任行強

(赤壁長城炭素制品有限公司,湖北 赤壁 437300)

生陽極由兩部分組成,大部分為骨料顆粒(煅后焦),小部分為煤瀝青(粘結劑)。由于焙燒的最高溫度低于煅燒的最高溫度,所以骨料顆粒物理、化學性能基本不發(fā)生變化,發(fā)生變化的主要是粘結劑-煤瀝青。煤瀝青揮發(fā)分的熱解燃燒和縮聚焦化是焙燒過程的實質內(nèi)容。研究這一過程不僅是提升焙燒生產(chǎn)工藝的需要,而且是研究焙燒爐節(jié)能和炭陽極均質的重要方向。國內(nèi)焙燒爐的天然氣單耗差距很大(差距最大能達到40 m3/t以上),排除爐型、爐齡因素,對煤瀝青揮發(fā)分的燃燒和焦化的能否精準調(diào)控是非常重要的影響因素。炭陽極的均質性是焙燒爐溫度均勻和煤瀝青焦化良好的重要體現(xiàn),這也需要對這一過程精確調(diào)整。

1 概 述

生陽極由煅后焦和煤瀝青混捏后振動成型制成,不同粒級的煅后焦是基本物料,一般占比84.5%,改質煤瀝青是粘結劑,占比15.5%。生陽極是半成品,必須經(jīng)過焙燒過程才能成為成品-炭陽極。焙燒過程就是粘結劑分解、縮聚反應的過程,揮發(fā)分的燃燒,殘留粘結劑的碳氫化合物焦化是這一過程的外在表現(xiàn)和最終目的。

碳氫化合物的焦化使炭陽極幾何形狀固定、物理性能均勻,其主要過程是通過煤瀝青熱解縮聚反應后殘留下來的炭質組分在煅后焦骨料顆粒間形成焦炭網(wǎng)格,把生陽極中不同粒度的骨料顆粒牢固連結,最終炭化為一個整體-賦予炭陽極以力學性能和熱學性能。粘結劑炭化后留下焦炭的數(shù)量即為結焦值,一般情況下,改質煤瀝青中的結焦值為57%左右,粘結劑結焦值越大,則炭陽極的各項物理、化學指標就越好。這個炭化過程中伴隨著煤瀝青的分解揮發(fā)分大量的釋放。

揮發(fā)分進入火道,火道燃燒環(huán)境合適,揮發(fā)分將燃燒。揮發(fā)分的燃燒所釋放的熱量[1](按照四種組分熱值計算為46 MJ/Nm3,有資料表明[1]揮發(fā)分熱值為40.78 MJ/kg,合噸陽極2 210 MJ;也有資料[3]37.62 MJ/kg,合噸陽極2 039 MJ)是焙燒爐的重要熱收入,占全部熱收入的40%左右。充分的燃燒可以明顯降低天然氣的消耗,同時充分燃燒的揮發(fā)分能夠大幅降低焙燒煙氣中的焦油含量,降低電捕焦油器的負荷,所以揮發(fā)分的充分燃燒是焙燒爐節(jié)能減排的重要手段。

充分燃燒的揮發(fā)分和較高的結焦值這兩者不是對立的、不能兼顧的,這兩者是辯證統(tǒng)一的,可以通過焙燒曲線的調(diào)整來調(diào)和這兩者的矛盾。這個調(diào)整過程主要集中在煤瀝青揮發(fā)分的釋放階段。

