孔 強

（陜西有色榆林新材料集團有限責任公司，陜西 榆林 719000）

1 行業(yè)概況

敞開式環(huán)式焙燒爐是在80年代初貴鋁從日本引進新的環(huán)式技術，此后，沈陽、貴陽鋁鎂設計院又為我國鋁用炭素廠設計了一批具有“日輕爐”或“里德哈默爐”技術特點的新環(huán)式爐，并相繼投產(chǎn)。后期雖經(jīng)過30多年的改進，但仍然存在諸多技術難題。常用的焙燒工藝不能充分利用揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量，致使焙燒熱能消耗一直較高;揮發(fā)分燃燒不充分，造成煙氣凈化負擔較重;升溫速度控制不理想，產(chǎn)品質(zhì)量較差，以上便是目前焙燒的主要瓶頸問題。

面對燃氣市場的日趨緊縮，燃氣價格的持續(xù)走高（尤其進入冬季天然氣價格一漲再漲，且限制企業(yè)用氣量），面對成本壓力日益凸顯，作為炭素行業(yè)用氣大戶的焙燒車間，降低生產(chǎn)成本從降低天然氣單耗入手有較大的挖掘空間，且現(xiàn)今諸多炭素行業(yè)將目光投向降低焙燒天然氣耗量這一方向，從節(jié)能方面入手降低生產(chǎn)成本。

2 公司現(xiàn)狀

我公司焙燒車間共計有三臺焙燒爐，兩臺54爐室，一臺36爐室，均為敞開式焙燒爐。每個爐室有9條火道8個料箱，分3層立裝；焙燒爐面設備采用機電一體化燃燒架和機電一體化排煙架，DCS自動控制系統(tǒng)；以天然氣作燃料；于2012年11月投入生產(chǎn)。

車間已投產(chǎn)8年多時間，部分爐室變形嚴重，如火道墻向一側(cè)“鼓肚子”，爐墻塌陷和下沉，墻體裂縫等一系列問題。在此每況日下的硬件設施下，公司天然氣單耗雖無增長，但卻難以持續(xù)降低。為達到公司降低天然氣氣耗的目標，同時完成公司下達任務指標，車間采取移爐前幾個小時關閉6P燃燒架的方式或者關閉、減小燃燒架上游支管噴氣的措施降低用氣量，以保證達到節(jié)氣的目的。采用以上方法，雖然實現(xiàn)了節(jié)省燃氣的目的，但本身就是28小時的較短焙燒周期嚴重影響了制品的高溫保溫時間，導致制品電阻率等理化指標波動較大，均質(zhì)性較差。

3 優(yōu)化工藝調(diào)整，實現(xiàn)節(jié)能降耗

為實現(xiàn)降低天然氣單耗，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目標，車間主動與同行業(yè)多個企業(yè)進行交流，并在車間內(nèi)部開展實驗，摸索、挖掘節(jié)氣方法和途徑。通過開展各項實驗，大量匯總數(shù)據(jù)，經(jīng)過一年多的時間，車間天然氣單耗由61Nm3/t降低至58Nm3/t，總結出降低天然氣單耗的幾方面突途徑，如爐室結構與密封、燃控系統(tǒng)（設備和程序）和焙燒工藝，下面就針對以上幾點因素談一下個人看法。

3.1 爐室結構與密封效果

焙燒爐做為焙燒生產(chǎn)的主體設備，其結構對于焙燒工藝、產(chǎn)品質(zhì)量和天然氣耗量等各方面指標有著至關重要的影響。近幾年陸續(xù)投建的新型焙燒爐在爐室結構方面與舊爐存在的較大差別，尤其在爐面結構上，新型焙燒爐火孔采用小孔設計（比燃燒器噴管直徑略大），相比舊爐的大孔設計（一般為三件套）有更好的爐面密封和保溫效果。因此在同樣的燃控設備配置下，新型爐室具有明顯的節(jié)氣優(yōu)勢。

車間的三臺焙燒爐均為老式焙燒爐，爐面火孔三件套間的縫隙較多。再加上多年的運行，爐墻變形嚴重，爐墻磚縫變寬，透風率增加，進一步增加了焙燒爐的保溫和密封性，打破熱平衡，損失的熱量須更多的燃氣來補充。為緩解舊爐結構上的缺陷，車間采用耐火棉將火孔蓋縫隙和爐面預制塊間縫隙等可能造成負壓損失的都進行密封處理，同時預熱爐室采用塑料薄膜覆蓋，極大程度的降低了負壓損失，同時降低了風機頻率，降低了電耗，為后期的工藝調(diào)整提供了良好的基礎工藝條件，且爐室質(zhì)量和密封質(zhì)量也是最關鍵的“硬件條件”。

