鋁用陽極焙燒爐節(jié)能措施與實(shí)踐

劉瑞然,王 力,馬正清

(1.索通發(fā)展股份有限公司,山東 德州 251500;2.南山鋁業(yè)股份有限公司,山東 龍口 265700)

焙燒是陽極生產(chǎn)中工藝最復(fù)雜、耗能最大的工序,陽極質(zhì)量的好壞很多程度上取決于焙燒工藝參數(shù)的調(diào)整及過程控制的精細(xì)程度。山東某大型預(yù)焙炭陽極生產(chǎn)企業(yè)陽極成品率低、天然氣消耗量較大,為此企業(yè)通過加強(qiáng)焙燒爐火道燃燒狀況的診斷,積極尋求工藝技術(shù)的改進(jìn),使得天然氣單噸耗氣量下降,從而達(dá)到降低能耗,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減碳、低碳運(yùn)行。

1 企業(yè)焙燒爐現(xiàn)狀

企業(yè)擁有三臺(tái)36室敞開式、w型環(huán)式焙燒爐,每個(gè)爐室由9條火道8個(gè)料箱組成,主要技術(shù)參數(shù)見表1。裝爐方式為側(cè)立裝三層,每層七塊,每箱二十一塊,陽極設(shè)計(jì)產(chǎn)能每臺(tái)爐:80,000～90,000 t/a。每臺(tái)爐都采用雙火焰系統(tǒng),每個(gè)火焰系統(tǒng)由18個(gè)爐室組成,其中焙燒爐室(3個(gè))、預(yù)熱爐室(3個(gè))、冷卻爐室(7個(gè))、密閉爐室(1個(gè))、裝出爐爐室(2個(gè))、待修爐室(2個(gè)),見圖1。使用天然氣作燃料,正常生產(chǎn)采取28～36小時(shí)周期,168～216小時(shí)焙燒曲線,冷卻時(shí)間:168～210小時(shí)。火道最高溫度1200 ℃,陽極終溫≥1050 ℃。

表1 焙燒爐主要技術(shù)參數(shù)

圖1 焙燒爐俯視圖

從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來看,焙燒爐燃燒裝置及控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高,但工藝控制參數(shù)和工況的不合理、調(diào)整不及時(shí),導(dǎo)致天然氣單耗偏高。表2對(duì)該企業(yè)2019年5月～2020年4月天然氣單耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì),均值消耗量為63.29 Nm3/t,整體波動(dòng)較大且處于較高的狀態(tài),天然氣單耗量存在下降的空間。

表2 焙燒爐天然氣單耗現(xiàn)狀調(diào)查表

2 天然氣消耗偏高的原因分析

從焙燒爐運(yùn)行現(xiàn)狀看,焙燒爐火道燃燒系統(tǒng)控制不理想,主要表現(xiàn)在煙道及凈化系統(tǒng)中的焦油較多、生制品揮發(fā)分揮發(fā)位置及燃燒紊亂、爐面溫度較高,燃燒爐室保溫不良,焙燒爐火道墻維護(hù)不到位等現(xiàn)象。由此反映出熱能利用不充分,焙燒爐整體熱能浪費(fèi)較大,導(dǎo)致天然氣用量持續(xù)處于高位無法下降[1-2],主要原因分析有如下幾方面。

2.1 炭塊中揮發(fā)分燃燒紊亂

在炭素材料生產(chǎn)過程中,煤瀝青是生產(chǎn)鋁用陽極材料的粘結(jié)劑。為了能順利成型,使各種配入的顆?；ハ嗾辰Y(jié)形成具有良好的塑性糊料,根據(jù)實(shí)際配方要求及時(shí)調(diào)整瀝青配入量(該企業(yè)生制品中粘結(jié)劑瀝青的含量在14.2%～15.2%之間)。在焙燒過程中部分煤瀝青會(huì)分解成揮發(fā)性物質(zhì)從陽極中逸出。因此,焙燒的實(shí)質(zhì)是煤瀝青的焦化過程。煤瀝青是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品,是多種高分子碳?xì)浠衔锏幕旌象w,這些物質(zhì)在焙燒工序受熱的情況下,發(fā)生分解、環(huán)化、芳構(gòu)化和縮聚反應(yīng),生成CnHn等輕質(zhì)餾分,并以揮發(fā)分的形式排除,這些揮發(fā)分充分燃燒產(chǎn)生的熱量約占總輸入熱量的30%左右[3-4]。某企業(yè)由于現(xiàn)場(chǎng)排煙架維護(hù)保養(yǎng)不到位及工藝控制參數(shù)和工況的不合理及調(diào)整不及時(shí),造成揮發(fā)分超前或滯后析出,致使焙燒爐整個(gè)預(yù)熱系統(tǒng)揮發(fā)分逸出紊亂,揮發(fā)分燃燒不充分,火道溫度與設(shè)定曲線溫度相差較大。通過對(duì)2P揮發(fā)分燃燒情況進(jìn)行檢查,具體數(shù)值見表3,可以明顯看出焙燒爐個(gè)別火道揮發(fā)分的燃燒存在不完全現(xiàn)象,即該部分熱量未充分利用。

