鋁用炭素陰極敞式焙燒爐低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)

張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術(shù)中心，山西 晉中 030600）

1 低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)概述

炭素生制品的焙燒過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是粘結(jié)劑的焦化過(guò)程，是炭素制品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(jìn)行間接加熱，在升溫的過(guò)程中使生制品內(nèi)部的粘結(jié)劑發(fā)生分解、聚合、焦化反應(yīng)，在原有的顆粒、炭粉之間形成新的焦化網(wǎng)絡(luò)，使焙燒制品的物理、化學(xué)性能發(fā)生一系列的變化。

新近研發(fā)的低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)對(duì)炭素生制品的焙燒控制是從低溫預(yù)熱階段開(kāi)始，直到高溫焙燒結(jié)束，實(shí)施的是全過(guò)程的溫度管控和煙氣氮氧化物排放控制。新型控制系統(tǒng)能夠克服現(xiàn)用系統(tǒng)的弊端，焙燒制品的性能指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于原有系統(tǒng)，其控制過(guò)程主要分為三個(gè)階段。

低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及中控操作站等設(shè)備設(shè)施。整個(gè)燃控系統(tǒng)共分為兩個(gè)火焰系統(tǒng)，每個(gè)火焰系統(tǒng)可下掛8-13個(gè)爐室的燃燒架以及排煙架。在控制室設(shè)置的系統(tǒng)操作站可對(duì)整個(gè)焙燒爐面燃控設(shè)備實(shí)施監(jiān)控和管理。按照焙燒溫度制度的要求，燃控系統(tǒng)將整個(gè)升溫控制過(guò)程分三個(gè)階段，第一階段是低溫預(yù)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?zé)Y(jié)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(shí)施差異化燃控策略，對(duì)焙燒爐溫度制度進(jìn)行貫徹，精準(zhǔn)執(zhí)行。炭素陰極焙燒爐燃控裝置配置示意圖見(jiàn)圖8。

1.1 低溫預(yù)熱階段的燃控策略

低溫預(yù)熱階段，火道溫度控制在＜350℃。在這個(gè)階段制品粘結(jié)劑幾乎沒(méi)有揮發(fā)份溢出，其理化特性也沒(méi)有大的變化，只是粘結(jié)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(shì)，但如果制品溫度控制不好，粘結(jié)劑的遷移期過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)造成粘結(jié)劑的大量遷移，焙燒后的制品焦化網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重缺陷，空頭大量產(chǎn)生，影響制品質(zhì)量。所以，該階段焙燒控制的主要任務(wù)是提高升溫速度，讓粘結(jié)劑遷移期盡早結(jié)束，防止空頭的過(guò)量產(chǎn)生。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)低溫預(yù)熱階段的溫度是通過(guò)排煙架的煙氣擋板來(lái)間接調(diào)節(jié)，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(tǒng)帶來(lái)強(qiáng)烈的干擾，火道溫度波動(dòng)大，對(duì)溫度制度的執(zhí)行帶來(lái)困難。

新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)采用低溫快燃技術(shù)，較好地解決了安全和快速升溫之間的矛盾，利用高速自動(dòng)燒嘴可迅速提升功率的特點(diǎn)，使低溫預(yù)熱階段的火道溫度可控可調(diào)快速提升，自動(dòng)點(diǎn)火，熄火自動(dòng)切斷燃?xì)猓?bào)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(gè)階段也是粘結(jié)劑析出焦化的關(guān)鍵階段，系統(tǒng)控制的升溫速度慢，這將有利于制品內(nèi)部粘結(jié)劑焦化網(wǎng)絡(luò)的形成和鞏固?；鸬罍囟葟?50℃到650℃期間，粘結(jié)劑揮發(fā)分大量排出，在這個(gè)階段如果升溫速度過(guò)快，會(huì)造成揮發(fā)份驟然急劇溢出，產(chǎn)生裂紋，造成制品結(jié)構(gòu)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?xì)鉄o(wú)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(shè)備和爐室的安全運(yùn)行。

