摘 要:本文根據(jù)石油焦自發(fā)燃燒的特點，研發(fā)出順流式高溫炭素隧道窯，介紹了該窯爐設(shè)計、建造、安裝、調(diào)試的經(jīng)驗。該工藝使用高溫隧道窯煅燒石油焦，在燒制過程中，利用石油焦中的揮發(fā)份自燃，石油焦本身收縮再結(jié)焦，形成強度大、密度高、電阻率低、熱導(dǎo)率好的優(yōu)質(zhì)鍛后焦。

關(guān)鍵詞:順流式;高溫;炭素隧道窯;揮發(fā)份;自燃;鍛后焦

1 前言

自上世紀(jì)五十年代以來，國內(nèi)引進前蘇聯(lián)炭素行業(yè)用原料鍛后焦加工(罐式煅燒爐)工藝，該工藝存在諸多落后因素，如鍛后焦真密度低、電阻率大、能耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，該制品不能用于制造高功率或超高功率的優(yōu)質(zhì)炭素制品。目前，我國優(yōu)質(zhì)鍛后焦(針狀焦)仍主要依賴進口，年進口量約50~60萬噸，價格昂貴，為1300~1350美元/噸，嚴(yán)重制約了我國炭素行業(yè)的發(fā)展。

我公司與吉林炭素廠經(jīng)過多年深入合作研究，所獲得的鍛后焦產(chǎn)品性能達到甚至超過國際指標(biāo)(真密度≥2.14，電阻率<400Ω)。而且已初步進行工業(yè)性試驗，形成了一套可行的高溫隧道窯煅燒生產(chǎn)工藝。

2 窯爐主要技術(shù)參數(shù)

順流高溫炭素隧道窯是一種連續(xù)工作的匣缽、明焰、快燒型窯爐，最高燒成溫度達到1550°以上，專門用來焙燒無機非金屬材料——炭素產(chǎn)品。這種產(chǎn)品在燒制過程中，石油焦本體揮發(fā)出可燃性氣體(提煉液化氣的主要成分，300~400°C開始逐漸揮發(fā))并自燃;而且此產(chǎn)品的燒成工藝不同于一般硅酸鹽產(chǎn)品，該產(chǎn)品在燃燒過程中處于放熱狀態(tài)，而且要求揮發(fā)份的自燃必須控制在設(shè)置燒嘴的位置燃燒，這樣有助于按工藝要求升溫，同時大大節(jié)約燃料，這就給窯爐的設(shè)計和建造帶來很大的難度。因此此隧道窯，預(yù)熱帶盡可能縮短，溫度不能過高(但要保證在預(yù)熱帶末端即第一對燒嘴處揮發(fā)份大量出現(xiàn))，燒成帶后段設(shè)有足夠的燃盡時間(此段不設(shè)置燒嘴)。該窯爐大致參數(shù)如下:

(1) 全窯總長:120m;窯內(nèi)寬:2.46m;窯車至拱腳磚高度為:1.56m;

(2) 最高燒成溫度:1550°以上;

(3) 窯內(nèi)存車:52輛;

(4) 窯外運轉(zhuǎn)車輛38輛;

(5) 窯車尺寸:長×寬×高=2300mm×2200mm×980mm;

(6) 每輛窯車裝載石油焦量:3.2t/車;

燒成周期:28h左右(根據(jù)每次進來的化驗焦子揮發(fā)分成分來改變窯車的行進時間);

(7) 燃料:液化石油氣(外界供給);

(8) 燃料消耗:110Nm3/h左右;

(9) 燒成氣氛:氧化焰;

(10) 液化石油氣壓力:2000~3000Pa;

(11) 助燃空氣壓力:2500~3000Pa;

(12) 助燃空氣溫度:250～300°C;

(13) 液化氣熱值:22000大卡/m3;

(14) 進車方式:間隙式進車;

