罐式煅燒爐幾個主要問題的探討及改進*

李自田，李春民，王丹丹，字茂剛，段 斌，吳建茂，李春文

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

在我國生產大型炭素制品的工廠中用于原料煅燒的設備，除了因制品對煅后焦質量有特殊要求而采取高電耗的電氣煅燒爐外，一般采用回轉窯和罐式煅燒爐[1]。回轉窯的優點主要為：產量大、自動化程度高、結構簡單、維修方便等；罐式爐的優點主要為：煅燒質量穩定、原料炭質燒損小、產品純度好、熱利用率高等。近年來，隨著原料價格的上漲，鋁電解對炭素制品質量要求的提高，罐式煅燒爐得到了廣泛應用，回轉窯逐步被取代。然而，罐式煅燒爐受設計人員、原料石油焦性能、爐型結構選擇等因素影響，各生產企業的實際生產操作控制技術差異較大，生產過程中出現的系列問題也不盡相同，需要根據各自碰到的具體問題制定具體的措施加以驗證和解決。本文針對云南某公司罐式煅燒爐日常運行過程中遇到的幾個突出問題進行探討，并提出了相應的改進措施。

1 煙氣無組織排放

1.1 問題的提出

某公司罐式煅燒爐冷卻爐底的預熱空氣設計經6層火道位置排出爐墻直接進入廠房，由于烘爐或煅燒過程中爐體存在收縮膨脹，爐墻內部產生裂紋，火道內未完全燃燒的煙氣進入預熱空氣道，隨預熱空氣排出爐墻外，導致廠房內青煙四處飄散，煙氣溫度達160℃以上，且煙氣中含有硫化氫氣體，嚴重影響調溫操作人員的身體健康。

1.2 方案的實施

利用原有系統作為改造對象，對原系統預熱空氣管進行改造。該新增預熱空氣管為方管，管口長120 mm，寬120 mm，在原有預熱空氣排放管上部開孔（120×120）mm，將新增預熱空氣管一端焊接至預熱空氣排放管開口部位，另一端焊接至原有的空氣調節閥框架上，同時在原系統預熱空氣排放口處焊接排放管調節閥（200×150）mm。使用預熱空氣時打開控制預熱空氣量大小的空氣調節閥，關閉排放管調節閥，則預熱空氣停止外排，進入二層火道與揮發分混合燃燒，同時，可根據揮發分的多少，調整空氣調節閥開度使預熱空氣量與之相匹配（見圖1）。

圖1 預熱空氣改造利用Fig.1 Transformation and utilization of preheated air

2 首二層火道溫度提升困難

2.1 問題的提出

某公司罐式煅燒爐設計采用大八層火道煅燒，火道尺寸高615 mm（其他罐式爐廠家多為小八層，火道尺寸高479 mm），在首層火道入口，揮發分與冷空氣容易出現分層，兩者未能充分混合燃燒，火焰容易沿著火道頂部流竄，煅燒帶下移，導致首二層溫度偏低，八層溫度偏高的現象發生。

表1 罐式煅燒爐結構尺寸對比Tab.1 Comparison on structure and size of pot calciner mm

2.2 方案的實施

1）利用原有系統作為改造對象，對原系統預熱空氣管進行改造，將原先設計外排的預熱空氣經四（層）進二（層）空氣道引入二層火道，促使首層未完全燃燒的揮發分在二層頭部與預熱空氣混合迅速燃燒，從而達到提升首二層火道溫度，降低八層溫度的目的；

2）首層火道變徑口位置增設高度約40 mm，寬度100 mm的擋磚，冷空氣經首層冷風門進入火道后，處于下部的空氣被增設的擋磚阻擋向上抬升，正好與自下火口涌入的揮發分充分混合燃燒，從而提升首二層火道溫度。

3 石油焦煅燒脫硫率高

3.1 問題的提出

某廠罐式煅燒爐由于采用大八層火道設計，火道內煙氣流速較慢，層間壓差及溫差較小，致使煅燒帶過長，且相同的排料量，物料在料罐內的停留煅燒時間較其他廠家多10 h以上，存在物料“過燒”、脫硫率偏高、硅磚存在氧化腐蝕等現象。

