關(guān)文斌,郭玉龍,趙云飛,郝虎俊,馬徑鴻

(包頭鋁業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014046)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)深入,資源約束日益緊張,能源“雙控”工作面臨著新的形勢(shì)和任務(wù),高耗能企業(yè)節(jié)能減排任務(wù)艱巨、壓力巨大,節(jié)能減排工藝技術(shù)的研究與實(shí)踐是高耗能企業(yè)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、高質(zhì)量發(fā)展的科學(xué)技術(shù)支撐。

電解鋁用預(yù)焙陽極炭塊經(jīng)過原料煅燒、破碎、制粉、配料、混捏、壓型、焙燒制作而成,生坯焙燒過程采用敞開環(huán)式焙燒爐焙燒,消耗大量天然氣。因此,炭素焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)的應(yīng)用,提高能源利用率,是關(guān)系到預(yù)焙陽極炭塊的成本、尾氣達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵,關(guān)系到企業(yè)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。

1 鋁用炭素焙燒爐理論能耗的研究

包頭鋁業(yè)炭素廠于2004年5月建成投產(chǎn),焙燒塊設(shè)計(jì)產(chǎn)能12萬噸/年,配備兩臺(tái)36室地上敞開式環(huán)式焙燒爐,每個(gè)爐室有9條火道和8個(gè)料箱,兩個(gè)火焰系統(tǒng)、6室運(yùn)轉(zhuǎn),見圖1,煙氣凈化采用黑法加半干法脫硫脫硝煙氣凈化,排放指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是面對(duì)國(guó)家能源雙控新形勢(shì)、新任務(wù),降低預(yù)焙陽極炭塊焙燒爐能耗、適應(yīng)黑法加半干法脫硫脫硝煙氣凈化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行、可持續(xù)發(fā)展,焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)亟待開發(fā)與應(yīng)用。

圖1 燃燒系統(tǒng)配置圖

根據(jù)焙燒爐熱平衡理論,焙燒爐熱輸入主要為天然氣、焙燒制品逸出揮發(fā)分燃燒釋放熱量、預(yù)熱空氣帶入冷卻區(qū)火道余熱;熱輸出為焙燒爐耐火材料、焙燒制品、填充料由初始溫度升高至最終溫度所需要的熱量、煙氣溫度由初始溫度升高至最終溫度所需要的熱量、煙氣帶走熱量以及爐體表面散熱損失[1],見圖2。

圖2 焙燒爐熱平衡分析

參照YS/T 124.4-2010《炭素制品生產(chǎn)爐窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法》第4部分焙燒爐等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[2-4],對(duì)該焙燒爐進(jìn)行溫度分布測(cè)試、物料平衡測(cè)試以及熱平衡計(jì)算,得出物料平衡測(cè)試表見表1、熱平衡表見表2。

表1 焙燒爐測(cè)定周期內(nèi)的物料平衡表

表2 焙燒爐熱平衡表

根據(jù)焙燒爐煙氣成分測(cè)試結(jié)果,焦油含量占比33%,充分證明揮發(fā)分燃燒放熱不充分。

2 焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)的關(guān)鍵核心

根據(jù)鋁用預(yù)焙陽極炭塊焙燒過程熱平衡研究分析可以得出,焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)的關(guān)鍵核心是生坯焙燒過程逸出的揮發(fā)分利用率,利用率越高,揮發(fā)分燃燒越充分、煙氣焦油含量越低、凈化壓力越小,釋放熱量越高、所需外供燃料量越低,焙燒能耗越低;反之,煙氣焦油含量高、凈化壓力大、焙燒能耗高。

2.1 焙燒過程揮發(fā)分析出規(guī)律研究

對(duì)預(yù)焙陽極炭塊焙燒過程中揮發(fā)分析出溫度區(qū)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,隨機(jī)稱取27個(gè)試樣、分為3組進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn),每組9個(gè)質(zhì)量相近生塊試樣從室溫焙燒至不同目標(biāo)溫度,分別統(tǒng)計(jì)其在不同溫度下的質(zhì)量變化情況,分析揮發(fā)分析出量,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下試樣質(zhì)量的變化情況

對(duì)生塊不同溫度下?lián)]發(fā)分析出量占生塊質(zhì)量的百分比可由式(1)計(jì)算:

