鋁用炭素陰極敞式焙燒爐低溫帶火焙燒燃控系統

張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術中心，山西 晉中 030600）

1 低溫帶火焙燒燃控系統概述

炭素生制品的焙燒過程實質上就是粘結劑的焦化過程，是炭素制品生產的關鍵環節。炭素生制品通常是在隔絕空氣的條件下按照一定的升溫速度進行間接加熱，在升溫的過程中使生制品內部的粘結劑發生分解、聚合、焦化反應，在原有的顆粒、炭粉之間形成新的焦化網絡，使焙燒制品的物理、化學性能發生一系列的變化。

新近研發的低溫帶火焙燒燃控系統對炭素生制品的焙燒控制是從低溫預熱階段開始，直到高溫焙燒結束，實施的是全過程的溫度管控和煙氣氮氧化物排放控制。新型控制系統能夠克服現用系統的弊端，焙燒制品的性能指標和質量指標均優于原有系統，其控制過程主要分為三個階段。

低溫帶火焙燒燃控系統主要包括：低溫燃控裝置（低溫燃燒架）、中溫燃控裝置（中溫燃燒架）、高溫燃控裝置（高溫燃燒架）、排煙裝置、網絡設施以及中控操作站等設備設施。整個燃控系統共分為兩個火焰系統，每個火焰系統可下掛8-13個爐室的燃燒架以及排煙架。在控制室設置的系統操作站可對整個焙燒爐面燃控設備實施監控和管理。按照焙燒溫度制度的要求，燃控系統將整個升溫控制過程分三個階段，第一階段是低溫預熱溫度控制，第二階段是中溫加熱溫度控制，第三階段是高溫燒結溫度控制。制品在不同的溫度階段，控制策略不同，硬件配置也不同，實施差異化燃控策略，對焙燒爐溫度制度進行貫徹，精準執行。炭素陰極焙燒爐燃控裝置配置示意圖見圖8。

1.1 低溫預熱階段的燃控策略

低溫預熱階段，火道溫度控制在＜350℃。在這個階段制品粘結劑幾乎沒有揮發份溢出，其理化特性也沒有大的變化，只是粘結劑軟化，并在重力和表面張力的作用下有橫向和縱向遷移的趨勢，但如果制品溫度控制不好，粘結劑的遷移期過長，就會造成粘結劑的大量遷移，焙燒后的制品焦化網絡存在嚴重缺陷，空頭大量產生，影響制品質量。所以，該階段焙燒控制的主要任務是提高升溫速度，讓粘結劑遷移期盡早結束，防止空頭的過量產生。

目前，國內對低溫預熱階段的溫度是通過排煙架的煙氣擋板來間接調節，控制效果不理想，并且，直接影響到上游火道的溫度控制，給控制系統帶來強烈的干擾，火道溫度波動大，對溫度制度的執行帶來困難。

新型低溫帶火焙燒燃控系統采用低溫快燃技術，較好地解決了安全和快速升溫之間的矛盾，利用高速自動燒嘴可迅速提升功率的特點，使低溫預熱階段的火道溫度可控可調快速提升，自動點火，熄火自動切斷燃氣，并報警，具備良好的安全性能。

1.2 中溫加熱階段燃控策略

該階段火道溫度控制在350～650℃，這個階段也是粘結劑析出焦化的關鍵階段，系統控制的升溫速度慢，這將有利于制品內部粘結劑焦化網絡的形成和鞏固。火道溫度從350℃到650℃期間，粘結劑揮發分大量排出，在這個階段如果升溫速度過快，會造成揮發份驟然急劇溢出，產生裂紋，造成制品結構疏松、氣孔率增加、體積密度降低。

另外，在此階段，由于煙氣溫度較低，燃氣無法自行燃燒，一旦熄火，火道溫度不升反降，煙氣中攜帶燃料影響到下游設備和爐室的安全運行。

新型低溫帶火焙燒燃控系統在在這一階段采用自動燃燒器，自動點火，熄火自動切斷燃氣等燃燒控制技術，調火控溫，降低升溫速率，防止揮發份大量溢出，讓揮發份有序燃燒，避免了在焦油揮發期間，火道溫度大幅波動對制品質量的影響，并且具備良好的安全性能。

