單琪堰

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

隨著我國鋁工業(yè)快速發(fā)展，普通電爐逐漸被淘汰，大容量電爐日益增多，對(duì)直徑Φ300～700 mm的超高功率石墨電極的需求迅速增長(zhǎng)。而針狀焦是生產(chǎn)超高功率石墨電極的主要原料，國內(nèi)對(duì)針狀焦需求的增長(zhǎng)率一直高于國際平均增長(zhǎng)率，市場(chǎng)需求量大。當(dāng)前生產(chǎn)針狀焦的主要煅燒設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯煅燒屬于直接加熱煅燒工藝，即生針狀焦揮發(fā)分及部分燃料與空氣混合物在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒，對(duì)窯內(nèi)原料直接進(jìn)行高溫煅燒處理，煅燒溫度達(dá)到1 450～1 500 ℃。

以某石油化工企業(yè)煅燒單元，年產(chǎn)量為10萬t針狀焦，2臺(tái)Φ2.84 m×55 m的回轉(zhuǎn)窯為例。通過對(duì)回轉(zhuǎn)窯煅燒過程的物料平衡和熱平衡進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)分析能耗指標(biāo)，得出煅燒過程中主要的消耗依次為燃料、煅燒炭質(zhì)燒損和電量，為進(jìn)一步提高炭素回轉(zhuǎn)窯的熱工操作水平，找到有效的節(jié)能減排措施提供理論依據(jù)。對(duì)提高國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)針狀焦的整體水平及國際競(jìng)爭(zhēng)力有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦工藝概述

利用生針狀焦中的揮發(fā)分燃燒熱、外加燃料或者在電加熱的條件下，以直接或者間接加熱的方式對(duì)生針狀焦進(jìn)行高溫加熱處理的過程稱為煅燒。為保證煅燒質(zhì)量，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的生針狀焦需要經(jīng)過瀝水和破碎，瀝水后生針狀焦的水分含量小于8%，破碎后的粒度要求小于70 mm。

物料在窯體內(nèi)逆流換熱，從窯高端(窯尾)加入。由于窯體傾斜安裝，窯體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料沿筒壁向上轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到物料動(dòng)態(tài)堆積角時(shí)沿軸向向下移動(dòng)。燃燒器在窯低端(窯頭)噴入燃料，形成一個(gè)長(zhǎng)5～10 m的煅燒帶，溫度為1 250～1 450 ℃[1]，煙氣由高端排出。物料與煙氣逆流換熱，在移動(dòng)過程中得到充分加熱，經(jīng)過一系列物理和化學(xué)變化，生成合格的煅燒針狀焦從低端(窯頭)排出。

排出的煅燒針狀焦采用冷卻機(jī)冷卻，對(duì)冷卻機(jī)排出的針狀焦進(jìn)行分級(jí)和檢雜，檢出脫落的耐火材料，然后送往煅燒針狀焦貯運(yùn)和包裝。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦工藝流程框圖

2 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦熱平衡計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 回轉(zhuǎn)窯熱平衡概述

由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料氧化燒損大，導(dǎo)致煅后針狀焦的灰分含量高、質(zhì)量不穩(wěn)定、煅燒實(shí)收率低。窯體轉(zhuǎn)動(dòng)造成窯內(nèi)襯材料的磨損和脫落，增加了窯內(nèi)襯檢修工作量，提高了設(shè)備運(yùn)行成本[2]。因此，進(jìn)一步提高回轉(zhuǎn)窯實(shí)收率與運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低物耗與能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、充分利用余熱等是回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦工藝設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

回轉(zhuǎn)窯作為針狀焦煅燒工藝中耗能的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生大量含有炭粉和未充分燃燒的揮發(fā)分的高溫?zé)煔?，有必要?duì)其熱工工藝進(jìn)行分析，編制熱平衡，找到節(jié)能減排措施。目前，國內(nèi)對(duì)于回轉(zhuǎn)窯煅燒熱平衡在計(jì)算和分析上做了大量工作，回轉(zhuǎn)窯熱收入項(xiàng)主要包括：揮發(fā)分化學(xué)熱、燃料燃燒熱、硫燃燒熱、炭燃燒熱、生焦顯熱、空氣顯熱、燃料顯熱；回轉(zhuǎn)窯熱支出項(xiàng)主要包括：去沉降室生針狀焦顯熱、煅后針狀焦顯熱、煙氣顯熱、回轉(zhuǎn)窯外散熱、水汽化熱等。