煤瀝青產(chǎn)生的揮發(fā)分成分主要有4種[2]:一氧化碳、氫、甲烷和焦油(C2H6),其組成體積百分比分別為4.5%、13.6%、45.5%及36.4%;這四種組分的溫度范圍也不同,一氧化碳、氫、甲烷和焦油(C2H6)的最大析出點的溫度分別為[3](℃)850、800,640,400。燃點分別為(℃):650、575,630,425±50。一氧化碳、氫和甲烷揮發(fā)溫度范圍較窄,持續(xù)時間也較短;焦油(C2H6)揮發(fā)溫度范圍較寬,持續(xù)時間也最長。一氧化碳、氫和甲烷析出的溫度高于其燃點溫度,在氧量充足、混合均勻的情況下,基本上析出后就會燃燒;焦油(C2H6)析出的溫度比其燃點溫度低,加之其釋放的時間持續(xù)較長,它的燃燒無論是從節(jié)能方面考慮還是從環(huán)保方面考慮都需要重點調(diào)控。如果在焙燒爐火道中出現(xiàn)揮發(fā)分不完全燃燒現(xiàn)象,則其中主要成分必是焦油(C2H6)。在煤瀝青和煅后焦組合物(純煤瀝青的失重實驗,其各溫度階段有所不同)失重實驗表明(升溫速率10℃/min)[4]:揮發(fā)分開始于204℃,結束于384℃,釋放最劇烈在286～299℃,明顯失重溫度233℃,失重最大時溫度290℃。

揮發(fā)分的析出速率與焙燒爐所使用的焙燒曲線的升溫速率和當時的火道壓力密切相關。首先,隨著揮發(fā)分由表及里不斷的釋放,在生陽極表面和內(nèi)部產(chǎn)生壓差,如果這個階段的火道溫度的升溫梯度過高,將加劇壓差的擴大,迫使生陽極揮發(fā)分析出通道形成無法彌合的裂縫。據(jù)資料分析[5],不斷增加溫度梯度,炭陽極的平均抗折強度急劇減小,電阻率及其標準偏差急劇增大,炭陽極裂紋明顯增多,孔隙率顯著增大。其次,揮發(fā)分脫離生陽極表面后是通過填充料、火道墻縫隙才進入火道,從生陽極內(nèi)部開始直至火道墻內(nèi)壁存在揮發(fā)分的濃度梯度,這個濃度梯度是揮發(fā)分向外擴散的驅動力,而火道負壓需要保證揮發(fā)分在火道內(nèi)不聚集、有足夠的氧氣燃燒,這個壓力不能過大,也不能過小。過大則升溫過快,填充料中的揮發(fā)分濃度會變小,揮發(fā)分從生陽極的由內(nèi)向外的擴散將加劇,這將加快煤瀝青的分解反應,減少了煤瀝青參加后續(xù)縮聚反應的數(shù)量,導致結焦值降低。故無論從炭陽極質量考慮還是從炭陽極的產(chǎn)量考慮都不希望用過大的火道負壓。

2 揮發(fā)分的燃燒

2.1 揮發(fā)分析出的4個階段

實踐表明,煤瀝青揮發(fā)分析出有四個階段:① 少量析出,不燃燒階段(100～220℃);② 加快析出,少量燃燒階段(220～340℃);③ 大量析出,劇烈燃燒階段(340～400℃);④ 減緩析出,溫度先升頂后下降階段(400～600℃)。這4個階段,① 段是完全不具備燃燒條件,④ 段是全部達到燃燒條件,且燃燒溫度達到最高點后開始下降,所以,這兩個階段不是焙燒曲線調(diào)整的重點。在實際工況中,① 段處于1P位置,④ 段處于3P位置,都沒有進行溫度和壓力的監(jiān)控。但也不是放任不管,因為:① 段生陽極處于軟化、塑性變化的階段,此階段主要是對生陽極進行預熱,此時生陽極體積稍有膨脹;受生陽極內(nèi)外溫差、壓差的作用,部分煤瀝青輕質組分因遷移而擴散和流動,為盡快達到一定塑性避免形變,溫度梯度要大即升溫速度要快。④ 段是生陽極由半焦轉變?yōu)槿?瀝青焦)階段,此階段揮發(fā)分析出逐漸減少直至完畢,此時生陽極繼續(xù)收縮,這個階段可以適當加快。① 、④ 段的調(diào)控通過② 、③ 段的調(diào)控達到總體控制和帶動,對② 、③ 段的精準管控和分段微調(diào)是揮發(fā)分燃燒的調(diào)控重點。