(15) 溫度檢測點:21個。

3 高溫順流隧道窯的設(shè)計

整個隧道窯主要包括窯體結(jié)構(gòu)、排煙系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、窯前封閉氣幕、噴射攪拌系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、窯車、車下冷卻系統(tǒng)、熱工測量和自動控制系統(tǒng)等，窯體圖如圖1所示。

3.1窯爐主體結(jié)構(gòu)

窯體鋼結(jié)構(gòu)采用工字鋼加固立柱，固定在窯爐混凝土基礎(chǔ)上，立柱之間由拉桿進行松緊，使窯體不會產(chǎn)生太大的變形。窯長120m，分為預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶3部分;窯外有裝車、卸車場所、檢修坑道、托車道以及運輸軌道。

本窯屬于高溫窯爐，最高燒成溫度在1550°C以上。全窯屬于負壓燒成操作條件，窯爐壓力控制在-8~-12Pa范圍內(nèi)。窯斷面設(shè)計了三曲折密封結(jié)構(gòu)，曲折密封間隙控制較小，有效地阻止了窯內(nèi)火焰下竄;車下最低三層磚每隔一定距離留有與外界相通的通風(fēng)孔，車下還設(shè)有車下風(fēng)機，將車下的溫度控制在100°C以內(nèi)，確保了窯車的正常運行。

3.2窯體耐火材料

在不影響窯爐質(zhì)量的情況下，從經(jīng)濟角度設(shè)計，本窯爐燒成帶內(nèi)襯選用了硅磚(XGB-96)，向外依次是輕質(zhì)莫來石隔熱磚、多層纖維毯與高鋁硬板、紅磚以外墻保溫涂料。

此順流高溫隧道窯采用拱頂結(jié)構(gòu)，有助于大量揮發(fā)份燃燒，節(jié)約燃料成本。傳統(tǒng)高溫隧道窯在生產(chǎn)運行一段時間后，其燒成帶兩側(cè)內(nèi)墻因高溫膨脹，會不同程度地向窯內(nèi)凸出。為了克服這一問題，本設(shè)計將燒成帶的窯墻內(nèi)襯耐火磚采用嚙合結(jié)構(gòu)，使幾層內(nèi)襯磚形成整體，使用結(jié)果證明，窯內(nèi)沒有明顯外凸現(xiàn)象。由于拱頂橫向推力很大(經(jīng)過計算，在1550℃時燒成帶每隔2根立柱之間的橫向推力達15t左右)，本設(shè)計中，拱頂分多層結(jié)構(gòu)，中間層使用輕質(zhì)保溫磚，在受熱面重質(zhì)磚拱形結(jié)構(gòu)的撐托下，克服輕質(zhì)磚不宜受高壓力的缺點，同時發(fā)揮輕質(zhì)磚保溫效果好的優(yōu)點，從而克服傳統(tǒng)多層重質(zhì)磚拱頂結(jié)構(gòu)隔熱性能差的現(xiàn)象。

窯墻的厚度是根據(jù)溫度的高低和區(qū)間的長度來確定的，在預(yù)熱與冷卻帶選用粘土磚和輕質(zhì)保溫磚，而在高溫區(qū)還增加一些導(dǎo)熱系數(shù)低的保溫棉和板。使用結(jié)果顯示，在燒成高溫區(qū)1550℃左右的區(qū)間內(nèi)，窯墻外表面保溫涂料的溫度不大于60℃。

由于燒成產(chǎn)品的特殊性，揮發(fā)份燃燒的位置必須在設(shè)置燒嘴的位置，在自燃溫度達不到設(shè)計的情況下，利用燒嘴輔助點火，使揮發(fā)份燃燒完全，從而保證燃燒區(qū)長度的有效控制，使制品的比重≥2.14，電阻率<400Ω。準(zhǔn)確控制預(yù)熱帶的升溫速度與升溫范圍:順流高溫炭素隧道窯的預(yù)熱帶末溫度控制在600～800℃左右。

