贵州铝厂新型阳极焙烧炉节能探讨

文章编号:1001-8948(2002)04-0045-04

贵州铝厂新型阳极焙烧炉节能探讨

彭　勇

(贵阳铝镁设计研究院,贵阳　550004)

摘要:针对贵州铝厂三期引进的新型阳极焙烧炉节能效果显著、阳极质量好等原因进行分析与探讨。这对以后焙烧炉的设计和改造具有一定的参考价值。

关键词:阳极;焙烧炉;节能;热效率;热源;蓄热体

中图分类号:　T Q127.1+1 文献标识码:　A

RESEARCH INTO SAVE ENERGY OF NEW ANODE BAKING FURNACE IN GUIZHOU ALUMINIUM FACTORY

PENG Yong

(Guizhou Aluminium M ag nesium Desig n Research Institute,GuiYang550004,China)

Abstract:T he new anode w hich in accordance with the Guizhou Alum inium factory im ported thr id periode that the reaso ns such as new anode baking fur nace sav e energ y effect is notable and the anode quality is go od etc.analyzed and ex plo red into.T his to later on design and the impr ovement of baking fur nace fix ed reference value.

Key words:an anode;the baking furnace;save energy;thermal efficiency;the heat source;heat storage body

1　前言

从70年代中期开始,世界就着手解决能源的利用问题。强化节能意识、推广节能技术应用已成为全球工业降低生产成本、提高经济效益的重要手段。贵州铝厂三期焙烧炉是新型敞开式阳极焙烧炉。自投产以来,它以节能效果显著、阳极质量好、环境污染小等优点受到国内各大铝厂青睐。

贵州铝厂三期焙烧炉为34室阳极焙烧炉:两个火焰系统;每个炉室有6个料箱7条火道;燃料采用重油;火焰焙烧曲线为168h(火焰周期为28h),冷却曲线为196h;年产量为78840块焙烧阳极。新型敞开式阳极焙烧炉与以往敞开式阳极焙烧炉相比;能耗由502×104～756×104KJ/t焙烧品降至270×104KJ/t焙烧品;填充料烧损由原平均35kg/t焙烧品降至15kg/t焙烧品;阳极产品合格率>98%;阳极在电解槽上使用期较以往延长一天达到27天;出炉烟气量<47000Nm3/h,而国内同产能的焙烧炉的烟气量80000Nm3/h。

收稿日期:2002-05-09

作者简介:彭勇(1972-),男,工程师,1994年毕业于昆明理工大学冶金系热能工程专业,现工作于贵阳铝镁设计研究院。

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　2002年第4期 总第112期　炭 素CAR BO N

2　敞开式阳极焙烧炉的结构及工作原

理

敞开式阳极焙烧炉的主要任务是为铝厂电解铝焙烧阳极。将用石油焦骨料和煤沥青粘结剂经混捏,震动成型制成的生阳极装在敞开式阳极焙烧炉的装料箱内,用填充料作为保护,隔绝空气和传热的介质,按规定的升温制度间接加热焙烧。达到某一温度时,生阳极内的粘结剂进行分解、聚合、焦化反应,在炭粒、粉之间形成焦炭网络,使整块阳极成为具有一定机械强度和一系列物理性能的工程结构的焦炭整体——熟阳极。

焙烧炉的装料箱端壁是由实心耐火砖砌成,侧壁是由空心耐火砖火道所组成。燃烧在火道内进行,并通过耐火砖墙将热量传递给临近料箱内的阳极。阳极在焙烧中产生的挥发成分被吸入火道内一同进行燃烧。炉面设备(包括燃烧装置、排气管、测温测压架、零压架、鼓风架、冷却架)都是可以移动的,这样可使火焰系统沿炉子纵向(即气流方向)移动。这种环式炉的焙烧由两个不同的传热带所组成:1.预热和加热炉室,在此处将阳极温度提高到设计规定的焙烧温度;2.冷却室,阳极在此冷却后从料箱中卸出。

