为18个炉室运转(其中3个预热炉室、3个加热炉室、7个冷却炉室和5个装出炉工作炉室)，用重油作燃料，火焰移动周期可调整，投产时使用的是30小时，炉子的主要控制参数是焙烧炉1P火道负压和1P、4P、5P、6P火道烟气温度及焙烧最高温度控制在1150℃，排烟温度控制在250℃以下。该焙烧炉自2004年4月点火生产以来，已稳定运行11年，各项技术指标、焙烧阳极质量已超过设计水平，能耗在国内同类炉型中是最低的(51Kg/t-C)，这主要基于对焙烧炉热平衡的精确分析(表1 热平衡表)，以及在节能降耗方面进行了大量的、细致的研究。

表1 热平衡表

热平衡表

图1是焙烧炉一个火焰系统的配置图。加热炉室被分为四个连续的控制区域，形成阳极焙烧火道整体调节方式：1区由调节负压进行操作;2区由调节负压和调节挥发分燃烧位置进行操作，此期间主要完成挥发分的燃烧;3区由调节负压和调节燃油量进行操作;4区由调节燃油量进行操作。1、2两区阳极被热气流的热交换加热，气流在这个区域的加热靠机电一体化排烟架和分散式控制系统来完成。3、4两区通过燃烧器喷出燃油来加热，气流的温度曲线由分散式控制系统监控。

火焰系统炉室布置示意图

区域2被认为是对阳极最终质量和能耗有重要影响的区域，沥青挥发份排出的阳极温度范围在200~600℃，沥青挥发份的燃烧是一项重要的热能来源，将其充分利用可提供炉体约一半的总能量输入，为使沥青挥发份充分燃烧，需提供适当高的烟气温度，然而假设沥青挥发份的燃烧不受控制，就有可能产生无法承受的阳极升温梯度，沥青挥发份在热状态下释放时，阳极块中产生一个内压力，太大的升温梯度会造成裂纹传播，这种直接看不见的裂纹却影响着阳极的机械性能，当阳极温度梯度大于14℃/h时，阳极平均抗折强度急剧降低。太大的升温梯度的结果还会造成高的废品率，太低的梯度又减少了炉产能，增加了炉能耗。经研究表明：最大允许升温梯度在10～14℃/h，它取决于原材料和阳极尺寸。我公司在区域2的温度梯度确定在6～10℃/h。在这一区间要想兼顾烟气温度和升温梯度两个方面，需靠调整适当的操作参数和运用分散式控制系统来完成，达到实现沥青挥发分完全燃烧的控制。

影响焙烧炉能耗的因素尽管纷繁复杂，但最主要的因素可以概括为以下五项：(1)挥发份充分燃烧与否;(2)固体蓄热回收程度;(3)漏风量大小;(4)炉体散热情况;(5)自动控制技术。现从这五方面对本公司焙烧炉节能降耗措施分述如下：

2.1 挥发份燃烧

敞开式阳极焙烧炉中，沥青挥发份一边析出，一边进入火道内燃烧，成为除燃料外的主要热量来源。阳极配方中一般沥青占生阳极重量的14～16%，以55%计算沥青析焦量，挥发份热值为3.762×104kj/kg，则挥发份发热量约为：2263MJ/T熟阳极，这相当于60kg重油燃烧产生的热值。因此可见，如何使挥发份在火道内尽可能的完全燃烧，成为焙烧炉节能的要考虑的最重要的问题之一。

沥青挥发份有三种主要成分：氢、甲烷和焦油，每一种成分在不同的温度范围释放，研究表明氢和甲烷析出时温度高于其本身燃点温度，基本上析出即燃;而焦油析出时的温度比燃点低，其燃烧需要在更高的温度下才能进行，因此在焙烧炉火道内如出现挥发份燃烧不完全的情况，则其中主要成分必是焦油。

由于以上所述特性，为保证焦油在火道内完全燃烧，在预热段必须保证火道内的温度与阳极温度有足够的温差(一般而言，火道与阳极温度温差至少大于350℃)，而取得足够的温差在炉型设计上虽然已经做了考虑，但预热段的升温速率也是需要重点考虑的问题，在保证产品质量的前提下，本公司的实际生产升温曲线就比其他类似的炭素厂稍高，所以能够将沥青挥发份完全烧尽。