本順流高溫炭素隧道窯燒成帶選用的硅磚(XGB-96)，其膨脹系數(shù)極大，砌筑時應(yīng)留設(shè)多道膨脹縫;采用弓字形封閉式結(jié)構(gòu)，上下磚層形成鎖口，并用多晶棉填充，避免窯墻串火。

3.3窯頭封閉氣幕及排煙系統(tǒng)

在窯頭入口處，為了減少冷風(fēng)的吸入量，設(shè)置兩道封閉氣幕，從兩側(cè)窯墻和窯頂噴射空氣，使窯道與外界冷空氣隔離，大大減小預(yù)熱帶斷面溫差。

為了滿足石油焦制品的升溫要求，在預(yù)熱帶設(shè)置了攪拌風(fēng)系統(tǒng)，攪拌風(fēng)抽自窯尾排煙換熱器換熱風(fēng)。本隧道窯采用集成使用一條攪拌風(fēng)總管與助燃總管，不設(shè)置攪拌風(fēng)機，為企業(yè)節(jié)約電能，同時簡化實際調(diào)試步驟。攪拌風(fēng)的設(shè)置使預(yù)熱帶的上下溫差得有效的控制，為石油焦制品燒成工藝預(yù)熱升溫提供了保證。

本高溫順流隧道窯的排煙系統(tǒng)的設(shè)計，不同于以往的窯頭預(yù)熱帶排煙結(jié)構(gòu)，此排煙系統(tǒng)設(shè)置于急冷與快冷之間，開設(shè)多處抽口，采用以分散排煙的方式至總管匯總，煙氣經(jīng)過換熱器換熱后的熱空氣作為窯前預(yù)熱攪拌風(fēng)與助燃風(fēng)，同時分設(shè)分管至干燥窯干燥焦子。此排煙系統(tǒng)真正實現(xiàn)了熱能的梯級利用。

3.4窯車

窯車鋼架是用型鋼制作加工而成的，車輪采用澆鋼件ZG-45，窯車軸承采用耐高溫軸承，最高溫度可達到200℃，采用石墨潤滑劑。

根據(jù)制品的裝載要求和窯車襯材耐火材料的使用壽命要求，車面選用重質(zhì)大塊碳化硅磚，碳化硅的耐火度高達2500℃，抗熱震效果好，并與裝載制品的匣缽為同種材質(zhì)，避免在高溫下兩種不同材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，大大提高了窯車的使用安全性。窯車其它耐火材料層至上往下為:

第一層車面磚采用干砌，干砌的優(yōu)點在于大大減少了窯車的檢修次數(shù)，延長了窯車的使用壽命;第二層磚選用耐火度高的特級高鋁磚;第三、四層窯車外沿曲封選用強度比較高而且耐高溫的剛玉莫來石磚(GMS-2.85)，中間選用普通輕質(zhì)莫來石磚;第五、六層曲封選用強度高的N-2a重質(zhì)粘土磚，中間用輕質(zhì)保溫磚以減輕重量。最下面一層選用保溫效果好的輕質(zhì)澆注料，強度高、整體性能好，有效阻止熱氣流下竄，不易變形開裂，而且在實際砌筑過程中能有效調(diào)整好曲封的位置。

3.5燃料供應(yīng)系統(tǒng)

本高溫順流隧道窯設(shè)計使用的燃料為液化石油氣，熱值為22000kcal/m3 。液化石油氣是熱值最高的氣體燃料，純凈、壓力高，特別適合于高溫?zé)桑碚撚嬎闳紵郎囟瓤蛇_到1650°C(隧道窯的高溫系數(shù)η值取0.81計算)。

液化石油氣的理論空氣量大，約為24~30Nm3/ Nm3，因此，對使用燒嘴的混氣性能要求較高，也就是說，必須將1Nm3液化石油氣與24~30 Nm3的空氣充分混合，才能燃燒完全。