3.2 方案的實施

1）在高溫下，石油焦中的硫與硅磚中的SiO2反應生產SiS2，對硅磚造成侵蝕，侵蝕熔融的SiS2流入火道后與氧氣反應又生成SiO2，在正常生產過程中會發現煙囪、余熱鍋爐排管中出現白色的粉末狀物質，而且火道內有珊瑚狀白色固體物質，主要成分SiO2[2]。隨著石油焦硫含量的上升，石油焦煅燒脫硫率越高。因此，盡量選擇低硫焦產地作為石油焦供應廠家，對進廠原料實行預均化，將煅前混合石油焦中的硫份含量控制在1.5%以下，有助于延長和保證煅燒爐壽命[3]；

2）物料溫度越高，停留時間越長，那么石油焦脫硫率就會越高。罐式爐物料的煅燒分為預熱帶、煅燒帶、冷卻帶，在實際生產過程中必須確保各溫度帶的工藝溫度在合理范圍內。某公司罐式爐存在煅燒帶過長、冷卻帶過短的情況。針對這一現象，采取將三層火道尾部觀火孔改造為可調節的冷風門，通過補入適量的冷空氣，逐步降低（4～8）層火道溫度的方式進行控制。

4 罐式爐放炮

4.1 問題的提出

“放炮”是罐式煅燒爐比較常見的問題之一，某廠4×72大八層火道罐式煅燒爐于2020年4月全線投產，排料量由60 kg/h逐步向設計產能100 kg/h逐漸增加，此時碎料機下沿集料斗出口處頻繁“放炮”（罐式煅燒爐結構原理及“放炮”位置見圖2），有時一天“放炮”的次數多達數十次，給崗位職工造成嚴重心理負擔，“放炮”區域無法正常作業，現場較長時間“臟亂差”。“放炮”無組織排放的有害氣體及粉塵，還直接影響到了在車間作業的所有員工，長此以往，將給員工身心健康帶來較大影響，為此，必須盡快找到一個徹底解決的辦法。

圖2 罐式爐結構圖Fig.2 Structure diagram of pot calciner

4.2 “放炮”原因分析

石油焦受熱后產生的揮發份主要成分有H2、CH4、CO、CO2、CmHn幾種氣體，其中H2含量最多，體積含量占比達到60.15%左右，CH4占32.87%左右，CO、CO2、CmHn分別占體積數的4.17%、1.38%和 1.43%[4]。

H2是一種易燃易爆的氣體，在占比達到4%至74%濃度與空氣混合時，在熱、日光或火花的刺激下均易引爆；CH4在空氣中的含量達到5%～15.4%時，遇火化將發生爆炸。罐式爐“放炮”就是石油焦產生的部分揮發分因為其他原因沒有進入煅燒爐火道內，而是隨著煅燒焦一起下移，當排出碎料機與空氣接觸后，由于物料溫度還在150℃以上，易燃易爆氣體與空氣混合受熱迅速燃燒，形成高壓氣體向外沖出，從而產生“放炮”。

4.2 方案的實施

1）提高火道負壓：罐式煅燒爐是一種負壓操作爐[5]，排煙引風機形成的負壓將料罐內排出的揮發分沿預設的通道流動和燃燒（料罐內揮發分流向見圖3）。在實際生產過程中，逐步將罐式爐煙道總負壓由 （60～70）Pa 調整至 （100～120）Pa，首層火首負壓由 （15～20）Pa 提高至 （25～35）Pa，五層火道負壓由 （40～50）Pa 提高至 （60～70）Pa，使揮發分溢出更加順暢.負壓并非越高越好，經過考察對比國內索通、強強炭素等同行企業，匯總煙道負壓一般控制在（100～150）Pa之間，首層火道負壓一般不大于38 Pa，以爐頂不冒煙，加料斗內有微負壓即可；

圖3 罐式爐揮發份流向圖Fig.3 Flow direction diagram of volatile matter of pot calciner

2）縮短清爐周期，規范清爐效果：通過總結摸索，在罐式爐原設4個生產班組的基礎上，增置了清爐班組，將揮發分總道、揮發分溢出口清理周期由11 d縮短至9 d，下火口每個生產班檢查清理一次，對料罐9 d插釬檢查，發現罐體結焦及時處理。由生產班組監督檢查清爐班組的清爐質量，保持揮發分預設通道暢通；