3.2 燃控設備的升級改造

在做好爐面密封工作后，做好節(jié)氣工作還需有硬件設施的支持。焙燒的兩大關鍵設備，一是提供負壓環(huán)境的排煙架，二是提供熱源的燃燒器。車間自2012年投產(chǎn)后排煙架和燃燒器一直未做升級改造，采用的依舊是十幾年前的老舊設備，已經(jīng)不能滿足如今的工藝和能耗要求，嚴重制約著車間的工藝優(yōu)化和節(jié)氣工作。

2019年車間逐步完成關鍵設備的升級改造，將老舊排煙架升級為漸縮型排煙架，除有效的提高了各火道的負壓外更均衡了各火道間的負壓，縮小了各火道間的差距，尤其提升了兩個邊火道的負壓，為后期的工藝調(diào)整提供了良好的負壓環(huán)境。另外，車間對所有燃燒器做了更換升級，將15cm長的鋼制耐火噴管更換為30cm長度碳化硅材料噴管，除延長使用壽命外增加了火焰噴射長度。燃控設備的改造升級為工藝調(diào)整提供了“硬件”保障。

3.3 軟件控制程序的優(yōu)化

通過對軟件控制程序的改進，燃燒架在縱向?qū)崿F(xiàn)上下游間隔噴氣，減少燃氣過量或氧氣不足的現(xiàn)象；在橫向?qū)崿F(xiàn)恒定數(shù)量的電磁閥動作噴氣，穩(wěn)定燃燒架管道內(nèi)天然氣壓力。

燃燒架上下游電磁閥間隔動作噴氣，在宏觀上實現(xiàn)一個一系統(tǒng)一個條火道內(nèi)最多只有3個電磁閥在噴氣，大大降低了同一條火道內(nèi)多個電磁閥同時動作的現(xiàn)象，極大的促進了天然氣在火道內(nèi)的充分燃燒。

在程序設定時，上游噴氣時間為X秒，下游噴氣時間則為15-X秒，下游噴氣時間以上游開始噴氣后X秒后開始，根據(jù)上下游燃燒比偶爾上下游時間之和會大于15秒，即使如此，重合時間（同時噴氣的時間）也是很少的。

而同一個燃燒架上的電磁同時動作的數(shù)量控制在7-9個，一定程度上減少了天然氣的壓力波動問題。該程序設定前，減壓后天然氣壓力在±5KPa范圍內(nèi)波動，程序優(yōu)化后，減壓后天然氣壓力波動范圍縮小到±2KPa。另外壓力恒定后，對于天然氣在爐內(nèi)的噴射深度也有一定程度的積極改善。

3.4 工藝調(diào)整與控制

焙燒車間自投產(chǎn)以來，一直把排煙架溫度作為一個重要的管控指標。外出考察借鑒同行業(yè)其他企業(yè)焙燒工藝，把其他企業(yè)的焙燒曲線拿來即用，甚至看到同行業(yè)部分企業(yè)排煙架溫度較高，便通過提升排煙架負壓的方式來提升排煙架的溫度，造成前期全力提升負壓趕溫，后期揮發(fā)份靠前又壓低排煙架負壓來控制升溫過快的問題。如此一來造成負壓波動較大（前期約170Pa，后期90Pa），系統(tǒng)不穩(wěn)定，如此大的負壓波動帶來如下弊端：

（1）揮發(fā)份溢出點拉長，原本在揮發(fā)份集中在一個火道的觀火孔下方劇烈燃燒，因負壓過大將揮發(fā)份拉長成“焙燒帶”，不單在一個火孔內(nèi)看到揮發(fā)分溢出，在3個孔內(nèi)均能看到揮發(fā)分的排出。

（2）長帶式的揮發(fā)份排出，造成火道內(nèi)助燃空氣含量不足，燃燒不充分，火道內(nèi)渾濁，排煙架掛油。

（3）后期為降低排煙架溫度，壓低排煙架負壓，致使燃燒架升溫困難，電磁閥均按照最大功率動作，而噴入的大量天然氣更加無法充分燃燒，部分富余天然氣轉(zhuǎn)化為焦油，如此形成惡性循環(huán)。

（4）負壓的忽大忽小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，焦油量大，造成煙道過火頻繁。

針對以上情況，車間嘗試從穩(wěn)定負壓入手，不再一味追求排煙架溫度。根據(jù)三個廠房的不同爐室結構，摸索能夠滿足升溫需要的恒定負壓，即排煙架自始至終均穩(wěn)定的一個負壓水平。更重要的是通過摸索出的這個有效負壓將揮發(fā)份的排出時間與排出位置固定下來，最終將揮發(fā)份在一個焙燒周期溢出點控制在3P爐室4孔到2P爐室4孔之間：在移爐前揮發(fā)份在2P爐室4孔處劇烈燃燒，移爐后揮發(fā)份剛好在3P爐室4孔大量排出，而此時4P爐室1孔揮發(fā)份正處在即將排完的狀態(tài)。移爐后在4P燃燒架不啟動的狀態(tài)下，熱電偶測量溫度在870℃～960℃之間（實際飽和溫度，見下圖），燃燒架設定起始溫度為860℃，在該溫度狀態(tài)下燃燒架約有4～6小時處于停止噴氣狀態(tài)。待實際溫度下降至與上升的曲線目標溫度相同時，燃燒架電磁閥開始動作，因制品處在飽和溫度段內(nèi)，燃燒架電磁閥功率基本處于低功率狀態(tài)。