2.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)表1為某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)用生針狀焦質(zhì)量指標(biāo)，該生針狀焦來自焦炭塔；

(2)某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒主要操作參數(shù)如表2所示。

2.3 實(shí)例計(jì)算

以某石油化工企業(yè)煅燒單元，年產(chǎn)量為10萬t針狀焦，2臺(tái)規(guī)格Φ2.84 m×55 m、斜度5%的回轉(zhuǎn)窯為例，單臺(tái)回轉(zhuǎn)窯額定產(chǎn)能8 t/h，生針狀焦含水率8%為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，編制其物料平衡和熱平衡，計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。

表1 某石油化工企業(yè)生針狀焦質(zhì)量指標(biāo)

表2 某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒主要操作參數(shù)

表3 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦物料平衡表

表4 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦熱平衡表

(1)某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒物料平衡如表3所示；

(2)某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒熱平衡如表4所示；

(3)回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦熱平衡分析

由表4回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦熱平衡計(jì)算可知，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)運(yùn)行所需熱量主要來源于外供燃料燃燒熱58.14%；炭燃燒熱及生針狀焦中揮發(fā)分化學(xué)熱所占比例較小，分別為20.28%和19.97%?；剞D(zhuǎn)窯運(yùn)行產(chǎn)生的熱量主要包括煅后針狀焦顯熱36.34%，此部分熱量與生產(chǎn)工藝所需的煅燒溫度、回轉(zhuǎn)窯額定產(chǎn)能有關(guān)，本文不重點(diǎn)討論更改回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)工藝。

回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的熱量主要被高溫?zé)煔鈳ё?，煙氣顯熱占34.35%?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣量為14 462.3 Nm3/h，因此煙氣中大量炭粉和65%未充分燃燒的揮發(fā)分帶走的物理熱是導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯熱效率較低的主要因素。降低炭質(zhì)燒損量，減少燃料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不必要的消耗應(yīng)是節(jié)能減排研究的主要方向。在熱支出項(xiàng)中，回轉(zhuǎn)窯外散熱占23.71%，比例較高，由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知，回轉(zhuǎn)窯表面平均溫度為210 ℃[3]，部分區(qū)域高達(dá)280 ℃，給現(xiàn)場(chǎng)工人操作帶來不便，降低了回轉(zhuǎn)窯熱效率。因此優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯隔熱材料，定期檢修，減少回轉(zhuǎn)窯外散熱勢(shì)在必行。

3 節(jié)能減排措施

3.1 回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦能耗分析

(1)表5為某石油化工企業(yè)煅燒針狀焦質(zhì)量指標(biāo)；

表5 某石油化工企業(yè)煅燒針狀焦質(zhì)量指標(biāo)

(2)某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦能耗指標(biāo)如表6所示；

表6 某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦能耗指標(biāo)

由表6可知，回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦過程中的節(jié)能減排措施應(yīng)主要從減少燃料消耗、降低煅燒過程中的炭質(zhì)燒損量、優(yōu)化系統(tǒng)電耗等方面探討和研究。

3.2 減少回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的燃料消耗

回轉(zhuǎn)窯設(shè)置一套燃燒控制系統(tǒng)，布置在回轉(zhuǎn)窯物料出口處，采用燃?xì)鉄?。主要用于煅燒系統(tǒng)啟動(dòng)前烘窯和正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)補(bǔ)充燃料，燒嘴配備一次風(fēng)機(jī)，用于為燃料提供氧氣，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)門，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。具體節(jié)能措施如下：

(1)回轉(zhuǎn)窯采用高效節(jié)能型燃?xì)鉄?，自帶供風(fēng)系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)窯頭罩紅外測(cè)溫儀檢測(cè)的煅燒帶溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯燃燒器的燃料供給量，以保持煅燒帶的溫度穩(wěn)定，減少燃料的消耗。

(2)回轉(zhuǎn)窯供風(fēng)量控制：根據(jù)窯頭罩紅外測(cè)溫儀檢測(cè)的煅燒帶溫度或窯尾溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度，以保持煅燒帶的溫度穩(wěn)定，有效減少回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的燃料消耗。

3.3 降低回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的炭質(zhì)燒損量

造成回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中炭質(zhì)燒損的主要原因是含有大量炭粉和未充分燃燒的揮發(fā)分的高溫?zé)煔狻⑸槧罱怪械拿航褂团c空氣中的氧接觸，生成具有氧化能力的氣體CO2、H2O，該氣體又與炭接觸生成CO2或CO，使生針狀焦氧化，增加了回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中炭質(zhì)燒損。主要化學(xué)反應(yīng)方程式如表7所示：