2.2 固体蓄热回收

为达到阳极焙烧的目的，敞开式阳极焙烧炉中的生阳极一般要加热到1050～1200℃，此时在阳极、填充焦和耐火墙体中储存了大量的热能，称固体蓄热。由于焙烧炉内燃料和挥发份燃烧需要大量的一次空气助燃，实际上环式焙烧炉正是采用预热助燃空气来回收固体蓄热，为达到此目的，正确使用设计配置的鼓风架及零压架成为该回收固体蓄热的重要手段，大部分生产厂并不重视该种节能措施。如某国外公司采用负压通风方式，即不使用鼓风机而只有引风方式，能耗会有不同程度的增加。

2.3 漏风

一般焙烧炉均有不同程度的漏风。“漏风”指在火道负压下炉外冷空气向炉内火道泄漏。漏风在加热段和预热段均存在。由于加热段火道负压较小，漏风量也较小，炉子稍加密封即可解决。由于预热段的负压较大，大量的漏风发生在预热段。从炉室分布来看，越靠近排烟架的炉室，漏风越严重，这是因为越到下游负压越大的原因。有关数据显示，漏风通道主要有三条：火道顶部砖缝、填充焦、观察孔。研究表明，大量漏风从三个方面造成炉子热耗增加：(1)漏入冷风挤占预热空气参与燃烧的份额，使焙烧后的固体蓄热回收减少，增加热耗;(2)大量的冷风需加热到燃烧时的高温，最后以排烟温度排出;(3)即使通过增大火道运行负压和增大喷油量对火道温度分布进行调整，在漏风较大时仍无法阻止低温区的火道和阳极的温度降低，造成无法满足挥发份燃烧的温度条件，使挥发份不能充分燃烧。同时火道负压的增大又引起漏风的加剧，形成漏风--加大负压--更大漏风的恶性循环，最终的结果，增加的热耗以排烟的形式损失掉。

针对以上分析的漏风情况，可采取以下措施予以解决：(1)炉面采用塑料薄膜覆盖;(2)加强炉面孔洞(观察孔及排烟孔)处的严密性;(3)采用较细的填充料覆盖在填充料的最上层;(4)尽量采用低负压操作等等措施。

2.4 炉体散热

减少散热从以下四个方面考虑：(1)减少散热面积，使炉子紧凑、合理;这在炉子设计时已经考虑;(2)设计时已经考虑加强了炉子的保温;(3)在保证产品质量的前提下，适当降低火道温度;(4)采用28小时曲线，缩短焙烧火焰周期。

2.5 自动控制技术

在原材料质量一定的情况下，采用计算机过程控制系统自动调节焙烧控制参数，可实现焙烧炉动态优化控制，生产出质量均一的优质阳极，并能降低阳极焙烧能耗。

我公司阳极焙烧控制系统采用分散式控制系统，分现场控制系统和上位机中央控制系统两大部分。现场控制系统及中央控制系统通过MODBUS网进行数据交换(通讯)。分散式控制系统能对焙烧炉每条火道的加热带、预热带的温度及负压进行精确控制，对某些特殊工况(例如跨接烟道时)可选择不同的控制模式，不仅能实现对升温曲线、负压的精确控制，还能对燃料(重油)的油温、油压进行控制，实现负压--燃料连锁、油压--燃料连锁、油温--燃料连锁等一系列连锁功能，可充分保证系统运行的安全性，实现各种焙烧生产工艺所需的各种报警、设定值计算、炉室号识别、管理架子移动及切除、数据存储分析等一系列功能。

由于采用了自动控制技术，保证了调节的适时性，能够实现多点同步调节，克服了人工调节过程中的粗糙性和盲目性等缺点，从而有效降低了焙烧能耗。

3 结论

3.1 降低生产成本，节约燃料消耗：按国内其他厂重油消耗70Kg/吨阳极，新型阳极控制系统仅为51Kg/吨阳极，2101.2MJ/t(重油热值为41200 kJ/Kg);按公司实际产量16.5万吨产能计算，一年可节约燃油3135吨，价值1881万元(重油按：6000元/吨)。

3.2 减少有害气体排放：在节能降耗的同时减少了沥青烟排放量。根据2001年11月河南省环保监测站提供的数据，焙烧炉环形烟道出口处烟气焦油含量为125mg/Nm3。生产一吨预焙阳极需重油51Kg，该项指标已经达到世界先进水平。下表是国内外三家预焙阳极生产能耗情况：

国内外三家预焙阳极生产能耗情况