表3 焙燒爐揮發(fā)分燃燒現(xiàn)狀調(diào)查表

2.2 不合理的系統(tǒng)負(fù)壓控制工況

在實(shí)際運(yùn)行過程中,焙燒爐負(fù)壓會(huì)達(dá)不到系統(tǒng)要求,存在泄漏的問題。為了提升火道溫度,保證炭塊質(zhì)量,存在人為增大負(fù)壓現(xiàn)象。排煙架維護(hù)保養(yǎng)不到位,排煙架密封效果差(金屬軟連接接口磨損嚴(yán)重、與煙道接口之間存在較大的間隙等),這是造成焙燒爐系統(tǒng)負(fù)壓泄漏的主要原因,如圖2所示。同時(shí),過大的負(fù)壓會(huì)從料箱上吸入更多冷空氣,造成熱量損失,致使天然氣單耗上升。此外,密封爐室封填填充料不及時(shí),密封插板閥安裝不規(guī)范等也是造成焙燒爐系統(tǒng)負(fù)壓浪費(fèi)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

圖2 焙燒爐排煙架負(fù)壓泄漏現(xiàn)象

2.3 焙燒爐熱損失較大

焙燒爐按照設(shè)定曲線運(yùn)行后,預(yù)熱區(qū)的最高溫度經(jīng)揮發(fā)分有效利用后制品溫度可達(dá)800 ℃以上,由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該溫度,致使熱量散失到空氣中白白浪費(fèi)掉。因此,如何減少爐面熱損失,如何對(duì)爐面保溫降低熱量損失成為降低天然氣消耗的有效管理途徑[5]。該企業(yè)焙燒爐整體管理水平較差,爐面爐室狀況不佳,特別是焙燒爐爐面火道大蓋、小蓋破損較多、橫墻澆筑塊、熱電偶底座、燃燒器底座、澆筑塊間縫隙、側(cè)墻縫隙、爐面組件接口等部位存在多處密封不嚴(yán)、破損現(xiàn)象,且長(zhǎng)期處于無人監(jiān)管狀態(tài),如圖3所示。為此,在曲線溫度1165 ℃時(shí)對(duì)火道保溫爐蓋及其周圍環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量,具體數(shù)值見表4。從表中數(shù)值可以看出焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度太高且均大于200 ℃以上,爐面與空氣對(duì)流傳熱,導(dǎo)致焙燒爐爐面熱量散失嚴(yán)重,致使溫度與設(shè)定曲線相差較大。為了不影響制品的質(zhì)量,通過延長(zhǎng)天然氣的噴氣時(shí)間,強(qiáng)行升溫以保證火道溫度接近設(shè)定曲線溫度。該做法致使天然氣的消耗量增大,導(dǎo)致部分天然氣未充分燃燒完全釋放出熱能就被抽入大氣浪費(fèi)掉,最終火道溫度越來越難控制,形成惡性循環(huán)。

圖3 焙燒爐火道蓋部分破損

表4 焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度

2.4 填充料粒度控制管理不細(xì)致

填充料是焙燒時(shí)用于覆蓋制品防止其變形和氧化的散粒狀物料。在保證制品產(chǎn)生的揮發(fā)分順利排出且不至于造成制品產(chǎn)生裂紋的前提下,該企業(yè)選擇使用填充料是殘極顆粒料,要求填充料1～8 mm粒度占比≥90%。實(shí)際細(xì)料偏多,因此,要對(duì)每批次加工處理的填充料進(jìn)行篩料分析,不能過細(xì)過粗,保持其良好的品質(zhì)。