1.3 高溫燒結階段的燃控策略

當制品焙燒到850℃時，粘結劑的焦化作用已經基本完成，但是為了使焦化過程更加完善，進一步提高制品的各項物理化學性能，還需要將火道溫度提高到1200℃左右。此階段升溫速度加快，并且在最高溫度下保溫,以減少制品在焙燒質量上的差異。

在此階段，新型低溫帶火焙燒燃控系統采用高溫機械燒嘴高速噴射燃氣，長火焰進行調火控溫，完成制品焙燒。

1.4 火道負壓控制策略

焙燒爐的燃燒控制要充分利用冷卻爐室殘余的固體蓄熱，一方面可以對焙燒制品進行降溫，另一方面也可以對助燃空氣進行預熱，降低燃氣消耗和運行成本。對火道負壓實施控制有助于穩定燃燒工況，避免過氧燃燒浪費燃氣，同時也可以保證揮發份的有序燃燒，改變通過調節負壓控制預熱爐室的溫度的傳統做法，穩定上游爐室的燃燒工況，這對焙燒爐實施溫度精確控制奠定了基礎。

1.5 排放煙氣氮氧化物含量控制

采用選擇性非催化還原方法脫硝，并根據排放煙氣中氮氧化物的指標適當調整還原劑的供給量來控制。

2 燃控裝置的配置及原理

隨著炭素行業下游企業冶煉技術的提升，原有的炭素焙燒爐燃控設備的配置和硬件設施越來越難以適應客戶對炭素制品質量的要求，目前，國內炭素焙燒爐的裝爐量越來越大，傳統的燃控設備的局限性也顯得越發突出。制品低溫預熱階段要求快速升溫，傳統的燃控系統處于安全考慮沒有配備燃控設備；中溫加熱爐室由于燃氣熄火無法檢測，安全隱患大，溫度控制方式簡單粗放，難以滿足慢升溫的控制要求；高溫燒結階段串火、返火現象時有發生，這些問題的存在，迫切需要對傳統燃控設備進行性能提升以滿足使用要求。

因此，根據敞式焙燒爐火道溫度和負壓分布情況（圖2），以及制品各階段燃控特點和火道的燃燒工況，配置燃控設備，重新布局才能生產出高質量的炭素制品。

圖2 炭素陰極焙燒爐火道溫度及煙氣負壓運行模型

2.1 制品低溫預熱階段設備配置及控制原理

制品在這一階段實施帶火焙燒，以彌補預熱爐室熱量的不足，能迅速提升火道溫度，

實現制品預熱階段快速升溫的目的。

在該階段燃控設備配備有低溫燃燒架（圖3），架上裝備（圖4）有：高速自動燒嘴、空燃比例機構、測溫元件和控制柜，可實現現場自動控制、安全聯鎖和遠程管理。

圖3 低溫燃燒架結構示意圖

圖4 低溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

該階段的溫度控制是以預熱階段曲線溫度作為溫度控制的目標并和火道當前實測溫度比較，實施算法控制，天然氣和空氣按一定比例混合，確保自動點火和持續燃燒，火焰熄滅自動檢測報警，并再次點火，點火失敗后自動切斷燃氣，防止天然氣泄漏引發安全事故。控制原理見圖5。

圖5 低溫燃燒架燃燒控制原理圖

2.2 制品中溫加熱階段設備配置及控制原理

制品在這一階段實施自動點火焙燒，避免操作人員頻繁操作和燃燒器熄火給焙燒爐和凈化系統帶來安全隱患。在該階段燃控系統小火焙燒，緩慢升溫，提高制品粘結劑的成焦率。

在該階段燃控設備（圖6）配備有中溫燃燒架，架上裝備有燃氣調節閥、自動燒嘴、測溫元件和控制柜（圖7），可實現現場自動控制、安全聯鎖和遠程管理。

圖6 中溫燃燒架結構示意圖

圖7 中溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

該階段的溫度控制是以中溫加熱階段曲線溫度作為溫度控制的目標并和火道當前實測溫度比較，實施算法控制、自動點火、火焰檢測、安全聯鎖和熄火報警等功能，避免火道串火、串氣和溫度失控等現象的發生，讓揮發份有序釋放，緩慢燃燒。控制原理見圖8。

