阳极焙烧炉节能降耗几个技术问题研讨

阳极焙烧炉节能降耗几个技术问题研讨
罗英涛， 王平甫
（中铝郑州研究院， 河南 郑州 450041）
中 图 分 类 号 ：TQ127.1+1；TF806.1
文 献 标 识 码 ：B
DOI: 10.14078/ki.1001-3741.2016.02.015
文 章 编 号 ：1001-3741(2016)02-61-06
（4）火道温度或者料箱温度 长 5~6 m、深 5~6 m 的火道，上、下游端以及上 中下位置高度不同，温度有一定差异，其中上下游 一般相差 50~100 ℃，在不特别说明的时候，火道温 度指从某一火井（每个料箱的两侧两个火道，每个 火道各有火道孔 3~6 个） 测量的烟气温度 （当有 4 个火井时一般测量第 2 或第 3 火井）。 为了对不同 的焙烧炉进行比较，严谨说，一般应指明是哪一个 火井以及上、中、下高度的温度。 因为同一火井的上 部与中部（深 度可达 6 m 左 右 ）有 时 相 差 约 50 ℃。 通常阳极焙烧炉操作中对以下 4 个点的温度实行 测量控制：1）在连接排烟架的 1P 室的下游孔（称为 1 或 4 孔）测烟气温度为 T4，该点为低温控制点；在 4P 室的 3 或 4 孔测温为 T3；在 5P 室的 3 或 4 孔测 温为 T2；在 6P 室的 3 或 4 孔 测 温 为 T1，以 上 3 点
作 者 简 介 ：罗 英 涛 （1968- ）， 男 ， 教 授 级 高 工 ， 从 事 炭 素 和 电 解 铝的科技研发技术服务工作。 收 稿 日 期 ：2015-07-25
炭块的料箱和几百个宽 500 mm 左右、深 6 m 左右、 长 6~10 m 并带有火焰导流和挡墙的火道。 焙烧炉 使用中， 在焙烧每批产品需要连续高温操作 20 多 天的一个周期内，每个料箱和火道都要连续经受炭 块装炉、火道高温烟气预热、火道高温烟气连续加 热、炭块高温焙烧；低温冷却和炭块出炉等严峻考 验。 在这个过程中，焙烧炉内的每个料箱和火道以 及数千个炭块经受内外部相互交合的复杂变化，其 中包括温度和热场变化、物理化学变化、物流场和 压力变化等。 焙烧炉操作运行是多工种连续作业， 不同人员和不同班次控制水平会有差异。 设备庞杂 和控制难度大等造成焙烧工序成为除原料之外影 响产品质量和能耗以及成本的最大因素。 焙烧炉能 耗高低和焙烧炉使用寿命差别很大，焙烧炉产品质 量差别也很大。 目前对许多内在的规律仍缺少深入 系统的研究讨论。 焙烧炉在使用过程中某些部位某 些时间发生异常现象和问题， 有的似乎 “无法解 释 ”，有 的 似 乎 已 经 司 空 见 惯 ， 有 的 想 深 入 研 究 ， 可 是涉及温度场、物流场、各种材料性能变化数据；气 流、压力、内在和外部的影响因素比较多，数据测试 不全，很难定量下结论。 有的虽然对焙烧炉焙烧过 程进行了比较完整的热场等测试，一次连续测试 20 多天，取得各种数据超过一万个，绘制的曲线图上 百个，但是对测试数据深入消化，前后左右以及上 下游对照又涉及到很多未知数。 所以对于焙烧过程 中出现的一些异常现象和问题，全方位深入系统研 究和讨论很少。 这往往涉及炭阳极生产工艺、设备、 管理和多专业的一些深层衔接问题。 弄清这些现象 和问题对于进一步改进工艺，降低焙烧能耗和进一 步提高焙烧品质量以及延长焙烧炉寿命等是极为 重要的。
1 铝用阳极焙烧炉所用术语界定和相关技术 条件范围研讨
为了准确地对焙烧工艺进行技术讨论和比较， 笔者将目前缺少统一严格界定的阳极焙烧炉相关 技术操作常用技术术语予以界定讨论， 以免混乱， 并讨论相应的技术条件范围。