2.5 系統(tǒng)日常維護(hù)不到位

焙燒爐系統(tǒng)日常監(jiān)督檢查不到位,焙燒爐修爐質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、火道日常維護(hù)保養(yǎng)不到位、部分設(shè)備帶病運(yùn)行等,特別是使用不符合操作要求的電磁閥造成天然氣直噴現(xiàn)象,不僅浪費(fèi)天然氣造成天然氣能耗上升,更重要的是部分天然氣未完全燃燒產(chǎn)生大量的煙氣伴隨著氣流外排進(jìn)入大氣,造成外排氣體超標(biāo),污染環(huán)境。工作細(xì)節(jié)方面的缺失進(jìn)一步加劇了天然氣能耗的上升。

3 焙燒節(jié)能措施

3.1 揮發(fā)分充分燃燒

焙燒過程中制品揮發(fā)分的逸出溫度一般在250～700 ℃之間,特別是在230～400 ℃溫度范圍內(nèi),煤瀝青劇烈分解,揮發(fā)分大量排出。在此溫度區(qū)間揮發(fā)分排出受到各種可變因素的影響,因此,為防止揮發(fā)分排出過分激烈或過于緩慢,要嚴(yán)格控制升溫速率,調(diào)整好揮發(fā)分的排出位置。揮發(fā)分排出位置的選擇既要離排煙架足夠遠(yuǎn),防止熱量未充分利用被排入大氣浪費(fèi);同時(shí)也要與強(qiáng)制加熱區(qū)有足夠的距離,增大煙氣與陽極塊之間的溫度差,保證產(chǎn)品質(zhì)量[6-7]。因此,揮發(fā)分的燃燒位置要控制在預(yù)熱段的中后部。要使揮發(fā)分充分燃燒,就要采取以下幾個(gè)措施。

3.1.1 負(fù)壓調(diào)整

負(fù)壓是工藝控制的關(guān)鍵參數(shù)。焙燒爐系統(tǒng)負(fù)壓主要是由電機(jī)通過排煙架提供。在滿足升溫條件的前提下,負(fù)壓應(yīng)調(diào)整到最佳值,這樣既保證各條火道有足夠的負(fù)壓保證溫度,同時(shí)也防止負(fù)壓過大或過小造成燃燒系統(tǒng)紊亂,破壞燃燒系統(tǒng)的溫度制度,造成非必要的熱能損失[8]。操作規(guī)程要求爐面排煙架總負(fù)壓-(1400～2300)Pa,排煙架邊火道負(fù)壓控制在-(30～220)Pa,中間火道負(fù)壓控制在-(30～180)Pa且各火道負(fù)壓不得低于最小安全負(fù)壓值-20 Pa。日常生產(chǎn)運(yùn)行過程中嚴(yán)格工藝紀(jì)律,密封爐室填充料加入量要嚴(yán)格按照工藝制度執(zhí)行。此外,加大對(duì)排煙架的日常巡檢力度及強(qiáng)化維護(hù)保養(yǎng),特別是密封插板閥及金屬軟連接必須規(guī)范安裝,確保排煙架與焙燒爐火道接口安裝規(guī)范,如圖4所示。經(jīng)過以上措施實(shí)施后,再次對(duì)系統(tǒng)負(fù)壓情況進(jìn)行復(fù)查,效果明顯提高。

圖4 焙燒爐排煙架規(guī)范安裝示意圖

3.1.2 揮發(fā)分充分燃燒

在保證焙燒爐系統(tǒng)各火道系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定的前提下,通過對(duì)各火道負(fù)壓揮發(fā)分、天然氣燃燒情況進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)燃燒不充分時(shí)及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整,保證揮發(fā)分、天然氣充分燃燒,如圖5所示。

圖5 揮發(fā)分燃燒狀態(tài)

3.2 降低爐面熱量損失

焙燒爐爐體及爐面是熱能散失的主要部分,爐體側(cè)墻及端頭密封、保溫等,由于是在筑爐時(shí)已經(jīng)成型的,無法進(jìn)行改變,該部分的散熱無法進(jìn)行確保和更改。而爐面的散熱是可控的,可以通過加強(qiáng)和改善爐面的密封來達(dá)到降低熱量損失的目的。爐面的散熱和漏氣、空氣滲入主要是從填充料、爐蓋的縫隙等處。爐蓋處是主要的漏氣、空氣滲入的部分。這些空氣的滲入導(dǎo)致熱能的損耗加大,也給系統(tǒng)負(fù)壓造成不穩(wěn)定和損失。為改善爐面的密封,減少熱量散失,采取以下幾個(gè)措施。