(1)

式中:δ——生塊揮發(fā)分總析出量占生塊總質(zhì)量的百分比,%;

mi——第i個(gè)試樣的起始質(zhì)量,g;

由表3和式(1)可知陽極揮發(fā)分隨著溫度變化導(dǎo)致的析出量變化,見圖3,焙燒過程中生陽極炭塊瀝青組分中揮發(fā)分的逸出曲線特性,300～900 ℃瀝青揮發(fā)分逸出最劇烈,400 ℃時(shí)揮發(fā)分逸出速度達(dá)到最大值,之后逸出速度開始下降,900 ℃以后揮發(fā)分逸出趨于結(jié)束。揮發(fā)分是瀝青受熱分解產(chǎn)生的,主要成分有焦油、氫、甲烷、CO等,其中早期析出的焦油能否燃盡是揮發(fā)分燃盡的關(guān)鍵問題[5-6]。

圖3 揮發(fā)分析出曲線

2.2 最佳焙燒升溫曲線對(duì)炭素焙燒爐能耗的影響

焙燒過程熱能供給靠外部供給天然氣、生陽極炭塊焙燒過程揮發(fā)分析出。揮發(fā)分的充分燃燒和適量天然氣供給是焙燒爐主要能量來源,是焙燒爐節(jié)能降耗,降低排放的關(guān)鍵問題。在焙燒爐爐況不同,負(fù)壓保證能力不足的情況下,如何分配助燃空氣在焙燒中溫區(qū)、高溫區(qū)的供給量,確保揮發(fā)分與外供燃料充分燃燒,焙燒升溫曲線起到至關(guān)重要的作用。

焙燒升溫曲線制定遵循的原則“兩頭快、中間慢”,這是針對(duì)制品質(zhì)量而言的,如何結(jié)合制品質(zhì)量、揮發(fā)分與外供燃料充分燃燒尋求最佳焙燒升溫曲線是節(jié)能工藝技術(shù)探索的重點(diǎn)。

為保證助燃空氣在焙燒中溫區(qū)、高溫區(qū)的供給量,確保揮發(fā)分與外供燃料充分燃燒,焙燒升溫曲線的制定要根據(jù)焙燒爐爐況、燃燒設(shè)備實(shí)際升溫能力,確定各溫升階段升溫速率。采取等效溫度測(cè)試法,將示溫劑隨同生陽極炭塊裝入焙燒爐,出爐后通過測(cè)量示溫劑晶格常數(shù),確定制品燒成溫度與溫場(chǎng)分布情況。根據(jù)等效溫度測(cè)試結(jié)果,分析制品溫度與火道溫度偏差,制品是否過燒及溫場(chǎng)均衡性,科學(xué)合理確定火道最終溫度,既保證目標(biāo)制品溫度的實(shí)現(xiàn),又不過燒而節(jié)約能耗。4P初始溫度的確定也非常關(guān)鍵,設(shè)定的太高,移爐后實(shí)際溫度與曲線溫度相差太大,燃燒架加大功率供給燃料,導(dǎo)致火道揮發(fā)分等可燃?xì)怏w過剩,溫度不升反降;通過優(yōu)化升溫曲線,使4P燃燒架在移爐后基本不工作或小負(fù)荷工作,給揮發(fā)分燃燒留有足夠的預(yù)熱空氣,5P、6P快速升溫進(jìn)入曲線,當(dāng)5P、6P進(jìn)入曲線后、功率下降、外供燃料降低,耗氧量下降,4P燃燒架開始工作或提升功率,進(jìn)而使焙燒控制系統(tǒng)獲得最低的能耗,最佳的制品品質(zhì)控制效果。

預(yù)焙陽極炭塊最終溫度保溫時(shí)間對(duì)制品質(zhì)量、均質(zhì)性影響較大,保溫時(shí)間長(zhǎng)、碳結(jié)構(gòu)重排充分,石墨化程度提高,均質(zhì)性好;反之,石墨化程度低、均質(zhì)性差。但是保溫時(shí)間太長(zhǎng),影響焙燒曲線升溫速率,因此,合理確定預(yù)焙陽極炭塊最終燒成溫度保溫時(shí)間是最佳焙燒升溫曲線的不可忽視的因素。對(duì)焙燒全過程制品溫度升溫、保溫過程進(jìn)行了測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示,制品進(jìn)入冷卻階段1C、2C制品溫度下降很慢,基本也處于保溫狀態(tài),這給我們保溫時(shí)間的確定提供了依據(jù)。