2.2 揮發(fā)分燃燒的調(diào)控重點

② 段是生陽極煤瀝青分解速度逐漸加快,火道溫度也逐步達到析出揮發(fā)分的燃點階段。隨著揮發(fā)分的燃燒火道溫度進一步升高,從火道經(jīng)火道墻經(jīng)填充料到達生陽極表面的熱量也越來越多,揮發(fā)分析出由生陽極的表面逐漸向中心發(fā)展,析出量逐漸增大。此段的控制難點是此時的火道溫度還不足夠高、含氧量也不充足。如何維持燃燒,但又不至于由于溫升過快導致?lián)]發(fā)分析出過量導致燃燒缺氧,一段式傳統(tǒng)焙燒曲線不能很好解決這個問題。所以此段要由一段分成幾個不同溫度梯度的小段控制,不能長時間用一個溫度梯度,調(diào)控的目標是為③ 段提供足夠高的火道溫度,同時揮發(fā)分在能保證燃燒的情況下盡可能的多析出,避免揮發(fā)分在③ 段集中揮發(fā)導致沒有足夠的氧氣供揮發(fā)分燃燒,這是揮發(fā)分調(diào)控的重點-揮發(fā)分燃燒帶要盡可能的長、盡可能后移(煙氣流動的反方向)。③ 段是生陽極揮發(fā)分析出達到峰值,此時在氧氣充足且混合均勻的情況下,揮發(fā)分將劇烈燃燒,這個階段要采取疏導的方式調(diào)控,使揮發(fā)分析出可控、穩(wěn)定,所以溫度梯度要合適,如果過快,將溫度失控,導致制品裂紋;如果過慢,揮發(fā)分得不到燃燒,此時的調(diào)控以穩(wěn)健為主,保持穩(wěn)定的負壓區(qū)間和溫度梯度,目標是不超溫度上限,避免低于下限,爭取在目標溫度的±10℃范圍內(nèi)。② 、③ 段調(diào)控重點歸結為一點就是為了給揮發(fā)分創(chuàng)造一個足夠長且位置靠后的良好燃燒帶。

2.3 良好燃燒帶的獲得

2.3.1 溫差與燃燒帶

此節(jié)的溫差指火道溫度與陽極溫度之間的差值。對揮發(fā)分來說,在火道內(nèi)燃燒有3個條件:a.達到燃點溫度;b.充足的氧氣;c.良好的混合。由于焙燒爐運行時,尤其對爐齡較大的焙燒爐,漏風量較大,只要揮發(fā)分不過量集中析出,燃燒需氧量有保障。焙燒爐煙氣流動在火道內(nèi)不是直線,呈“W”形,揮發(fā)分與氧氣良好的混合比較容易。根據(jù)揮發(fā)分析出的特點,除① 段外,② 段開始時的溫差獲得較為困難,其他階段獲得相對容易,但為了達到足夠長且位置靠后的良好燃燒帶這一目的,需要控制這個溫差不至于急劇擴大。

生陽極從進入預熱階段開始,火道溫度和陽極中心的溫度分布在任一時刻均呈逐漸下降狀態(tài),在溫度曲線結束,保溫時間足夠長,其陽極表面的溫度將接近火道溫度,但不會超過火道溫度。在揮發(fā)分析出階段,火道溫度和陽極表面溫度之間的溫差越大,越能保證揮發(fā)分的燃燒;陽極表面溫度和中心溫度之間的溫差越小越能保證陽極均勻受熱,越有利于達到足夠長且位置靠后的良好燃燒帶這一目的。實測數(shù)據(jù)表明,火道溫度和陽極表面溫度之間的溫差大于350℃,陽極表面溫度和陽極中心溫度之間的溫差小于250℃,對建立良好燃燒帶有利。