3.2.1 加強(qiáng)爐子密封

對(duì)焙燒爐火道墻及爐體端頭密封不嚴(yán)部分重新密封,實(shí)施爐面排煙架-強(qiáng)冷架燃燒系統(tǒng)工作區(qū)域的密封工作,維持焙燒爐“高溫密閉”狀態(tài)。日常在裝爐、出爐操作前時(shí)必須檢查橫墻澆筑塊、澆筑塊間縫隙、側(cè)墻縫隙、聯(lián)通煙道、混凝土外墻膨脹縫等。對(duì)焙燒爐爐面耐火材料破損的要及時(shí)進(jìn)行更換,對(duì)密封不嚴(yán)的地方均采用耐火陶瓷纖維毯重新密封,確保爐面的密封狀態(tài),降低熱量損失。

3.2.2 爐面組件接口部位密封

焙燒爐爐面漏風(fēng)除加強(qiáng)焙燒爐日常維護(hù)保養(yǎng)外,還應(yīng)強(qiáng)化爐體與爐面各組件接觸部位的管理,重點(diǎn)是爐蓋部位、熱電偶底座、燃燒器底座、排煙架波紋管等與爐體的接觸點(diǎn)。為防止漏氣或空氣滲入,要求以上與爐面接觸點(diǎn)全部用密封材料進(jìn)行密封,對(duì)于破損嚴(yán)重的爐蓋及各類底座進(jìn)行更換,確保焙燒爐爐面密封效果,如圖6所示。

圖6 爐面組件接口部位密封

以上改善措施實(shí)施后,重新在曲線溫度1165 ℃時(shí)對(duì)火道保溫爐蓋及其周圍環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量,具體數(shù)值見表5。從表5數(shù)值可以看出焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度降幅明顯且均大于100 ℃,最大溫度降低163 ℃。通過對(duì)焙燒爐密封不嚴(yán)部分重新密封等措施,有效降低了爐面溫度流失,減少熱量損失,為工人創(chuàng)造良好工作環(huán)境。

表5 措施實(shí)施后焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度

3.3 爐面填充料控制規(guī)范

填充料的粒度、覆蓋高度等對(duì)爐面整體熱量損耗有較大影響。在日常生產(chǎn)過程中,要求爐面填充料平坦均勻,無高低起伏現(xiàn)象,料箱四角踩實(shí)、搗固,并及時(shí)封填頂層下陷覆蓋料。為進(jìn)一步降低熱量損失,提高填充料封填效果,采取第一步將爐面填充料密封高度自密封爐室至4C爐室頂層料厚度由原先的130 mm調(diào)整至150 mm,同時(shí)一次性將系統(tǒng)密封爐室、1P、2P爐室的填充料添加到位。第二步我們?cè)陬A(yù)熱爐室上部采用地膜覆蓋類似技術(shù),如圖7所示。第三步強(qiáng)化燃燒區(qū)的密封,移爐前在填充料頂層再布10～30 cm填充料,如圖8所示。通過對(duì)整體爐室進(jìn)行密封,隔絕空氣,防止冷空氣滲入,從而保證火道負(fù)壓達(dá)到降低熱量損失的目的。

圖7 薄膜覆蓋密封

圖8 覆蓋料加高圖

3.4 系統(tǒng)日常維護(hù)及大修

3.4.1 提升爐室日常管理及維護(hù)水平

焙燒周期結(jié)束之后,焙燒爐室會(huì)存在不同程度的燒損與損壞,致使燃燒系統(tǒng)密封性降低,運(yùn)行時(shí)冷空氣進(jìn)入加大火道熱量損失。因此這部分破損部位必須采取措施進(jìn)行維護(hù)處理[9],為燃燒提供良好的密封環(huán)境。作為備用爐室,日常維護(hù)保養(yǎng)主要是檢查料箱的角、縫,火道墻側(cè)面的立縫、臥縫、膨脹縫等,對(duì)超過規(guī)定的要進(jìn)行修補(bǔ),如圖9所示。及時(shí)對(duì)燒損嚴(yán)重的火道爐蓋基座、澆筑塊等進(jìn)行更換,杜絕設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖9 火道墻日常維護(hù)保養(yǎng)