本設(shè)計選用中高速液化氣燒嘴，液化氣與助燃風(fēng)壓力在高速燒嘴處幾乎差不多(大于1500Pa)，燒嘴采用熱風(fēng)助燃，雖然噴嘴能力有所下降，但可以節(jié)省液化氣，提高燒成周期。

3.6助燃風(fēng)加熱系統(tǒng)

為了減少能耗，助燃風(fēng)采用熱風(fēng)助燃。本設(shè)計的熱風(fēng)采用急冷處的熱風(fēng)，進入燒嘴處的熱風(fēng)溫度有100℃左右，這樣可以節(jié)省燃氣，有利于快燒。

3.7燃燒系統(tǒng)

由于焙燒石油焦制品的特殊性，高溫?zé)蓵r間比較長，因而本設(shè)計高溫窯段占窯體總長度的比例大。但由于石油焦在正常的生產(chǎn)過程中，靠自身的可燃揮發(fā)份自發(fā)燃燒，因此窯爐布置的燒嘴數(shù)量相對較少。在揮發(fā)份滿足燒成的條件下，可以切斷外界的燃料供應(yīng)，只需往窯內(nèi)供應(yīng)助燃風(fēng)，這就大大減少了燃料成本。由于燒成帶比例長，燒嘴分布稀，且窯道也比較寬，因此燒嘴選用專用液化氣的高速調(diào)溫?zé)?采用碳化硅套筒)，有助于窯體的烘烤。通過改變點燃的燒嘴數(shù)量和部位來滿足不同部位的燒成溫度，以適應(yīng)不同產(chǎn)地的焦子產(chǎn)品焙燒工藝要求，具有更大的燒成工藝適應(yīng)性和靈活性。

每支燒嘴都配備電磁閥和自動點火器，實現(xiàn)了連鎖控制裝置，為操作帶來了方便。

燃燒系統(tǒng)的助燃風(fēng)抽至冷卻帶的熱風(fēng)，熱風(fēng)溫度為250～300℃。根據(jù)燃燒試驗:助燃風(fēng)每提高200℃，可提高理論燃燒溫度80～100℃。本燃燒系統(tǒng)的調(diào)試靈活，而石油焦制品中的可燃揮發(fā)分的比例為8%～18%，因此在每次進焦過程中都必須進行化驗來確定石油焦的揮發(fā)份。揮發(fā)份含量不同，燃料的供應(yīng)也隨之做出改變，需據(jù)此確定窯車的行進時間，以控制燒成質(zhì)量。

3.8冷卻系統(tǒng)

因燒成后的產(chǎn)品密度大(真密度在2.14左右)，裝載的碳化硅匣缽導(dǎo)熱系數(shù)大，所以熱容量很大。產(chǎn)品冷卻速度緩慢，因此窯的冷卻階段相比一般工業(yè)窯爐窯長。為了快速實現(xiàn)產(chǎn)品的冷卻，便于出窯后的卸載，在冷卻帶設(shè)置了急冷區(qū)、熱風(fēng)抽出區(qū)和窯尾快速冷卻區(qū)三個區(qū)域。

在急冷區(qū)間設(shè)置多個冷風(fēng)噴口。冷卻匣缽后的熱風(fēng)大部分輸送到燒成帶助燃，剩余的熱風(fēng)隨抽熱風(fēng)口抽出，用于旋風(fēng)筒干燥。在熱風(fēng)抽出區(qū)，設(shè)有2臺高功率抽熱風(fēng)機，抽出的熱風(fēng)用于干燥旋風(fēng)筒。

窯尾直接冷卻區(qū)，設(shè)有2臺大流量的離心風(fēng)機，從窯尾直接把冷風(fēng)吹入窯內(nèi)，經(jīng)與匣缽換熱抽出。在窯尾處設(shè)置一臺備用抽熱風(fēng)機(一是因為石油焦的揮發(fā)份含量在8%~18%，防止前面抽熱風(fēng)機抽力不夠，用于備用;二是這部分為干凈熱風(fēng)，可用于助燃或者余熱利用);在窯爐最末端還安裝有2臺軸流風(fēng)扇，用于直接冷卻產(chǎn)品，熱風(fēng)從窯頂風(fēng)罩排空。