圖4 冷卻階段制品溫度變化

2.3 焙燒爐運(yùn)行負(fù)壓制度對(duì)能耗的影響

焙燒爐因爐型不同、運(yùn)行年限不同,爐體破損、密封情況各不相同,火道負(fù)壓保證能力也不同。通過對(duì)火道負(fù)壓與煙氣流速對(duì)火道內(nèi)揮發(fā)分等可燃?xì)怏w燃燒程度的影響研究發(fā)現(xiàn),見圖5,火道負(fù)壓過高、煙氣流速快,揮發(fā)分逸出后不能充分與預(yù)熱空氣混合燃燒而隨煙氣進(jìn)入凈化系統(tǒng),造成燃料浪費(fèi)、煙氣凈化壓力增大;火道負(fù)壓過小、煙氣流速慢、流量降低,預(yù)熱空氣進(jìn)入中溫區(qū)、高溫區(qū)不足,造成燃燒缺氧、燃料過剩、升溫困難,能量空耗、煙氣凈化壓力增大。因此,適宜的火道負(fù)壓是保證預(yù)熱空氣合理分配、揮發(fā)分逸出及時(shí)燃燒與外加燃料充分燃燒的工藝條件,有利于降低焙燒爐能耗[6]。

圖5 揮發(fā)分逸出及燃燒狀況

2.4 預(yù)熱空氣對(duì)焙燒爐能耗的影響

預(yù)熱空氣作為一次空氣來回收燒成陽極、高溫填充焦和耐火墻體中儲(chǔ)存了大量的熱能,是環(huán)式焙燒爐節(jié)能重要特點(diǎn),也是回收固體蓄熱的唯一手段。預(yù)熱空氣最高溫度可高達(dá)1050 ℃,帶入熱量接近于燃料產(chǎn)生的熱量,作為三大熱收入(燃料化學(xué)熱、預(yù)熱空氣帶入熱、揮發(fā)分產(chǎn)生熱)來源之一的預(yù)熱空氣帶入熱量的利用程度直接決定了外加燃料的消耗量。

順著焙燒爐火道煙氣流動(dòng)方向,火道內(nèi)氧含量呈梯度下降,預(yù)熱空氣的供給量又決定著高溫、中溫區(qū)外加燃料、逸出揮發(fā)分充分燃燒程度[7]。因此,鼓風(fēng)架位置及風(fēng)量調(diào)節(jié)控制對(duì)于焙燒爐節(jié)能也至關(guān)重要。通常情況,盡量選擇離6P有足夠距離的位置布置鼓風(fēng)機(jī),選擇1C4孔保持微正壓,以保證有足夠長(zhǎng)的距離預(yù)熱空氣,進(jìn)入6P1孔預(yù)熱空氣壓力與負(fù)壓實(shí)現(xiàn)平衡(零壓點(diǎn)控制),以確保高溫、中溫區(qū)外加燃料、逸出揮發(fā)分充分燃燒供氧并略有富余,實(shí)現(xiàn)富氧燃燒。

2.5 焙燒爐保溫與密封對(duì)焙燒爐能耗的影響

焙燒爐熱平衡分析結(jié)果顯示,焙燒爐散熱損失占熱量支出的15%。因此,做好焙燒爐保溫與密封工作,減少冷空氣進(jìn)入量、減少爐體表面散熱損失,有利于提高焙燒爐熱效率、降低能耗。

對(duì)于老齡焙燒爐而言,保溫與密封非常重要[8-9]。排煙架前后鋪設(shè)塑料薄膜,焙燒爐橫墻密封,火道插板制作采用新型不透氣阻燃布、折型改扇形,減少末端泄漏、適當(dāng)提升火道負(fù)壓,為焙燒曲線的執(zhí)行奠定了基礎(chǔ),以達(dá)到爐況破損情況下的最佳控制效果。火井蓋、電偶座、燃燒器底座密封,降低冷空氣進(jìn)入量;加高頂層覆蓋料厚度、嘗試運(yùn)行爐室加蓋,減少散熱損失,以降低能耗。