表7 回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中主要化學(xué)反應(yīng)方程式

具體節(jié)能措施如下所示：

(1)生針狀焦粒度越小，與空氣接觸的比表面積越大，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)越容易產(chǎn)生炭質(zhì)燒損[4]。因此，生針狀焦進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯前應(yīng)先根據(jù)粒度進(jìn)行配比，將生針狀焦分成粗、細(xì)兩種粒度，再根據(jù)設(shè)定的比例配料，將兩種粒度料穩(wěn)定、均勻地送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，以保證供給的生針狀焦粒度穩(wěn)定，防止粉料過多，產(chǎn)生炭質(zhì)燒損量過大。

(2)合理設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比、斜度

①物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的移動(dòng)速度公式為[5]：

式中vm—物料在窯內(nèi)的移動(dòng)速度，m/min；

n—窯轉(zhuǎn)速，r/min；

D—窯內(nèi)徑，m；

β—窯傾斜角，(°)；

α—物料安息角，(°)。

②物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的停留時(shí)間為[5]：

式中t—停留時(shí)間，min；

L—回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)，m；

vm—物料在窯內(nèi)的移動(dòng)速度，m/min；

α—物料安息角，(°)；

D—回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑，m；

n—回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式①、②中決定回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的移動(dòng)速度、停留時(shí)間的幾個(gè)因素，降低回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中的炭質(zhì)燒損量，應(yīng)重點(diǎn)考慮合理設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比、斜度[6]。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑、窯長(zhǎng)過小，會(huì)縮短煅燒過程中高溫區(qū)長(zhǎng)度，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分燃燒不充分；回轉(zhuǎn)窯內(nèi)徑、窯長(zhǎng)過大，增加了高溫?zé)煔庵刑糠叟c空氣接觸的時(shí)間，影響回轉(zhuǎn)窯熱效率。因此，合理設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比、斜度也是降低回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中炭質(zhì)燒損量的重要措施。

(3)優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的密封結(jié)構(gòu)和供風(fēng)方式，減少回轉(zhuǎn)窯漏風(fēng)量，使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)風(fēng)量始終處于可控狀態(tài)，可以有效減少炭質(zhì)燒損，提高煅燒針狀焦產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)采用沉降室處理回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，由于沉降室處于還原性氣氛，高溫?zé)煔庵袔淼拇罅刻糠劢?jīng)過處理后快速沉降，粉料匯集于底部料斗，采用輸送系統(tǒng)再將回收料返回回轉(zhuǎn)窯繼續(xù)煅燒，有效減少了煙氣帶走的熱量，提高回轉(zhuǎn)窯熱效率。

(5)采用立式結(jié)構(gòu)的燃燒室，配置自動(dòng)調(diào)節(jié)的供風(fēng)系統(tǒng)，使未沉降的小顆粒粉料和未燃燒的揮發(fā)分進(jìn)入燃燒室充分燃燒，將煙氣溫度提高到1 200 ℃，進(jìn)入余熱鍋爐系統(tǒng)，進(jìn)一步利用。

4 結(jié)語

通過對(duì)某石油化工企業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦過程的物料平衡和熱平衡進(jìn)行計(jì)算，分析得出采用沉降室合理回收利用煅燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，減少煙氣帶走的顯熱，可使炭質(zhì)燒損降低至5%，遠(yuǎn)低于國內(nèi)平均水平，有效的提高了回轉(zhuǎn)窯熱效率；由沉降室排出的含有大量未燃燒的揮發(fā)分和少量炭粉的煙氣，進(jìn)入燃燒室對(duì)其充分燃燒，供余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，可降低160 kg標(biāo)油/t單位能耗，節(jié)能效果顯著。此外，回轉(zhuǎn)窯煅燒生產(chǎn)過程中的設(shè)備電機(jī)均應(yīng)采用節(jié)能型產(chǎn)品，以降低系統(tǒng)電耗。因此，進(jìn)一步優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯煅燒針狀焦過程的工藝設(shè)計(jì)與熱工操作水平、提高回轉(zhuǎn)窯熱效率、充分回收利用高溫?zé)煔庥酂釕?yīng)是回轉(zhuǎn)窯煅燒過程中節(jié)能減排的主要研究方向。