新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)在在這一階段采用自動(dòng)燃燒器，自動(dòng)點(diǎn)火，熄火自動(dòng)切斷燃?xì)獾热紵刂萍夹g(shù)，調(diào)火控溫，降低升溫速率，防止揮發(fā)份大量溢出，讓揮發(fā)份有序燃燒，避免了在焦油揮發(fā)期間，火道溫度大幅波動(dòng)對(duì)制品質(zhì)量的影響，并且具備良好的安全性能。

1.3 高溫?zé)Y(jié)階段的燃控策略

當(dāng)制品焙燒到850℃時(shí)，粘結(jié)劑的焦化作用已經(jīng)基本完成，但是為了使焦化過(guò)程更加完善，進(jìn)一步提高制品的各項(xiàng)物理化學(xué)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(zhì)量上的差異。

在此階段，新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)采用高溫機(jī)械燒嘴高速噴射燃?xì)猓L(zhǎng)火焰進(jìn)行調(diào)火控溫，完成制品焙燒。

1.4 火道負(fù)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(duì)焙燒制品進(jìn)行降溫，另一方面也可以對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，降低燃?xì)庀暮瓦\(yùn)行成本。對(duì)火道負(fù)壓實(shí)施控制有助于穩(wěn)定燃燒工況，避免過(guò)氧燃燒浪費(fèi)燃?xì)?，同時(shí)也可以保證揮發(fā)份的有序燃燒，改變通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)壓控制預(yù)熱爐室的溫度的傳統(tǒng)做法，穩(wěn)定上游爐室的燃燒工況，這對(duì)焙燒爐實(shí)施溫度精確控制奠定了基礎(chǔ)。

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(jù)排放煙氣中氮氧化物的指標(biāo)適當(dāng)調(diào)整還原劑的供給量來(lái)控制。

2 燃控裝置的配置及原理

隨著炭素行業(yè)下游企業(yè)冶煉技術(shù)的提升，原有的炭素焙燒爐燃控設(shè)備的配置和硬件設(shè)施越來(lái)越難以適應(yīng)客戶對(duì)炭素制品質(zhì)量的要求，目前，國(guó)內(nèi)炭素焙燒爐的裝爐量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的燃控設(shè)備的局限性也顯得越發(fā)突出。制品低溫預(yù)熱階段要求快速升溫，傳統(tǒng)的燃控系統(tǒng)處于安全考慮沒(méi)有配備燃控設(shè)備；中溫加熱爐室由于燃?xì)庀ɑ馃o(wú)法檢測(cè)，安全隱患大，溫度控制方式簡(jiǎn)單粗放，難以滿足慢升溫的控制要求；高溫?zé)Y(jié)階段串火、返火現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這些問(wèn)題的存在，迫切需要對(duì)傳統(tǒng)燃控設(shè)備進(jìn)行性能提升以滿足使用要求。

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

圖2 炭素陰極焙燒爐火道溫度及煙氣負(fù)壓運(yùn)行模型

2.1 制品低溫預(yù)熱階段設(shè)備配置及控制原理

制品在這一階段實(shí)施帶火焙燒，以彌補(bǔ)預(yù)熱爐室熱量的不足，能迅速提升火道溫度，

實(shí)現(xiàn)制品預(yù)熱階段快速升溫的目的。

在該階段燃控設(shè)備配備有低溫燃燒架（圖3），架上裝備（圖4）有：高速自動(dòng)燒嘴、空燃比例機(jī)構(gòu)、測(cè)溫元件和控制柜，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理。

圖3 低溫燃燒架結(jié)構(gòu)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(yù)熱階段曲線溫度作為溫度控制的目標(biāo)并和火道當(dāng)前實(shí)測(cè)溫度比較，實(shí)施算法控制，天然氣和空氣按一定比例混合，確保自動(dòng)點(diǎn)火和持續(xù)燃燒，火焰熄滅自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警，并再次點(diǎn)火，點(diǎn)火失敗后自動(dòng)切斷燃?xì)?，防止天然氣泄漏引發(fā)安全事故。控制原理見(jiàn)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(shè)備配置及控制原理

制品在這一階段實(shí)施自動(dòng)點(diǎn)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(tǒng)帶來(lái)安全隱患。在該階段燃控系統(tǒng)小火焙燒，緩慢升溫，提高制品粘結(jié)劑的成焦率。