敞开式阳极焙烧炉如同一个大量气体流动的热交换器。气流进入系统时是室温,出来时则在200℃～400℃。从进入到出来的过程中,气体从刚焙烧完毕的阳极冷却以及炉子的不同热源吸收热量。在燃料燃烧处,气流(助燃空气)被加热到1000℃～1100℃,而燃烧后又把热量释放给正处于焙烧过程的生阳极。

敞开式阳极焙烧炉的运行示意图如下

:

图　敞开式阳极焙烧炉运行示意图

3　新型敞开式阳极焙烧炉技术节能分

析

3.1　能源构成和应用

谈到节能,首先要从能源方面着手。

敞开式阳极焙烧炉的能源由热源和蓄热体组

成。热源主要包括:引入焙烧炉的燃料、在火道内燃烧的大部分沥青挥发成分及填充焦的烧损。

阳极焙烧炉炉体热平衡显示,进入焙烧炉的可利用热能的约56%是由燃料提供的,由沥青挥发成分提供的热能约占38%,另有6%的热能来自填充焦的烧损。

(a )燃料对能耗的影响

提到焙烧能耗很容易让人联想到燃料问题。在国内,敞开式阳极焙烧炉基本上使用三种燃料:重油、天然气、发生炉煤气。90年代中期以前所建的敞开式阳极焙烧炉多采用发生炉煤气作燃料。90年代后期则多采用重油或天然气作燃料。贵州铝厂三期焙烧炉采用重油作燃料。

在其它条件不变的情况下,我们以重油为基准进行换算。两类燃料之间的换算关系与燃料的热值、燃烧效率、燃料的热量利用率、燃料及燃烧所需空气量是否预热等条件有关。

不同类别、不同发热量的两类燃料,其消耗量之间的换算关系如下式:

B 2B 1=(Q d +q w )1 y 1

(Q d +q w )2 y 2

(1)

式中　B 1、B 2—燃料1及燃料2的消耗量

N m 3(kg )/h;

q w —单位燃料及单位空气量预热后带入的物理热,q w =c r t r +c k t k L a KJ/Nm 3

(kg );

L a —实际空气消耗量,L a = L 0　Nm 3

/

Nm 3(kg );

对于煤气Q d =5230～5650KJ /Nm 3kg 时,L 0=

0.2

1000Q

d ;对于天然气Q d =34500～41870KJ/Nm 3

(kg )时,L 0=0.2641000

Q d +0.02;

对于液体燃料Q d =37680～41870KJ/

Nm 3(kg )时,L 0=0.2

1000Q d +2;

y1, y2—燃料1及燃料2的热量利用率,

y =Q d +q w -(Q y +Q hj )

Q d

Q y -离炉烟气带走的热量,Q y =V a c y t y KJ /

Nm 3(kg );

V a -燃料的单位燃烧生成气量Nm 3/

Nm 3(kg );

对于煤气Q d =5230～5650KJ /N m 3(kg )时,

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46?炭 素

2002年

V a= L0+0.98-0.03 1000Q d

;

对于天然气Q d=34500～41870KJ/Nm3(kg)

时,V a= L0+0.38-0.018 1000

Q d;

对于液体燃料Q d=37680～41870KJ/

Nm3(kg)时,V a=0.27

1000Q d+ -1)L0;

c y-离炉烟气的比热容KJ/Nm3℃或

KJ/(kg)℃;

Q h j-单位燃料的化学及机械不完全燃烧热损失;

对于煤气,天然气:Q hj=(0～0.01)Q d;

对于燃料油:Q hj=(0.01～0.03)Q d;

通过计算,各种燃料的比较见下表(以重油消耗量1kg/h)计。

表

燃料名称低位发

热值

空气预热

温度

单位燃料生成气量V a

Nm3/Nm3(kg)

离炉烟气为

350℃时

的Q y值

离炉烟气为

350℃时

的 y值

物理热

KJ/Nm3(k g)

燃料消耗B

k gNm3

(总热值KJ)

燃料消耗

总热值的

比例关系

100#重油

39774

KJ/(k g)

1000℃11.7346630 1.23516767

1

(39774)