（1）焙烧炉初始状态参数 这是在铝用炭素技术界第一次提出焙烧炉的 “初始状态参数”概念。 将装好制品的焙烧炉炉室的 火道与焙烧炉总烟道连接， 该炉室进入焙烧系统开 始运转前的状况— ——火道、 料箱和制品进入系统的 初始温度状态等状态参数， 火道升温时间以零时记 录。 测量和记录炭块、填充料、火道和料箱的初始温 度状态等参数对于不同火道的焙烧曲线调整具有很 大意义。 主要包括：装炉炭块的原始状态，如有的存 放已久，受雨淋，受冻，有的刚刚成型出来；本次所用 填充料的状态，有的是刚刚使用过的保温料，有的是 新加入的材料，有的可能受潮等；本系统所有料箱和 火道的初始状态，有的比较完好，有的破损变形出现 较大的裂缝， 有的使用含水的耐火泥等材料修补过 等。 严格细致检查记录这些初始状态参数， 建立档 案，并与调温工的操作控制和区别异化管理相结合， 有利于焙烧炉的节能降耗。 （2）焙烧炉（室）排烟温度（烟气温度） 焙烧炉排烟架连接处附近炉室火道的烟气温 度，不经过特别说明，焙烧炉（室）烟道温度指与排 烟架处火道闸门相连的炉室末尾一段火道的温度
1012~1135 1135~1135
升 温 速 度 /℃/h 17 12 10 14 4 4.3 0
第2期
罗英涛，等：阳极焙烧炉节能降耗几个技术问题研讨
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为高温控制点。 表 1 为某厂焙烧炉升温曲线各控温 点温度设定值。 同样，对于料箱温度也应该说明位 置。 从表 1 看出，在低温阶段，火道的温度偏低（这 是几年前测量的）。
2016 年第 2 期 第 35 卷
CARBON TECHNIQUES 炭素技术
2016№2 Vol．35
导语：从本期起，将连载刊登罗英涛高工和王平甫教授近两年在一些企业作的指导诊断和讲学内容。 涉及阳极焙烧炉工艺中 常用的技术术语界定、相应的技术条件范围；对各个炉室在焙烧过程中的技术状况进行了汇总和统计分析；对烟气量和送风区 问题进行探讨。
表 1 某厂焙烧炉各控制点的火道工艺参数设定值
位置 T4（1P 4 孔） T4(1P 4 孔) T4(1P 4 孔) T3(4P 3,4 孔)
T3 T2(5P 3,4 孔) T1(6P 3,4 孔)
运 行 时 间 /h 0~5 5~20
20~28 0~3 3~28 0~28 0~28
温 度 范 围 /℃ 265~350 350~530 530~610 870~912 912~1012
（3）料 箱 与 火 道 的 上 游 端 或 火 道 上 游 端 （简 称 上游或上方）
按照火焰行走方向排序，火焰进入料箱的一端 为上游端，火焰出料箱的一端为下游端。5~6 m 长的 一个料箱或那么长的一条火道，同一个料箱或者同 一条火道， 上下游端温度有很大的差异 (一般 50~ 100 ℃)，在定位定量比较分析时用此术语。
笔者近年来尝试对阳极焙烧炉进行深入调研，
·注意调查了解焙烧过程中出现的一些与能耗、 质量、操作控制以及与炉子寿命相关的一些现象或 问题，并试图分析解释。 在分析研究一些炭素厂对 焙烧炉焙烧阳极整个过程的热场测试 （各种记录， 成千上万的数据，成百的焙烧曲线图）并座谈研讨 时，发现这些未被注意和没有深入研究的现象和问 题值得深入系统研究。 经过很长时间的数据核查， 反复对照和分析研究，认为这些难以解释或者司空 见惯的现象或者问题，涉及到多个专业和工艺设备 与管理的衔接细化问题，可能与焙烧控制正常与否 以及焙烧质量和能耗等重大经济技术指标改进关 系密切。 经过对不同厂不同时间焙烧炉运转的调研 和测试记录分析，并查阅近年来发表的与阳极焙烧 炉和焙烧工艺有关的文献资料等，进行对比研究与 计算,归纳形成此文。 这里抛砖引玉，分期予以粗浅 扼要介绍，希望引起行业专家和管理人员更多的关 注并进行进一步深入测试研究，以利于阳极焙烧炉 节能降耗，优质高产和延长寿命。
