鋁用陽極焙燒爐節能工藝技術研究與實踐

關文斌,郭玉龍,趙云飛,郝虎俊,馬徑鴻

(包頭鋁業有限公司,內蒙古 包頭 014046)

隨著經濟社會發展、環境保護深入,資源約束日益緊張,能源“雙控”工作面臨著新的形勢和任務,高耗能企業節能減排任務艱巨、壓力巨大,節能減排工藝技術的研究與實踐是高耗能企業承擔社會責任、高質量發展的科學技術支撐。

電解鋁用預焙陽極炭塊經過原料煅燒、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式焙燒爐焙燒,消耗大量天然氣。因此,炭素焙燒爐節能工藝技術的應用,提高能源利用率,是關系到預焙陽極炭塊的成本、尾氣達標排放的關鍵,關系到企業的高質量、可持續發展。

1 鋁用炭素焙燒爐理論能耗的研究

包頭鋁業炭素廠于2004年5月建成投產,焙燒塊設計產能12萬噸/年,配備兩臺36室地上敞開式環式焙燒爐,每個爐室有9條火道和8個料箱,兩個火焰系統、6室運轉,見圖1,煙氣凈化采用黑法加半干法脫硫脫硝煙氣凈化,排放指標達到國家標準。但是面對國家能源雙控新形勢、新任務,降低預焙陽極炭塊焙燒爐能耗、適應黑法加半干法脫硫脫硝煙氣凈化系統,實現連續運行、可持續發展,焙燒爐節能工藝技術亟待開發與應用。

圖1 燃燒系統配置圖

根據焙燒爐熱平衡理論,焙燒爐熱輸入主要為天然氣、焙燒制品逸出揮發分燃燒釋放熱量、預熱空氣帶入冷卻區火道余熱;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《炭素制品生產爐窯熱平衡測定與計算方法》第4部分焙燒爐等相關標準及文獻[2-4],對該焙燒爐進行溫度分布測試、物料平衡測試以及熱平衡計算,得出物料平衡測試表見表1、熱平衡表見表2。

表1 焙燒爐測定周期內的物料平衡表

表2 焙燒爐熱平衡表

根據焙燒爐煙氣成分測試結果,焦油含量占比33%,充分證明揮發分燃燒放熱不充分。

2 焙燒爐節能工藝技術的關鍵核心

根據鋁用預焙陽極炭塊焙燒過程熱平衡研究分析可以得出,焙燒爐節能工藝技術的關鍵核心是生坯焙燒過程逸出的揮發分利用率,利用率越高,揮發分燃燒越充分、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 焙燒過程揮發分析出規律研究

對預焙陽極炭塊焙燒過程中揮發分析出溫度區間進行實驗室測試,隨機稱取27個試樣、分為3組進行的對比試驗,每組9個質量相近生塊試樣從室溫焙燒至不同目標溫度,分別統計其在不同溫度下的質量變化情況,分析揮發分析出量,統計結果見表3。

表3 不同溫度下試樣質量的變化情況

對生塊不同溫度下揮發分析出量占生塊質量的百分比可由式(1)計算:

(1)

式中:δ——生塊揮發分總析出量占生塊總質量的百分比,%;

mi——第i個試樣的起始質量,g;

由表3和式(1)可知陽極揮發分隨著溫度變化導致的析出量變化,見圖3,焙燒過程中生陽極炭塊瀝青組分中揮發分的逸出曲線特性,300～900 ℃瀝青揮發分逸出最劇烈,400 ℃時揮發分逸出速度達到最大值,之后逸出速度開始下降,900 ℃以后揮發分逸出趨于結束。揮發分是瀝青受熱分解產生的,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分燃盡的關鍵問題[5-6]。

圖3 揮發分析出曲線

2.2 最佳焙燒升溫曲線對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分析出。揮發分的充分燃燒和適量天然氣供給是焙燒爐主要能量來源,是焙燒爐節能降耗,降低排放的關鍵問題。在焙燒爐爐況不同,負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、高溫區的供給量,確保揮發分與外供燃料充分燃燒,焙燒升溫曲線起到至關重要的作用。

焙燒升溫曲線制定遵循的原則“兩頭快、中間慢”,這是針對制品質量而言的,如何結合制品質量、揮發分與外供燃料充分燃燒尋求最佳焙燒升溫曲線是節能工藝技術探索的重點。

為保證助燃空氣在焙燒中溫區、高溫區的供給量,確保揮發分與外供燃料充分燃燒,焙燒升溫曲線的制定要根據焙燒爐爐況、燃燒設備實際升溫能力,確定各溫升階段升溫速率。采取等效溫度測試法,將示溫劑隨同生陽極炭塊裝入焙燒爐,出爐后通過測量示溫劑晶格常數,確定制品燒成溫度與溫場分布情況。根據等效溫度測試結果,分析制品溫度與火道溫度偏差,制品是否過燒及溫場均衡性,科學合理確定火道最終溫度,既保證目標制品溫度的實現,又不過燒而節約能耗。4P初始溫度的確定也非常關鍵,設定的太高,移爐后實際溫度與曲線溫度相差太大,燃燒架加大功率供給燃料,導致火道揮發分等可燃氣體過剩,溫度不升反降;通過優化升溫曲線,使4P燃燒架在移爐后基本不工作或小負荷工作,給揮發分燃燒留有足夠的預熱空氣,5P、6P快速升溫進入曲線,當5P、6P進入曲線后、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,進而使焙燒控制系統獲得最低的能耗,最佳的制品品質控制效果。