2.3.2 焙燒曲線升溫梯度與燃燒帶

從揮發(fā)分析出、燃燒的四個階段可以得出:在沒有進入外加燃料升溫之前,火道溫度是變化的,其能量也是變化的,這就導致火道向陽極的導熱不是穩(wěn)態(tài)的。實踐表明,理論焙燒曲線的溫度平穩(wěn),實際控制點也貼合曲線,但在③ 、④ 段依然有波動,控制不好,波動還會很大,實際焙燒曲線會出現(xiàn)一個俗稱“駝峰”的溫度波動區(qū)間。相對于火道溫度曲線的變化和波動,陽極的溫度曲線的變化和波動要小的多,其升溫曲線相較于火道溫度曲線要平滑的多。火道溫度梯度在4～14℃/h之間調(diào)整,這個調(diào)整是臺階式調(diào)整,有明顯的邊界;陽極溫度曲線在2～10℃之間變化,這個變化是沒有明顯邊界的,是漸進的。選擇合適的火道溫度梯度,并嚴格控制在波動范圍內(nèi)從而保持一個穩(wěn)健的陽極升溫梯度是實現(xiàn)良好燃燒帶的最重要手段,這個手段對任何敞開式焙燒爐都是適用的,唯一需要注意的是,要根據(jù)實際爐況進行微調(diào),這個微調(diào)也需要不斷的實踐,找到最佳控制點。

圖1 四號焙燒爐低溫階段升溫曲線實測

3 焙燒曲線的調(diào)整

3.1 關鍵溫度控制點

焙燒曲線的制定要遵循“兩頭快,中間慢”的原則,遵循這一原則的原因在前文中已經(jīng)論述。但過于教條的溫度制度對具體實踐是不利的,因為焙燒過程,尤其是在揮發(fā)分析出,燃燒階段的熱工非常復雜,是一個不穩(wěn)定的傳熱,這與筑爐所用耐火材料的性質、火道的結構、填充料的種類、料箱的寬度及塊型的大小都有關系,所以依據(jù)原則制定的被燒曲線要根據(jù)具體使用環(huán)境做調(diào)整,就是同一個焙燒爐在不同爐齡、不同塊型等工況發(fā)生變化的情況下也要做微調(diào)。理論上,焙燒曲線有四個階段:① 低溫預熱階段;② 中溫加熱階段③ 次高溫加熱階段④ 高溫保溫階段。具體實踐時,由于絕大多數(shù)焙燒爐采用6爐室運行模式,按照1P～6P分別分段,1P～3P重點控制2P溫度,4P主要控制接入時的溫度,5P、6P由于電解槽需要的塊型的越來越大、質量要求越來越高,只有加長焙燒爐的保溫時間才能得到較高的陽極終溫,滿足要求,所以達到了最高溫度后全部處于保溫。以192小時焙燒曲線為例,2P溫度重點管控40小時的溫度,這個點的溫度值制定的依據(jù),一是揮發(fā)分開始析出的溫度,二是要給后續(xù)調(diào)整留夠空間,要遏制快速升溫的勢頭,同時也不能把溫度打壓回去,結合揮發(fā)分開始析出的溫度,加上火道溫度和陽極表面溫度的溫差,控制在450℃左右。2P另外一個關鍵控制點是最大失重開始的溫度,控制在536℃左右。具體分成三小段,這三個小段不是按照傳統(tǒng)的32小時移爐周期劃分,也不是按8小時的工作周期劃分,而是根據(jù)揮發(fā)分的析出溫度和溫差通過微調(diào)升溫梯度而制定。4P已經(jīng)進入帶燃料燃燒狀態(tài),4P關鍵控制點是3P轉入4P時的火道溫度,這個溫度是驗證2P升溫控制策略成敗的關鍵指標,也是創(chuàng)建了一個“足夠長且位置靠后的良好燃燒帶”的明證,這個溫度如果能夠達到900℃以上,不但能夠有效消除“駝峰”的影響,而且4P開始的4小時甚至8小時不用加燃料,就能夠達到焙燒曲線要求的溫度,這是焙燒曲線節(jié)不節(jié)氣關鍵一招。