2.6 計(jì)算機(jī)控制輔以人工動(dòng)態(tài)操作,均衡溫場(chǎng)、降低能耗

計(jì)算機(jī)控制的高級(jí)功能是通過系統(tǒng)辨識(shí),模糊控制,最優(yōu)控制等先進(jìn)控制方法,調(diào)整排煙架蝶閥開度,燃燒架燃燒功率,鼓風(fēng)架鼓風(fēng)量,使火道具備揮發(fā)分充分燃燒的溫度,氧量及合適的負(fù)壓,進(jìn)而使揮發(fā)分完全燃盡。但是國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)燃燒控制系統(tǒng),基本沒有煙氣渾濁度在線測(cè)試分析,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;排煙架、鼓風(fēng)架控制功能隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng),執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能缺失,只能根據(jù)火道溫度在線測(cè)試實(shí)現(xiàn)外加燃料功率閉環(huán)控制,很難實(shí)現(xiàn)溫場(chǎng)均衡、逸出揮發(fā)分充分燃燒。

人機(jī)結(jié)合控制火道溫度,通過燃燒自動(dòng)控系統(tǒng)與調(diào)溫工的有效結(jié)合,適時(shí)觀察火道燃燒情況,正確判斷燃料與空氣的配合狀況、溫場(chǎng)均衡情況,采取動(dòng)態(tài)負(fù)壓、鼓風(fēng)操作法,及時(shí)調(diào)整燃料供給量、確保充分燃燒,使得火道內(nèi)的燃料與氧氣保持在最佳比例,使揮發(fā)分和燃料能充分完全燃燒,外加燃料消耗降至最低。

3 焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)實(shí)踐研究效果

(1)火道內(nèi)燃燒清亮、火道溫度與目標(biāo)溫度偏差≤5 ℃,符合曲線率100%,見圖6。

圖6 改善前后升溫曲線情況

(2)天然氣耗量下降15%,焙燒塊天然氣單耗由原來65 Nm3/t降到57 Nm3/t以下,見圖7、圖8。

圖7 改善前后天然氣日耗量情況

圖8 改善前后天然氣單耗情況

(3)焙燒爐尾氣測(cè)試焦油含量降低,煙氣凈化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行率大幅提升。

(4)制品質(zhì)量明顯提升,外觀合格率提升0.5%;電阻率和真密度指標(biāo)明顯改善。

4 結(jié) 語

(1)最佳焙燒升溫曲線是陽極焙燒爐節(jié)能工藝技術(shù)的關(guān)鍵核心,科學(xué)合理的焙燒升溫曲線是保證揮發(fā)分充分燃燒、降低外加燃料消耗的關(guān)鍵。升溫速率的確定要視焙燒爐爐況、工藝技術(shù)條件、實(shí)際升溫能力而定,不以人的意志為轉(zhuǎn)移;最終溫度、保溫時(shí)間的確定要遵循科學(xué)合理原則,根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行確定,既要保證制品質(zhì)量、又要兼顧能耗。

(2)適宜的火道負(fù)壓是保證預(yù)熱空氣合理分配、揮發(fā)分逸出及時(shí)充分燃燒與外加燃料充分燃燒的工藝條件,有利于降低焙燒爐能耗。

(3)預(yù)熱空氣最高溫度可高達(dá)1050 ℃,預(yù)熱空氣的供給量又決定著高溫、中溫區(qū)外加燃料、逸出揮發(fā)分充分燃燒程度,預(yù)熱空氣帶入熱量的利用程度直接決定了外加燃料的消耗量。

(4)對(duì)于老齡焙燒爐而言,保溫與密封非常重要。做好焙燒爐保溫與密封工作,減少冷空氣進(jìn)入量、減少爐體表面散熱損失,有利于提高焙燒爐熱效率、降低能耗。

(5)計(jì)算機(jī)控制輔以人工動(dòng)態(tài)操作,采取動(dòng)態(tài)負(fù)壓、鼓風(fēng)操作法,及時(shí)調(diào)整外加燃料供給量,使得火道內(nèi)的燃料與氧氣保持在最佳比例,使揮發(fā)分和燃料能充分完全燃燒,有利于降低外加燃料消耗。