圖8 中溫燃燒架燃燒控制原理圖

2.3 制品高溫燒結階段設備配置及控制原理

制品在高溫燒結階段，按照焙燒溫度制度的要求，升溫速度加快，并在高溫狀態下保溫，消除制品內外溫差。但是該階段制品所在爐室處于火焰系統的末端，火道負壓低，特別是在火焰系統中存在失修爐室，會出現燃燒狀態不穩定、串火、返火等現象，造成該階段升溫速度慢，影響下游燃控裝置的溫度控制。

在該階段燃控設備（圖9）配備有高溫燃燒架，架上裝備有：燃氣閥、高溫燒嘴、測溫元件和控制柜（圖10），可實現現場自動控制、安全聯鎖和遠程管理。控制原理見圖11。

圖1 炭素陰極焙燒爐燃控裝置配置示意圖

圖9 高溫燃燒架結構示意圖

圖10 高溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

圖11 高溫燃燒架燃燒控制原理圖

該階段燃控系統的控制策略是：

2.4 排煙裝置

排煙架（圖12）的功能是調節各火道負壓，確保燃料，包括揮發份能夠在火道中有充足的氧氣燃燒，讓焙燒尾氣經排煙架排出至凈化系統。

圖12 排煙架結構示意圖

架上配備有電動煙氣負壓調整擋板、負壓變送器、測溫元件和控制柜，可實現現場自動控制、安全聯鎖和遠程管理(圖13)。

圖13 排煙架燃燒控制硬件配置示意圖

新型低溫帶火焙燒燃控系統負壓控制的目的是：建立火焰系統穩定的燃燒控制環境，確保制品在中溫階段溫度控制精準、燃氣燃燒充分，避免火道氧含量過高，浪費燃氣。

具體實施時可根據煙氣中含氧量的富裕程度確定火焰系統的負壓基準，并實施控制。控制原理見圖14。

圖14 排煙架燃燒控制原理圖

2.5 SNCR脫硝及煙氣阻火裝置

SNCR架是還原劑定量投放架(圖15)，操作人員可根據排放煙氣中氮氧化物的含量設定排放速度,控制其指標排放。控制原理見圖16。

圖15 SNCR架結構示意圖

圖16 SNCR架電氣控制配置示意圖

另外，為了防止凈化系統煙道著火，在焙燒爐出口煙道上安裝高壓噴淋裝置，噴霧阻火。設備配置見圖17。

圖17 排煙脫硝阻火裝置示意圖

3 控制室操作控制站

控制室操作站(圖18)PC通過交換機和現場各類燃燒架和排煙架通訊，采集各火焰系統的參數，對炭素制品焙燒過程進行管理和控制。

圖18 中控室操作控制站示意圖

控制室操作站(圖19)具備以下功能：⑴ 顯示PC和現場各燃燒架和排煙架的通訊狀態；⑵ 允許操作人員修改或繪制焙燒曲線；⑶ 操作界面通過形象化的圖表顯示各爐室火道溫度、煙氣負壓等參數，通過文字和圖形對燃燒狀態預警，可對控制參數設定值進行修改；⑷ 故障監測與報警信息跟蹤記錄。

圖19 炭素陰極焙燒燃控系統示意圖

控制室操作站上可繪制5條焙燒標準曲線，并可通過網絡下載到各燃燒架和排煙架的PLC中，供選擇調用。標準曲線的繪制操作見圖20。

圖20 標準曲線的繪制操作界面示意圖

控制室操作站上的操作界面，按火焰系統分別顯示，可在一幅畫面上顯示各火道溫度負壓以及爐號、工作狀態，燃燒器熄火點火，溫度傳感器是否損壞等報警信息。操作站的操作界面見圖21。

圖21 操作站操作界面示意圖