從上述中可以看出2P的控制調(diào)整只是實現(xiàn)4P效果的手段,2P第一小段要“控”-控制住關鍵控制點的溫度,第二段要“壓”-把揮發(fā)分壓在一個可控的析出量,第三段要“順”-保持穩(wěn)健的負壓,結合實際爐況,順著這個揮發(fā)分析出和燃燒工況,做好疏導。要做到“控、壓、順”負壓使用是關鍵。

3.2 負壓的調(diào)節(jié)

對揮發(fā)分燃燒的控制通過對低溫預熱階段火道溫度升溫梯度的調(diào)整來實現(xiàn),表1中,雖然1P～3P的溫度梯度范圍是5℃/h至12℃/h,是一個較大的范圍,但針對具體時間段,其溫度梯度的調(diào)整范圍只有2℃/h,這需要精確的負壓調(diào)節(jié)。

表1 192小時曲線

敞開式焙燒爐的運行、操作特點是6個串聯(lián)的加熱組,整個組在負壓下操作,其壓力從1P到6P是逐步升高的,其最高點選擇在1C的4點,這個點確定為±0 Pa。保持±0 Pa的穩(wěn)定,需要三個方面的努力,一是預熱空氣鼓風機,通過變頻的調(diào)整獲得合適的風壓和風量;二是較高壓力的天然氣,燃燒架天然氣壓力控制在30～50 kPa,在此壓力下,天然氣從燒嘴高速噴射燃燒,這個過程中,把靜壓變?yōu)閯訅?從而形成低壓;三是煙氣系統(tǒng)的排煙風機,這是主要的壓力來源,通過電機的變頻器和環(huán)形煙道翻板調(diào)節(jié)總負壓,單火道負壓通過排煙架的電動執(zhí)行器的翻板開度調(diào)節(jié)。據(jù)有關資料[6],1P～6P各爐室火道內(nèi)煙氣阻力有0～8 Pa不等的差值,這是因為溫度越高的煙氣阻力就越大,煙氣阻力與煙氣的絕對溫度近似成正比,所以從1P至6P煙氣阻力是越來越大的,在一個運行周期內(nèi),5P、6P已經(jīng)進入最高溫度,處于保溫階段,其煙氣阻力基本相同;1P～4P是隨運行周期的時間變化煙氣阻力越來越大,所以要隨時調(diào)節(jié)排煙架各分號火道的翻板開度。從1P～6P各爐室煙氣阻力的差值可以看出,和溫度的變化相比,煙氣阻力的變化是微弱的,翻板開度的調(diào)節(jié)只能是微調(diào),保持2P分號火道負壓在100±5 Pa。對具體的焙燒爐,通過理論計算和實踐驗證是能夠得出對應溫度所需負壓值,這個負壓值在爐況和瀝青性質沒有大變化的情況,是穩(wěn)定的。需要特別注意的是,負壓的微調(diào)是建立在滿足大于1P～6P各爐室火道內(nèi)煙氣阻力總和的基礎上,過小和過大的負壓尤其在揮發(fā)分大量析出,劇烈燃燒階段都可能引起事故。過小的負壓除揮發(fā)分不能充分燃燒外,聚集的揮發(fā)分因沒有足夠的負壓抽走,動壓將變?yōu)殪o壓,這個時候壓力會急劇變小,這個時候的操作要謹慎,貿(mào)然的開大分煙道翻板,是有可能形成爆燃,將嚴重損害火道墻;過大的負壓,將加劇漏風,使溫度急劇上升,增大排煙架和煙道著火的可能性。

4 結 論

通過一個周期(6個月)的焙燒曲線精準調(diào)整,天然氣消耗降低了8%,陽極一級品率提高了3%。說明生陽極中揮發(fā)分的充分燃燒對焙燒爐節(jié)能減碳和炭陽極質量提高都很重要。通過對曲線低溫預熱階段關鍵溫度控制點的控制創(chuàng)建一個良好的燃燒帶是揮發(fā)分充分燃燒的關鍵。基于揮發(fā)分充分燃燒的曲線調(diào)整可以通過對2P、4P的分小段控制和負壓調(diào)節(jié)兩種方法來進行。