在該階段燃控設(shè)備（圖6）配備有中溫燃燒架，架上裝備有燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、自動(dòng)燒嘴、測(cè)溫元件和控制柜（圖7），可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理。

圖6 中溫燃燒架結(jié)構(gòu)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(biāo)并和火道當(dāng)前實(shí)測(cè)溫度比較，實(shí)施算法控制、自動(dòng)點(diǎn)火、火焰檢測(cè)、安全聯(lián)鎖和熄火報(bào)警等功能，避免火道串火、串氣和溫度失控等現(xiàn)象的發(fā)生，讓揮發(fā)份有序釋放，緩慢燃燒。控制原理見(jiàn)圖8。

圖8 中溫燃燒架燃燒控制原理圖

2.3 制品高溫?zé)Y(jié)階段設(shè)備配置及控制原理

制品在高溫?zé)Y(jié)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(tài)下保溫，消除制品內(nèi)外溫差。但是該階段制品所在爐室處于火焰系統(tǒng)的末端，火道負(fù)壓低，特別是在火焰系統(tǒng)中存在失修爐室，會(huì)出現(xiàn)燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定、串火、返火等現(xiàn)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(shè)備（圖9）配備有高溫燃燒架，架上裝備有：燃?xì)忾y、高溫?zé)?、測(cè)溫元件和控制柜（圖10），可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理?？刂圃硪?jiàn)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的控制策略是：

2.4 排煙裝置

排煙架（圖12）的功能是調(diào)節(jié)各火道負(fù)壓，確保燃料，包括揮發(fā)份能夠在火道中有充足的氧氣燃燒，讓焙燒尾氣經(jīng)排煙架排出至凈化系統(tǒng)。

圖12 排煙架結(jié)構(gòu)示意圖

架上配備有電動(dòng)煙氣負(fù)壓調(diào)整擋板、負(fù)壓變送器、測(cè)溫元件和控制柜，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)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(tǒng)負(fù)壓控制的目的是：建立火焰系統(tǒng)穩(wěn)定的燃燒控制環(huán)境，確保制品在中溫階段溫度控制精準(zhǔn)、燃?xì)馊紵浞?，避免火道氧含量過(guò)高，浪費(fèi)燃?xì)狻?/p>

具體實(shí)施時(shí)可根據(jù)煙氣中含氧量的富裕程度確定火焰系統(tǒng)的負(fù)壓基準(zhǔn)，并實(shí)施控制?？刂圃硪?jiàn)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(jù)排放煙氣中氮氧化物的含量設(shè)定排放速度,控制其指標(biāo)排放?？刂圃硪?jiàn)圖16。

圖15 SNCR架結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shè)備配置見(jiàn)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(guò)交換機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)各類燃燒架和排煙架通訊，采集各火焰系統(tǒng)的參數(shù)，對(duì)炭素制品焙燒過(guò)程進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)各燃燒架和排煙架的通訊狀態(tài)；⑵ 允許操作人員修改或繪制焙燒曲線；⑶ 操作界面通過(guò)形象化的圖表顯示各爐室火道溫度、煙氣負(fù)壓等參數(shù)，通過(guò)文字和圖形對(duì)燃燒狀態(tài)預(yù)警，可對(duì)控制參數(shù)設(shè)定值進(jìn)行修改；⑷ 故障監(jiān)測(cè)與報(bào)警信息跟蹤記錄。

圖19 炭素陰極焙燒燃控系統(tǒng)示意圖

控制室操作站上可繪制5條焙燒標(biāo)準(zhǔn)曲線，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載到各燃燒架和排煙架的PLC中，供選擇調(diào)用。標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制操作見(jiàn)圖20。

圖20 標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)分別顯示，可在一幅畫(huà)面上顯示各火道溫度負(fù)壓以及爐號(hào)、工作狀態(tài)，燃燒器熄火點(diǎn)火，溫度傳感器是否損壞等報(bào)警信息。操作站的操作界面見(jiàn)圖21。

圖21 操作站操作界面示意圖