圖1 移爐后未噴氣前火道電偶溫度

經(jīng)過以上工藝調(diào)整，制品最終溫度相比前期也有近30℃的提升，尤其4P加熱爐室移爐前制品溫度由580℃提升630℃左右，制品溫度的迅速升溫能夠使內(nèi)部瀝青快速結焦，瀝青內(nèi)部焦化對于提升產(chǎn)品理化性能有較大影響。

3.5 拐彎爐室工藝調(diào)整

拐彎爐室一直以來都是焙燒爐燃氣消耗的增大的一個關鍵因素，尤其作為9火道8料箱的老式焙燒爐，拐彎爐室更是重點管控對象。車間統(tǒng)計系統(tǒng)進入轉(zhuǎn)彎爐室天然氣消耗相比直通爐室增加約2000Nm3/天。

為緩解拐彎爐室氣耗增加的這一問題，車間制定根據(jù)揮發(fā)份調(diào)整噴氣的措施。具體辦法：①第一個燃燒架跨節(jié)后，根據(jù)揮發(fā)份所在位置決定上下游電磁閥噴氣功率。一般移爐后揮發(fā)份位置在第一個燃燒架上游噴嘴下方，此時將上游功率調(diào)整至20～40，下游關閉，并根據(jù)揮發(fā)份燃燒情況逐步提升上游功率。②待揮發(fā)份進入下游位置，將下游開啟，以小功率噴氣。此時上游功率大，下游功率小。③最后揮發(fā)份溢出位置移動至電偶下方時，將上下游比例調(diào)整為上小下大，恢復至正常比例。如此一來，充分利用揮發(fā)份燃燒的熱量，天然氣氣耗相應降低，排煙架架在拐彎爐室掛油的問題得到解決，徹底改變以往下游點火困難采用長噴烘爐的模式。

2020年經(jīng)過6個多月的調(diào)整，焙燒車間三個廠房的天然氣單耗由61Nm3/t降低至57Nm3/t，且能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。同時車間的產(chǎn)品理化指標也得到較大提升。

4 經(jīng)濟效益和社會效益

（1）節(jié)約燃料消耗價值：天然氣單耗下降4Nm3/t，預焙陽極年產(chǎn)量為30萬噸，一年可節(jié)約天然氣120萬Nm3，價值216萬元。

（2）理化指標提升降低陽極毛耗和掉渣：理化指標得到提升，對于鋁電解陽極毛耗有一定的降低效果，同時降低了電解鋁過程中人工打渣量，降低了電解勞動強度。

表1 節(jié)氣措施實施前后產(chǎn)品理化指標情況對比

（3）有助于外觀合格率的提升，工藝調(diào)整工作前后4P爐室制品溫度相差較大，調(diào)整后制品升溫速率加快，在同等裝爐條件下外觀合格率有所提升，總體廢塊數(shù)量降低，端面缺損的廢品占比也大幅降低。

表2 工藝調(diào)整前后廢塊形式和占比

（4）對周邊環(huán)境的影響極小：揮發(fā)分在火道內(nèi)充分燃燒，減少了瀝青煙氣的排放量，電捕焦油器收集的瀝青非常少，有極好的環(huán)境效益。

5 結語

（1）排煙架負壓管控尤為重要，負壓過大會打破熱平衡，火道溫度即使能夠跟上曲線，但電磁閥都處于大功率狀態(tài)（冷空氣進入較多需一部分燃料補充）；負壓過低，火道升溫困難；只有在適當?shù)呢搲合?，既滿足燃料的充分燃燒，又避免冷空氣的過度進入。

（2）嚴格控制揮發(fā)份的排出位置，保證揮發(fā)份在排出后能夠充分燃燒（有些論文寫明在充分燃燒時火道自由升溫），火道內(nèi)溫度達到飽和溫度，從而降低燃燒架噴氣功率，降低燃料消耗。

（3）焙燒調(diào)溫工作的前提條件是硬件設施的完好，如火道內(nèi)通暢，爐面無負壓損失點、燃氣管路無堵塞、電磁閥工作正常、電偶工作正常等。

（4）火道達到飽和溫度時，換熱效率最高，而此時制品升溫速率最快（但不得高于12℃/h，過快易裂），制品內(nèi)部迅速結焦，從而提高析焦量。

（5）拐彎爐室尤其老式焙燒爐，爐室少，火道少，在跨接爐室運行頻次高，燃氣消耗高。降低拐彎爐室運行時的燃氣消耗尤為重要。