1

天然气

37681

KJ/Nm3

1000℃12.0236794 1.26516789

1.013

(38171)

0.96

发生炉煤气

4234

KJ/Nm3

1000℃ 1.9751116 1.0731426

11.50

(48691)

1.224

注:1.空气系数:煤气、天然气、重油均取 =1.1

2.化学及机械不完全燃料热损失:煤气、天然气Q hj=0;重油Q hj=0.02Q d

根据以上比较得出结论:从技术角度看,敞开式阳极焙烧炉使用天然气是最佳选择,重油次之,但与天然气差别不大,煤气最差。当然各铝厂燃料的具体利用还得考虑当地的燃料资源情况,因地制宜。

(b)在烟道燃烧的大部分沥青挥发成分对能耗的影响

焙烧阳极时,沥青挥发物中的焦油、甲烷和氢的热值都是热能的重要来源。有关的研究资料指出,在焙烧过程中,大约有430大卡/公斤生阳极的热量用于熔融和热解沥青,挥发焦油和生成焦炭聚集体,并将沉积的焦结炭温度提高到最终的焙烧温度。而沥青挥发时可提供的总热量约为675大卡/公斤生阳极[3]。可见,在焙烧过程中,挥发物的发热量比焙烧阳极所需吸收的热量还多245大卡/公斤生阳极。显然这些热量是很重要的。因此,控制合理的升温曲线,使沥青挥发成分在火道内正常燃烧是改善焙烧阳极热能利用率的关键所在。

合理的升温曲线既要满足阳极生产的需要(生产合格的预焙阳极),又要满足焙烧炉运行工艺的要求(使挥发成分在火道内充分燃烧)。合理的升温曲线还表现在其采用较高的排烟温度(200℃～400℃)。虽然较高的排烟温度会增加排烟热损失,但是由于排烟温度较高,当阳极中的沥青挥发成分排出时,火道内的温度已达到了挥发成分的燃烧温度。因而,在有空气的情况下沥青挥发成分将得到充分的燃烧。

新型阳极焙烧炉采用的升温曲线为168h(即每28h火焰移动一个炉室,六个炉室预、加热),与以往的升温曲线192h～216h(即每32h～36h火焰移动一个炉室,六个炉室预、加热)相比较,减少加热时间24h～48h。即在其它情况不变的状况下炉子产能将提高14%～29%。

沥青挥发成分的充分燃烧除了提高焙烧阳极热能利用率、降低能耗外,极大地减轻了废烟气对环境的污染。

3.2　蓄热体对能耗的影响

系统中的任何物料组成部分,如果其起始温度低于其终温,就会起到蓄热体的作用。因此,流过不同炉室的烟气,耐火砖砌成的烟道壁,隔热的基础、料箱,填充焦,阳极等都可被视为蓄热体。

所谓“终温”,可以认为是某一指定炉室不再与炉子装置有任何联系,并开始单独冷却下来(自然或强制冷却)的瞬时温度。

为了能将热量充分传递给阳极,贵州铝厂三期焙烧炉在减少蓄热体的数量和利用蓄热体将热量尽量回收利用方面作出了相当大的改进。

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第4期彭　勇　贵州铝厂新型阳极焙烧炉节能探讨

(a)采用大料箱大量选择轻质耐火材料砌筑炉体及轻型连通烟道

贵州铝厂三期焙烧炉所采用的料箱尺寸为:5 246×703×5360(长×宽×高)。每个料箱竖装阳极炭块3层,每层7块,每个料箱装阳极炭块为21块。阳极炭块尺寸为:1450×660×546,重约734kg焙烧阳极。某厂焙烧炉料箱尺寸为:3320×810×4 430(长×宽×高)。每个料箱卧装阳极炭块6层,每层2块,每个料箱装阳极炭块为12块。其阳极炭块尺寸、重量与贵州铝厂相同。然而与之相比,贵州铝厂三期焙烧炉每焙烧一块阳极炭块约少用0.05m3填充焦炭/块焙烧阳极。单位炉底生产强度也由57.6kg/m2,提高到85.1kg/m2。从而,提高了产能,减少了蓄热损失及散热损失。