預焙陽極炭塊最終溫度保溫時間對制品質量、均質性影響較大,保溫時間長、碳結構重排充分,石墨化程度提高,均質性好;反之,石墨化程度低、均質性差。但是保溫時間太長,影響焙燒曲線升溫速率,因此,合理確定預焙陽極炭塊最終燒成溫度保溫時間是最佳焙燒升溫曲線的不可忽視的因素。對焙燒全過程制品溫度升溫、保溫過程進行了測試,根據測試結果顯示,制品進入冷卻階段1C、2C制品溫度下降很慢,基本也處于保溫狀態,這給我們保溫時間的確定提供了依據。

圖4 冷卻階段制品溫度變化

2.3 焙燒爐運行負壓制度對能耗的影響

焙燒爐因爐型不同、運行年限不同,爐體破損、密封情況各不相同,火道負壓保證能力也不同。通過對火道負壓與煙氣流速對火道內揮發分等可燃氣體燃燒程度的影響研究發現,見圖5,火道負壓過高、煙氣流速快,揮發分逸出后不能充分與預熱空氣混合燃燒而隨煙氣進入凈化系統,造成燃料浪費、煙氣凈化壓力增大;火道負壓過小、煙氣流速慢、流量降低,預熱空氣進入中溫區、高溫區不足,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,適宜的火道負壓是保證預熱空氣合理分配、揮發分逸出及時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 揮發分逸出及燃燒狀況

2.4 預熱空氣對焙燒爐能耗的影響

預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存了大量的熱能,是環式焙燒爐節能重要特點,也是回收固體蓄熱的唯一手段。預熱空氣最高溫度可高達1050 ℃,帶入熱量接近于燃料產生的熱量,作為三大熱收入(燃料化學熱、預熱空氣帶入熱、揮發分產生熱)來源之一的預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方向,火道內氧含量呈梯度下降,預熱空氣的供給量又決定著高溫、中溫區外加燃料、逸出揮發分充分燃燒程度[7]。因此,鼓風架位置及風量調節控制對于焙燒爐節能也至關重要。通常情況,盡量選擇離6P有足夠距離的位置布置鼓風機,選擇1C4孔保持微正壓,以保證有足夠長的距離預熱空氣,進入6P1孔預熱空氣壓力與負壓實現平衡(零壓點控制),以確保高溫、中溫區外加燃料、逸出揮發分充分燃燒供氧并略有富余,實現富氧燃燒。

2.5 焙燒爐保溫與密封對焙燒爐能耗的影響

焙燒爐熱平衡分析結果顯示,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、適當提升火道負壓,為焙燒曲線的執行奠定了基礎,以達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,降低冷空氣進入量;加高頂層覆蓋料厚度、嘗試運行爐室加蓋,減少散熱損失,以降低能耗。

2.6 計算機控制輔以人工動態操作,均衡溫場、降低能耗

計算機控制的高級功能是通過系統辨識,模糊控制,最優控制等先進控制方法,調整排煙架蝶閥開度,燃燒架燃燒功率,鼓風架鼓風量,使火道具備揮發分充分燃燒的溫度,氧量及合適的負壓,進而使揮發分完全燃盡。但是國內大部分企業燃燒控制系統,基本沒有煙氣渾濁度在線測試分析,實現閉環控制;排煙架、鼓風架控制功能隨著使用時間的延長,執行機構功能缺失,只能根據火道溫度在線測試實現外加燃料功率閉環控制,很難實現溫場均衡、逸出揮發分充分燃燒。

人機結合控制火道溫度,通過燃燒自動控系統與調溫工的有效結合,適時觀察火道燃燒情況,正確判斷燃料與空氣的配合狀況、溫場均衡情況,采取動態負壓、鼓風操作法,及時調整燃料供給量、確保充分燃燒,使得火道內的燃料與氧氣保持在最佳比例,使揮發分和燃料能充分完全燃燒,外加燃料消耗降至最低。

3 焙燒爐節能工藝技術實踐研究效果

(1)火道內燃燒清亮、火道溫度與目標溫度偏差≤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)焙燒爐尾氣測試焦油含量降低,煙氣凈化系統連續運行率大幅提升。

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

4 結 語

(1)最佳焙燒升溫曲線是陽極焙燒爐節能工藝技術的關鍵核心,科學合理的焙燒升溫曲線是保證揮發分充分燃燒、降低外加燃料消耗的關鍵。升溫速率的確定要視焙燒爐爐況、工藝技術條件、實際升溫能力而定,不以人的意志為轉移;最終溫度、保溫時間的確定要遵循科學合理原則,根據實際測試結果進行確定,既要保證制品質量、又要兼顧能耗。

(2)適宜的火道負壓是保證預熱空氣合理分配、揮發分逸出及時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)預熱空氣最高溫度可高達1050 ℃,預熱空氣的供給量又決定著高溫、中溫區外加燃料、逸出揮發分充分燃燒程度,預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)計算機控制輔以人工動態操作,采取動態負壓、鼓風操作法,及時調整外加燃料供給量,使得火道內的燃料與氧氣保持在最佳比例,使揮發分和燃料能充分完全燃燒,有利于降低外加燃料消耗。