据不完全统计，目前国内有各种型号的铝用阳 极炭块焙烧炉 200 多台。 焙烧炉投资占炭阳极厂投 资的一半， 焙 烧能耗 占 炭 阳 极 生 产 能 耗 的 60%以 上。 焙烧炉技术等级和装炉容量不一，大型先进的， 每台焙烧炉 3 个燃烧系统以上， 一个炉室有 10 多 个料箱，每个料箱装炉容量 200 多 t，每台炉年产量 可达 15 万 t 以上；小型的有的年产量才 1~2 万 t。单 位 产 品 天 然 气 能 耗 有 的 在 60 m3 以 下 ， 有 的 超 过 110 m3。 焙烧炉炉室尺寸规格、火道墙结构及厚度和 材质性能差别很大。 焙烧炉破损、火道墙变形和焙 烧炉操作难度以及焙烧炉使用寿命差别很大。 有的 已经 10 年以上还在使用；有的不到六七年，就得大 修；有的采用轮番中小修火道墙及试验采用整体火 道墙新技术和新材料来解决焙烧炉低耗高产和延 长寿命等难题。 近年来焙烧炉自动控制技术、模拟 测试技术、工艺优化技术、节能炉具技术以及焙烧 炉炉体结构和材质等新技术进展很大，每年都有许 多论文和成果发表 。 [1-12] 有的企业还和大专院校结合 开展焙烧炉热场等的模拟测试。 中南大学周萍博士 等 研 究 了 阳 极 焙 烧 试 验 炉 结 构 设 计 和 热 工 分 析 [3]； 华中科技大学陈宁、张立麒等进行了阳极焙烧炉焙 烧 过 程 数 值 模 拟 和 试 验 研 究 ， [2,4-5] 还 有 刘 朝 东 的 阳 极 焙 烧 炉 焙 烧 过 程 三 维 数 值 模 型[7]，及 关 淮 等 的 焙 烧炉火道焦油燃烧状况诊断[12]等。 他们的测试和研 究，有很多创新点，对焙烧炉技术进步有很大促进作 用。 但是，由于焙烧炉十分庞大复杂，每台大型焙烧 炉几乎要用上万吨耐火材料和钢材等建成， 它的长 度近百米，宽度有的超过 50 m，体积几乎有 5 000~ 10 000 m3 那么大，内有几百个可以装 100 多块阳极
由于受炉型等的限制， 高温阶段升温比较慢。 最近几年 T4 孔的温度高点（最高排烟温度）大多比
较高（700 ℃以上）以利于挥发分的燃烧。 （5）焙烧炉低温阶段 指从初始状态开始至焙烧品焙烧到 250~300 ℃ 以前的温度阶段（制品的表面和内部温度在时间上 滞后 20~30 h）。 对于焙烧阳极的焙烧炉，时间在第 20~80 h （不同的焙烧炉和不同的焙烧工艺差别很 大），一般多在第 30~40 h 或者延迟到第 60 h 结束。 一 般 位 于 系 统 的 第 二 炉 室 （2P） 的 下 游 或 中 、 上 游 端 结束。 理想的状态是在 1P 末或 2P 初结束。 此阶段 的火道温度在 265~800 ℃（几年前为 250~610 ℃）。 焙烧炉低温阶段的温度主要受各种初始状态 和 1P 炉室的负压和温度影响，4P 炉室的温度也有一定影 响。 移架前后的 2~3 h 是关键控制时段， 温度控制 范围一般应在 350~700 ℃（移架前 700 ℃，也有 870 ℃的）。 在挥发分析出区以及下游附近火道的温度比 较高，有利于保证挥发分在火道百分之百燃烧。 低温 阶段制品温 度低于 250~300℃（制 品 表 面 温 度 比 较 高），主要是沥青熔化和迁移，所以升温应适当地快。 表 2 是某厂测试的焙烧炉在低、中、高温阶段的 状况。 从表 2 可以看出，该厂焙烧炉由于制品的初始 温度比较高，焙烧曲线低温阶段提前，挥发分集中析 出和燃烧提前，中温阶段的后期（第 64~96 h）火道温 升缓慢。 由于焙烧炉室各个位置的制品、填充料、火 道墙等的初始状态参数差异很大， 如果操作工没有
（焙烧炉的烟道很长， 烟道不同位置温度变化很 大）。 该温度与排烟架和装好制品的炉室最初的连 接时间有关。 比如连接初始(该炉室制品刚刚进入焙 烧 系 统 ，为 系 统 的 第 一 炉 室 ), 排 烟 温 度 低 ； 而 经 过 二 十几个小时运转，与排烟架连接末尾的炉室，即拆 架前一刻,排烟温度最高(该炉室在拆架后将成为系 统 的 第 二 个 炉 室 ),同 一 位 置 不 同 时 间 测 量 ,排 烟 温 度 波动 100~300 ℃。 所以最好说明排烟温度测量在移 架前后的时间,以便比较分析。 近几年来，阳极焙烧 炉的排烟温度有一定提高， 一般为 250~800 ℃（拆 后接入新炉室大约 250 ℃以上，拆前大约 700 ℃以 上）。 各个火道的烟气进入总烟道后汇合，与排烟架 相连的总烟道的烟气温度是各个系统火道烟气温 度的加权平均值— ——即总烟道温度。 总烟道很长， 不同位置的温度有一定差异。