由于大量选择轻质耐火材料取代重质耐火材料砌筑侧墙及炉底。使炉体耐火材料重量大大减少。相应炉体蓄热损失及散热损失都得以减少。

以往设计的连通烟道多采用大量重质耐火材料砌成,结构复杂,蓄热损失大,贵州铝厂三期焙烧炉则采用钢管式连通烟道内衬耐高温的轻质耐火材料,其热惰性小,蓄热损失小,保温隔热效果好。

选择高质量的耐火材料,确保了炉体长期、稳定、安全、高效的生产。

由于以上几个方面的改进,使焙烧单位产品所占用耐火材料量减少,以往需0.1667吨/块焙烧阳极(火焰周期36h);现仅需0.112吨/块焙烧阳极(火焰周期28h)。一方面,节省了基建投资费用;另一方面减少了不必要的燃料消耗量来加热这部分耐火材料。

(b)回收阳极蓄热

当阳极炭块经过加热炉室后,焙烧过程便已完成。这时需要将阳极炭块冷却并取出。从炉子冷却炉室鼓入的冷空气可回收这部分蓄热。这样既冷却了焙烧阳极炭块,又预热了用于助燃的空气。从烟道、耐火材料、阳极炭块和填充焦炭中回收大量的热量,使燃烧空气在与燃料接触之前能被加热到1000℃～1100℃。当然,从炉子冷却炉室鼓入的冷空气量是受到控制的。过大的空气鼓入量将使预热空气达不到1000℃。在保证加热炉室焙烧温度的前提下,就需要更多的燃料量。过小的空气鼓入量将使阳极炭块冷却减慢,热量回收减少,燃烧不完全,也需要更多的燃料燃烧来补充加热炉室热量,以保证加热炉室所需的温度。3.3　独特的脉冲式燃烧方式

新型阳极焙烧炉加热炉室上的燃烧装置,采用了脉冲式的燃烧方式,重油通过由电磁阀控制的燃烧器喷嘴,呈线状、脉冲喷射进入火道。由于重油喷射进入火道未雾化,所以重油能在沿火道5米多深的高度方向形成长火焰。从而使加热炉室火道及料箱上下温差能被控制在一个很小的范围。炉室上下温差减小,不但提高阳极炭块的质量,而且为缩短焙烧火焰周期提供了可能。

3.4　合理的炉体结构设计

合理的炉体设计主要体现在以下几点:

(a)火道的设计:新型阳极焙烧炉的火道采用“W”型,火道长约5.4米。火道内巧妙地利用拉砖对气流进行再分配。使火道内气流均匀,避免了火道局部过热或过冷的情况。火道内前后、上下的温差较小。

(b)炉体密封的设计:炉体设计中,采用了多种形式的密封处理,从而在很大程度上减少了冷空气的渗入,保证了理想的燃烧状况。

(c)合理的膨胀缝设计:在炉体的不同部分,采用合理的膨胀缝设计,既使得炉体能在不同温度下自由膨胀,又确保炉体的正常运转。

3.5　优良的操作和控制系统

改进炉子效率的主要特征之一是操作的稳定性。简而言之,就是使烟道的阻力和温度分布的差异保持在很窄的范围内。此次引进的焙烧炉控制系统采用自动控制,使焙烧炉操作及运行排除了人为因素的影响,完全按照设计制定的升温曲线进行,从而达到理想的节能效果。

4　结论

概括起来,贵州铝厂三期焙烧炉合理利用热源,有效回收蓄热,运用了先进的控制系统和丰富的操作实践经验使阳极焙烧炉的焙烧特性得到显著改善,热效率得到显著提高。

参考文献:

[1]　王秉铨.工业炉设计手册[N].北京:机械工

业出版社,1996.8.

[2]　谢有赞.炭石墨热工设备及原理(一、二、三)

[M].湖南大学炭素教研室.1987.7.

[3]　B.J.Racunas.OA Anode Baking Frnace

T herm al Balance”,《AIME Lig ht M etals》

[J].1980.

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