3.4.2 推進(jìn)焙燒爐大修火道進(jìn)度及維修質(zhì)量

日常生產(chǎn)過程中,加強(qiáng)對(duì)火道橫墻、火道墻、爐體、聯(lián)通火道等進(jìn)行檢查,及時(shí)清理附著在爐墻和空縫中的結(jié)焦,保持空縫的暢通。要有計(jì)劃的對(duì)火道安排維修,局部變形的進(jìn)行小范圍修正,破損或變形嚴(yán)重的火道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)列出維修計(jì)劃,保證各火道符合生產(chǎn)要求。同時(shí)做好火道大修質(zhì)量的監(jiān)督檢查工作,保證焙燒爐修爐質(zhì)量,如圖10所示。

圖10 爐室狀況修復(fù)

3.5 鞏固措施及計(jì)劃

為進(jìn)一步降低天然氣單噸耗氣量,除了要對(duì)聯(lián)通爐室各火道上部分流口進(jìn)行封堵,減少漏風(fēng)、漏負(fù)壓外,還需對(duì)燃燒器及排煙架進(jìn)行技術(shù)革新,加強(qiáng)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)及排煙架負(fù)壓的調(diào)節(jié)、控制。

(1)各系統(tǒng)燃燒架天然氣壓力目前運(yùn)行80～90 kPa處于高位,計(jì)劃調(diào)整為60～70 kPa。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)燃燒周期及系統(tǒng)燃燒架上游比例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

(2)系統(tǒng)燃燒器陳舊且燃燒器噴管燒損大、長(zhǎng)短不一,統(tǒng)一燃?xì)鈬姽艹叽?計(jì)劃燃燒器燒嘴統(tǒng)一調(diào)整為200 mm。

(3)焙燒爐面鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)改造,在降低風(fēng)機(jī)用電量的同時(shí)提高系統(tǒng)鼓風(fēng)、冷卻效果,保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

山東某大型預(yù)焙炭陽極生產(chǎn)企業(yè)通過加強(qiáng)爐面密封及保溫、加快爐體修復(fù)等措施,經(jīng)運(yùn)行10個(gè)月,曲線溫度明顯好轉(zhuǎn),天然氣能耗明顯降低且穩(wěn)定,詳情見表6。

表6 焙燒爐天然氣單耗統(tǒng)計(jì)表

從表6看出,自2020年5月開始陸續(xù)采取以上措施后,天然氣單耗降至均值58.41 m3/t,較之前單耗下降4.89 m3/t。按該企業(yè)產(chǎn)能24萬噸/年,天然氣單價(jià)2.8元/m3(含稅),可節(jié)約天然氣成本4.89×2.8×240,000=328.608萬元。

采取節(jié)能措施后不僅天然氣單噸耗氣量降低,更重要的是整個(gè)燃燒系統(tǒng)更加穩(wěn)定,火道升溫速率得到保證,陽極成品率及理化指標(biāo)大大提高,具體理化指標(biāo)見表7。

表7 預(yù)焙陽極炭塊理化指標(biāo)對(duì)比表

由表7可以看出,炭塊一級(jí)品率提高了11.22%,電阻率均值降低0.78 μΩ·m,同時(shí)非一級(jí)品不合格占比中因電阻率不合格導(dǎo)致的現(xiàn)象減少,說明采用該項(xiàng)技術(shù)提高了產(chǎn)品質(zhì)量,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

提高焙燒爐爐室密封性對(duì)保持工藝的穩(wěn)定非常重要。企業(yè)在保證焙燒爐系統(tǒng)各火道系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定的前提下,及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整,保證揮發(fā)分、天然氣充分燃燒。同時(shí)提升爐室日常管理及維護(hù)水平,推進(jìn)焙燒爐大修火道進(jìn)度及維修質(zhì)量。日常加強(qiáng)爐體密封及爐面組件接口部位密封,爐面填充料規(guī)范使用,確保爐面的密封狀態(tài),降低熱量損失。通過以上措施,焙燒陽極過程中天然氣的消耗降低,產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。