石墨化爐窯的節能分析及措施

文 / 陳英國

隨著現代工業發展和科技進步，工業爐窯正由“高產型”走向“節能型”，在燃料技術、余熱回收、耐火材料、計算機仿真與優化技術等方面都取得了長足的發展。炭素爐窯作為工業爐窯的一類，是炭素制品生產中的主要熱工設備，也是三大熱處理工序不可或缺的高能耗設備。未來的發展將以“節能”為研究中心，以“優質、高產、低能耗、少污染”為行動目標，因此，炭素爐窯的發展趨勢與節能措施的研究是密不可分的。本文就炭素爐窯石墨化爐生產過程中的節約能源、降低能耗等方面的潛力和措施做簡要分析。

石墨化爐是炭素制品生產的關鍵設備之一， 也是炭素生產過程中最大的耗能設備之一。石墨化爐生產電耗要占炭素制品生產總電耗的70%左右。據有關資料介紹，艾奇遜石墨化爐生產電耗約為4000～4800kwh/t，內熱串接石墨化爐生產電耗約為3300～4000kwh/t。因此有效降低石墨化爐生產電耗是炭素企業節能減排的有效途徑之一。

一、艾奇遜石墨化爐節能分析

石墨化爐未來發展盡管以內熱串接為主，尤其批量生產大規格產品，但是艾奇遜石墨化爐在生產不同規格產品、異型產品以及裝爐搭配和副產品創效上有自身獨特的優勢，因此至今仍被繼續使用。艾奇遜石墨化爐是一種周期性生產的熱工設備，通電時間長，散熱損失大，熱量利用率僅有30%左右，可見，研究并做好石墨化爐的節能工作具有重要意義。以下從5方面淺談艾奇遜石墨化爐的節能措施。

1.根據熱平衡顯示，爐體散熱是艾奇遜石墨化爐熱量損失最嚴重的一項，因此，針對爐室保溫料可以根據各項熱力學參數進行理論分析，確定合理的保溫料厚度，既可以最大限度的增加保溫料厚度減少兩側爐墻燒損，還可以增加副產品SiC產量；既不使保溫料過厚蓄熱過多，也不讓保溫料過薄爐體散熱損失過大，使保溫料厚度處于合理的臨界狀態，將熱能損耗降至最低。

2.艾奇遜石墨化爐爐頭、爐尾端墻之間的填充料為石墨粉，盡管作為絕熱材料但導熱系數仍然較高，并且在生產過程中易燒損，需要定期補充并搗實，但在導電電極下方的填充料一旦燒損很難發現、填充和搗實，致使導電電極氧化，使生產成本增加，因此，可以采用其他的耐高溫、絕熱填充料代替石墨粉或者與石墨粉混合使用，如氧化鋁粉等，可以減少端墻散熱損失和導電電極氧化。

3.艾奇遜石墨化爐導電電極的冷卻方式有直接水噴淋冷卻（外冷）和封閉式間接水冷卻（內冷）兩種，建議盡量采用內冷方式，一方面可以使冷卻水不用凈化，實現循環利用，節約水資源（蒸發損耗），另一方面還可以減少水蒸氣對導電銅排等金屬的腐蝕，節約生產成本。

4.艾奇遜石墨化爐爐底蓄熱和散熱也是熱能損失較為嚴重的一項。減少爐底散熱損失可以從爐底基礎著手，有技術研究在爐底采取錯位空隙砌筑可以減少熱傳遞，經分析是可行的，因為靜止的空氣不發生對流傳熱和熱輻射，是最好的絕熱材料，在爐底平均溫度為1000℃時，黏土質耐火材料的導熱系數為1.28～1.42 W/(mK），而此時干空氣的導熱系數僅為0.0807 W/(mK），在溫度低時導熱系數更低，因此采用錯位空隙砌筑、利用靜止空氣絕熱的特性在減少爐底熱量損失上具有可行性；其次，加強爐底余熱利用，仿效建筑行業的地熱采暖，在爐底鋪設循環管線，利用爐底熱量逆向加熱管線內的水供生產生活使用，使爐底熱量得到充分利用，提高石墨化爐的能源利用率。

5.結合上述節能措施，可以將導電電極的冷卻出水管與爐底循環管線相連接，冷卻水經導電電極換熱后直接進入爐底管線，由于熱能總是從高溫物體傳向低溫物體或者從物體的高溫部位傳向低溫部位的特性，可以分析，如果爐底溫度高于管線內熱水溫度，則可以繼續給管線加熱，使水溫得到進一步提高，甚至可以產生蒸汽；反之，如果管線內水溫高于爐底溫度，則可以利用冷卻導電電極的熱水熱量加熱爐底，使爐底不僅不向外損失熱量，而且還能加熱保溫料，使石墨化爐的熱量向爐內聚集。因此，無論是冷卻導電電極的水溫高或低，在減少爐底散熱損失和能源利用上都能為艾奇遜石墨化爐節約大量熱能。