3）改造罐式爐加料口，確保罐內物料堆積面始終低于揮發份溢出口，杜絕物料掩埋揮發分溢出口的現象，確保溢出口暢通；

4）均衡搭配石油焦粗細料，避免粉焦集中進入罐體導致揮發份難以溢出；

5）盡量讓入爐的石油焦干燥一些，物料水分過大將會導致：①罐體續集頻繁；②小顆粒物料過潮，在罐式爐煅燒過程中很容易粘結，使顆粒之間的間隙堵塞導致揮發分不能有效排出；

6）提高首層和二層火道溫度，降低八層溫度，讓揮發份在預熱帶充分溢出，減少煅燒焦揮發份殘余量：物料在罐體上部加入后，在罐內受熱并向下緩慢移動[6]。理論上要在預熱帶內（二層火道以上），以吸收罐壁墻兩側火道傳遞的熱量來迅速升溫，實現排出揮發分的目的，當物料到達二層火道及以下位置時，揮發份基本排除干凈。但實際生產過程中，存在石油焦揮發分低、粉焦比例較高、雨季石油焦過于潮濕的情況[7]，其在預熱帶就需要吸收更多的熱量，加之粉焦煅燒過程中，揮發分難溢出的特點，常導致首層、二層火道溫度難以達到預期溫度，火道溫度低又導致罐內物料受熱溫度低，造成“惡性循環”，最終使揮發份未能在預定區域排出而是隨煅燒焦下移導致“放炮”。將外排的預熱空氣通過改造引入到二層火道助燃，較好地解決了這一問題；

7）為確保排出的煅燒焦中殘留的揮發分不在集料斗積聚而引起“放炮”，在每個集料斗上增加了收塵口及收塵管網，根據收塵負荷重新改造了除塵器，使之與系統需求匹配，將隨物料排出的殘余揮發分及時抽走排空。

5 實施效果

1）預熱空氣不再排出爐墻進入廠房內，通過新增預熱空氣輸送管和空氣通道進入爐體二層火道與揮發分混合燃燒，現場作業環境明顯改善，現場無煙氣逸出，青煙及硫化氫氣味消失，環境溫度由45℃降低至32℃以下；

2）擋磚的增設使揮發分與冷空氣在首層下火口位置能夠較好地混合燃燒，二層火道預熱空氣的運用，提升了火道加熱速率，使部分未充分燃燒的揮發分能夠迅速燃燒。通過方案的實施，首二層溫度平均提升53℃，八層溫度降低18℃；

3）石油焦硫含量的控制及三層火道冷空氣的應用，使石油焦在煅燒過程中的脫硫率明顯下降，由34.82%降至15.70%[8]，見圖4所示。火道內珊瑚狀白色固體物質明顯減少（見圖5、圖6），有效減輕了硫對硅磚的氧化腐蝕，延長了爐子使用壽命。

圖4 石油焦煅燒脫硫率對比Fig.4 Comparison on desulfuration rate of petroleum coke calcination

圖5 方案實施前火道內白色物質較多Fig.5 White substance increasing inside flue before program implementation

圖6 方案實施后火道內白色物質減少Fig.6 White substance decreasing inside flue before program implementation

4）該公司罐式段燒爐出現的“放炮”頻繁問題，通過采取以上7條措施加以改進后，得到了根本性解決，通過在線監測和定期抽檢罐式爐車間內各區域的氣體排放，有害氣體均已長期處于安全可靠狀態，職工心理負擔得到了解除，安全得到了保障，現場環境得到根本性改善，為安全干凈班組建設創造了良好條件；通過有效解決罐式爐“放炮”問題，避免了“放炮”帶來的爐墻振裂、振塌等潛在問題，為保障爐子壽命打下了扎實基礎。

6 結語

1）針對罐式爐生產過程中出現的突出問題，通過深入研究和分析，找到了問題的根本原因；

2）通過一系列現場硬件提升改造，加之持續完成生產組織和操作控制模式，安全生產得到有效保障，有效避免了煅燒焦“過燒”現象；

3）在改善工藝條件的同時，較好地延長了罐式煅燒爐壽命，具體明顯的經濟價值。