3.9車下冷卻系統(tǒng)

由于本窯爐為高溫?zé)?，而且此炭素產(chǎn)品燒成更不同于以往陶瓷產(chǎn)品，在燒成帶將有8%～18%的揮發(fā)份燃燒，因此燒成帶的壓力大于窯車下的壓力，火焰容易往下竄，易造成車下溫度過高。為了解決車下溫度過高的問題，必須建立車下壓力制度，使窯內(nèi)和車下壓力平衡。設(shè)計時我們采用多種手段，以便調(diào)節(jié)靈活，使窯內(nèi)和車下壓力制度得到平衡。在燒成帶和冷卻帶下部設(shè)置吹風(fēng)管，以便向車下吹冷空氣，窯下方每隔200mm距離留設(shè)一個3層磚厚的熱風(fēng)出氣口，以保證壓力平衡(此處可以考慮將熱風(fēng)機集中抽出，用于余熱利用，提高窯爐整體熱利用效率)。

3.10熱工測量與自動控制系統(tǒng)

(1) 溫度測量:在窯體的頂部安裝T1～T21與窯底車下風(fēng)溫度1測點共22支熱電偶，并在儀表控制室內(nèi)安裝了數(shù)顯儀表。

(2) 排煙(抽熱)風(fēng)機、助燃風(fēng)機、間壁抽熱急冷熱風(fēng)機和換熱器在現(xiàn)場都安裝雙金屬溫度計顯示溫度，以便檢測溫度是否正常，同時起到保護風(fēng)機的作用。

(3) 壓力測量:液化氣進口壓力、出口壓力、助燃風(fēng)壓力、排煙(抽熱)壓力、助燃風(fēng)機壓力與排煙壓力分別與風(fēng)機連鎖控制;液化氣總成壓力現(xiàn)場顯示;總成上下限壓力參與報警。

(4) 如果油壓機推車壓力顯示超壓，報警裝置啟動，并自動停泵，油壓機本體設(shè)計一套聯(lián)鎖裝置。

(5) 排煙風(fēng)機、助燃風(fēng)機、急冷風(fēng)機、車下風(fēng)機和排煙(抽熱)通過變頻器控制，同時控制窯內(nèi)各部位壓力，既省電又可穩(wěn)定風(fēng)壓。

(6) 液化石油氣管路采取保護措施。為了保證供氣安全，在供氣主管上設(shè)有電磁總閥，在各個燒嘴處也設(shè)有電磁閥。當(dāng)系統(tǒng)停電時，電磁總閥自動切斷氣路，防止液化氣進入窯內(nèi)，當(dāng)助燃風(fēng)機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，報警器發(fā)出報警信號，同時也切斷了電磁總閥，確保整個窯爐的安全運行。

(7) 在窯頂氣路末端，還安裝了電閉式安全放散閥，當(dāng)停電時自動打開，將管道內(nèi)剩余液化石油氣放散到大氣中，使管道不形成密閉的容器，防止爆炸。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計和建造的1550°C節(jié)能高溫順流炭素隧道窯已經(jīng)投產(chǎn)，填補了我國高溫焙燒非金屬材料——高密度炭素產(chǎn)品的空白。

“高溫隧道窯煅燒高品位石油焦工藝”在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，采用這種工藝，含碳量70%～80%的石油焦在100多米長隧道窯內(nèi)高溫煅燒后，變成銀灰色、有金屬光澤的高品位石油焦。經(jīng)我國炭素行業(yè)產(chǎn)品權(quán)威檢測機構(gòu)檢測，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)處于國內(nèi)同行業(yè)領(lǐng)先水平，幾個關(guān)鍵指標(biāo)超過進口產(chǎn)品。