二、內熱串接石墨化爐節能分析

內熱串接石墨化爐是一種不用電阻料，電流直接通過由數根焙燒品縱向串接的電極柱產生高溫使焙燒品石墨化的爐窯設備。目前，國內外已有多家炭素企業采用內熱串接石墨化技術生產大規格超高功率石墨電極，與艾奇遜石墨化爐相比，具有加熱速度快、電耗低、石墨化程度均勻等優點，表1為艾奇遜石墨化爐與內熱串接石墨化爐熱平衡的比較參數。

表1 艾奇遜石墨化爐與內熱串接石墨化爐熱平衡

根據熱平衡比較顯示，內熱串接石墨化爐比艾奇遜石墨化爐熱量損失低26%，節能的主要原因是內熱串接石墨化爐完全利用裝入焙燒品的自身電阻發熱，通電時間較短，由保溫料向周圍空間輻射的熱量損失較少；艾奇遜石墨化爐大量電能用于加熱電阻料，通過電阻料的電阻發熱使焙燒品達到高溫，在通電后期，為使全爐各處溫度都達到較高水平，需要在高功率下繼續通電數小時，而內熱串接石墨化爐卻不需要，因此，內熱串接石墨化爐在節約能源和產品產量上較艾奇遜石墨化爐具有很大的優勢，內熱串接石墨化工藝具有“優質、高效、低耗”的特點，是未來石墨化爐發展的方向。

三、石墨化爐窯節能的其它途徑與措施

（一）生產工藝創新

根據爐窯設備狀況確定合理的升溫曲線，大力推進艾奇遜石墨化爐的工藝革新，使爐窯的溫度、能耗等指標合理受控。在艾奇遜石墨化爐工藝，加大研究送電曲線、裝爐技術、保溫料配比和能源利用的力度。

（二）技術改造

技術改造主要體現在爐窯設備的結構改進和新材料新技術的應用上，由于工業爐窯砌筑將向整體化和輕型化方向發展，因此，應用新型耐火材料是工業爐窯未來節約能源的主要發展趨勢。爐窯的技術改造可以利用爐窯設備的日常維護、大中修等對爐體結構進行技術革新。在艾奇遜石墨化爐上，減少導電銅排電損，提高電流密度以及提高導電電極理化指標等，均可為爐窯設備節約大量能源，國內也有許多相關方面的研究和成形的技術可供參考。因此，在技術改造上專業技術管理人員要立足本崗，挖掘潛能，結合實際，不斷開拓，要勇于向技術要創新，向設備要效益。

（三）強化管理

爐窯設備的最大節能潛力最重要的不僅僅是改進爐型結構、采用新材料新技術，而且在于加強生產管理，如：加強生產計劃組織、改進加熱工藝、優化升溫曲線、加強爐窯的維護和修理、規范操作人員嚴格按照標準規程進行操作等。技術改造是爐窯設備節能的關鍵，而管理才是爐窯節能的基礎保證，先進的技術必須與先進的管理措施有機結合，才能達到爐窯設備節能降耗的最佳效果。因為生產上的一個疏忽、維護上的一個怠慢就可能會造成能源的過度消耗和熱能的大量流失，因此，需要爐窯技術管理人員和操作使用人員共同樹立節能意識、節約意識、大局意識和責任意識。技術管理人員是爐窯設備的管理者和監控者，要充分重視爐窯的能源管理控制、重視爐窯的能耗動態變化、重視爐窯的經濟效益優化，全員參與管理、全過程推進和全方位考核，在不付出任何額外投資的情況下爭取獲得顯著的節能效果。

四、結束語

炭素企業石墨化爐生產過程中的節約能源、降低能耗的工作，是一個復雜的系統工程，也是現代炭素企業生產從“高產型”轉向“節能型”的必由之路。首先要加強炭素企業爐窯設備的生產工藝技術創新和改進工作；其次要加快炭素爐窯的技術改造、結構改進工作，同時大力推廣新型節能材料和新技術的應用。再次要強化爐窯設備的管理，爐窯技術管理人員和操作使用人員共同樹立節能意識，形成全員參與管理、全過程推進和全方位考核的節能減排管理體系，以達到節能減排的目的。從而實現炭素企業石墨化爐窯由“高產型”向“節能型”轉變，以實現企業增效和國家節能減排綜合目標。