阳极焙烧炉的热平衡

新式焙烧炉 到了20世纪末炉子的设计得到了改进 世纪末炉子的设计得到了改进， 到了 世纪末炉子的设计得到了改进，例如脉 冲式的火焰工艺， 冲式的火焰工艺，火焰区与预热区均采用更先 进的控制系统等等， 进的控制系统等等，由于料箱内部温度具有更 高的均匀性，烟道的峰值（最高） 高的均匀性，烟道的峰值（最高）温度由原来 的1300℃降低到 ℃降低到1200℃。由于峰值温度的进一 ℃ 步降低， 步降低，使得焙烧炉炉体耐火材料的使用量大 大减少，因而冷却区的热储存量也大为减少， 大减少，因而冷却区的热储存量也大为减少， 见图5（ 冷却区蓄热5150MJ/t，而图 是 见图 （图4冷却区蓄热 冷却区蓄热 ，而图5是 4200MJ/t），最终燃料消耗降低到 ），最终燃料消耗降低到 ），最终燃料消耗降低到2400MJ/t[2]。 。
阳极焙烧炉的热平衡 和零燃料焙烧概念
温室气体的现状 作为原铝的冶炼厂来讲，阳极是产生最大二氧化碳的 来源，为了消除原铝生产的CO2，一直在努力开发惰性或不 消耗阳极，但是至今没有突破性的进展。当然利用炭来生产原 铝对环境而言，的确是一种不好的工艺方法。然而，世界上至 今大多数发电站仍然是使用矿物燃料，而在这些使用矿物燃料 的发电厂其炭燃烧的利用率仍然低于50%，可是炭阳极中的炭 在电解铝的过程中，其化学的使用效率可以达到60%。 假如，炼铝技术不用炭作阳极，那么必然要用它做其 他的能源燃料，那么试问还有什么样的工业能有如此高的利用 率呢？最终的结论就是，除非使用不消耗阳极，到现在为止， 在炼铝生产方法方面，就减少排放温室气体而言，还找不到一 种能比现行电解法好的技术。现行的阳极焙烧技术包括焙烧阳 极燃料的最有效利用等等，而且还要考虑热能回收的潜力。
沥青全部被烧尽的技术 最近几年焙烧炉技术又有较大的改进，主要 是开发了沥青全部被烧尽的技术[3]，由于沥 青可燃烧部分的全部利用，燃料的消耗量奇 迹般的又降到1800MJ/t，如图6。然而我们从 图6中还能发现仍然有很大一部分热量没有被 利用。特别是从冷却区吹入到炉室的一部分 废热由于没有利用，对于气候炎热的国家， 这些废热使空气变得闷热，让人烦恼。
这个设计概念对阳极生产工艺没有任何影响，所需投资有限。当然， 这个设计概念对阳极生产工艺没有任何影响，所需投资有限。当然，从热 交换器出来的热空气还也可以加热干的焦碳，对于气候较冷的地区，还可以用于采 交换器出来的热空气还也可以加热干的焦碳，对于气候较冷的地区， 暖。
总热能回收的概念设计 如果热电站就在铝厂或阳极焙烧的附近， 如果热电站就在铝厂或阳极焙烧的附近，那么就可以实 施热能全部回收和利用的第二步骤。 施热能全部回收和利用的第二步骤。每个热电站供应的热水 都是为了用于产生蒸汽来驱动叶轮的， 都是为了用于产生蒸汽来驱动叶轮的，而且需要的水量是相 当大的，但是一般工厂使用的水温都比较低， 当大的，但是一般工厂使用的水温都比较低，如果将焙烧炉 的预热用于加热冷水，则可以降低电站的能耗。从图10可以 的预热用于加热冷水，则可以降低电站的能耗。从图 可以 看出， 热空气先进入第一个热交换， 看出，1200MJ/t热空气先进入第一个热交换，将其中的 热空气先进入第一个热交换 200MJ/t热量用于加热生阳极工厂的导热油，而另一部分约 热量用于加热生阳极工厂的导热油， 热量用于加热生阳极工厂的导热油 1000MJ/t则进入第二个热交换器用于加热冷水，为电站提供 则进入第二个热交换器用于加热冷水， 则进入第二个热交换器用于加热冷水 热水。这样最终冷却后的烟气进入烟气净化站， 热水。这样最终冷却后的烟气进入烟气净化站，其温度大约 能量， 为130℃。对于热电站和生阳极厂来讲分别节省 ℃ 对于热电站和生阳极厂来讲分别节省11%能量，相 能量 当于回收了约1900ML/t.能源，回收的热能比焙烧炉作为燃料 能源， 当于回收了约 能源 所消耗的能量还多， 所消耗的能量还多，这就意味着焙烧过程包括热损失在内能 量事实上只用沥青作燃料就可以了， 量事实上只用沥青作燃料就可以了，所以可以认为焙烧炉是 燃料的条件下运行。 在0燃料的条件下运行。 燃料的条件下运行
假如阳极糊生产工艺没有变化的话，它需要更高的烟气温度， 假如阳极糊生产工艺没有变化的话，它需要更高的烟气温度，正像 中所示的那样， 图5中所示的那样，环式焙烧炉从冷却区回收了一些热能，而有少量的热能 中所示的那样 环式焙烧炉从冷却区回收了一些热能， 损失掉了，主要是焙烧炉通过辐射、对流将热能损失掉， 损失掉了，主要是焙烧炉通过辐射、对流将热能损失掉，同时也包括热空 气的泄漏以及有一部分剩余的热量保留在阳极、填充料和炉体中等原因， 气的泄漏以及有一部分剩余的热量保留在阳极、填充料和炉体中等原因， 从热平衡图看，大约有1200MJ/t热量吹入焙烧炉炉室。 热量吹入焙烧炉炉室。 从热平衡图看，大约有 热量吹入焙烧炉炉室 为了创建一个能量的连接， 为了创建一个能量的连接，收集焙烧炉冷却区的废热用于加热阳极 糊的导热油，由导热油向预热螺旋、混捏机提供热源。 糊的导热油，由导热油向预热螺旋、混捏机提供热源。一个可靠的回收工 艺之一是，先将设置在冷却区的两个鼓风架之一更换为排烟机架， 艺之一是，先将设置在冷却区的两个鼓风架之一更换为排烟机架，这样设 备台数和投资都不用增加，运行实例见图8。 备台数和投资都不用增加，运行实例见图 。 此外， 此外，就是将设在烟道管旁边的第二个热空气管道用于收集所有从 冷却区出来的热空气，并将其直接送到热交换器， 冷却区出来的热空气，并将其直接送到热交换器，将这个热气体作为生阳 极广场的热源（ ）。因为从冷却区出来的热空气没有腐蚀性或酸性 极广场的热源（图9）。因为从冷却区出来的热空气没有腐蚀性或酸性，所 ）。因为从冷却区出来的热空气没有腐蚀性或酸性， 以热交换器用不着设防腐措施。因为从冷却区出来的热空气约有400℃，因 以热交换器用不着设防腐措施。因为从冷却区出来的热空气约有 ℃ 很容易达到加热生阳极工场导热油所需的300℃要求。 此，很容易达到加热生阳极工场导热油所需的 ℃要求。
今天，水平火焰环式焙烧炉在热流的项目中， 环式焙烧炉包括在一个火焰区之间两种热交换器的对流： 在第一个热交换的过程中冷空气是被吹进到冷却区的， 因此，冷空气被热的阳极炭块、炉体和填充焦加热；然 后加热的空气进入到火焰或燃烧区作为助燃的预热空气， 此时变为烟道气体，进一步向下流动并将其绝大部分热 量传递给冷阳极。 图4是20年前典型的阳极焙烧炉的情况。首先我们看到 的是沥青没有得到燃烧或只有少量烧掉，因此，那时的 燃料消耗高达3300MJ/t阳极产品，而且有大量的废热 （1900MJ/t）从冷却区吹入炉室，炉子的热平衡有炉子 的其他各种热损失构成。
阳极焙烧的热平衡 正如图1所示，阳极焙烧实际上是一个很高的放热生 产过程。加入到阳极生产过程中的沥青，其能量要比阳 极焙烧所需要的能量多得多[1]。理论上讲，阳极焙烧所 需要的能量少于350MJ/吨。大部分储存的热量是为了 让阳极停留在炉内达到1100℃的温度，而且实际上是将 热量用于加热焙烧炉本体和填充焦，正像图2所示，有 4200MJ/t储存在阳极+耐火材料+填充焦中。当然不是 所有的热量都能回收，因为至少说出炉的阳极是200℃， 它将带走一部分热量，如图3所示，虽然阳极出炉了， 但还有热量残留在耐火材料和填充焦中。
热的回收与利用 很显然，焙烧炉仍有大量的预热没有得到有效的利用，因此， 现在提出两个问题，一个是如何从炉子里将这些热量提取出来， 第二个是用在什么地方？对于用到那里的问题的答案是：生阳 极制造中，焦碳加热到150℃，大约需要200MJ/t的热量（包括 设备的加热）。关于如何使用的问题，我们可以从简单的的焙 烧过程图可以看出（包括图7的烟气处理站）看出，有两个主 要热源可以利用，一个是烟道气体，另一个是冷却区的废热。 对于使用烟道的余热早年[4]就有人提出过，但是这个概念 很难接受，因为，烟道气体的温度相当低，所以要想使用这种 热量，阳极制造工厂需要进行很多方面的改造。所以现在使用 的热源是将烟气处理站（FTD）的冷却塔取消掉，以便使用更 高温度的烟气。