降低炭素企業(yè)陽(yáng)極焙燒天然氣消耗的生產(chǎn)實(shí)踐

張玉平

(中國(guó)鋁業(yè)青海分公司， 青海 大通 810100)

0 前言

鋁用炭陽(yáng)極焙燒是生坯在填充料保護(hù)下通過(guò)高溫焙燒使煤瀝青中的有機(jī)質(zhì)碳化揮發(fā)的工藝過(guò)程，是生產(chǎn)炭陽(yáng)極最重要的熱處理工序[1]?，F(xiàn)在炭陽(yáng)極生產(chǎn)企業(yè)大多采用敞開環(huán)式焙燒爐，以天然氣為外部燃料。在加熱系統(tǒng)中，只需向處于高溫階段的2～4個(gè)焙燒爐室噴入燃料，使其燃燒，后面的幾個(gè)爐室可利用高溫爐室排出的高溫?zé)煔饧訜?，最后?～3個(gè)加熱爐室依靠排煙架與煙道之間的連通將廢氣排出。煙道與排煙架相連通，排煙風(fēng)機(jī)產(chǎn)生抽力，使最后的加熱爐室保持一定的負(fù)壓，前面的高溫爐室也保持輕微的負(fù)壓。

焙燒溫度是決定焙燒產(chǎn)品質(zhì)量好壞的因素之一，通常在陽(yáng)極焙燒過(guò)程中以火道內(nèi)的燃燒溫度為基準(zhǔn)制定焙燒升溫曲線。所謂燃燒溫度，是指燃料燃燒時(shí)的氣態(tài)產(chǎn)物即火道內(nèi)煙氣所能達(dá)到的溫度。煙氣溫度越高，煙氣熱量越大[2]。焙燒爐火道內(nèi)的熱量主要來(lái)自外部補(bǔ)充的天然氣以及炭陽(yáng)極自身排出的揮發(fā)分與空氣燃燒時(shí)放出的熱量。炭陽(yáng)極生產(chǎn)企業(yè)一直以來(lái)在焙燒質(zhì)量和燃料消耗之間尋找最佳平衡點(diǎn)，既要保證焙燒質(zhì)量，滿足用戶需求；又要節(jié)約天然氣，降低生產(chǎn)成本。通過(guò)分析焙燒天然消耗的影響因素(設(shè)備和工藝)，在生產(chǎn)中不斷實(shí)踐，科學(xué)地維護(hù)焙燒爐，并不斷創(chuàng)新工藝控制方法，尋找其他外部能源，某企業(yè)最終在保證焙燒質(zhì)量的前提下找到了降低天然氣消耗的途徑。

1 影響焙燒爐天然氣消耗的主要因素

1.1 焙燒爐破損的影響

由于炭陽(yáng)極焙燒爐長(zhǎng)期循環(huán)運(yùn)行升溫和降溫過(guò)程，爐子會(huì)出現(xiàn)破損現(xiàn)象。爐子破損后將影響升溫效果，為了彌補(bǔ)爐子破損造成的熱損失，一般情況下企業(yè)會(huì)補(bǔ)充更多天然氣，這是天然氣消耗加大的一個(gè)重要原因。焙燒爐破損體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1.1 焙燒爐火井破損

燃燒系統(tǒng)焙燒爐火井內(nèi)最高溫度可達(dá)1 200 ℃。火井既連接著焙燒爐排煙架、鼓風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)，同時(shí)作為焙燒爐火焰系統(tǒng)中煙氣流動(dòng)的主要通道，還要承受高溫?zé)煔獾臎_刷。如果火井砌體發(fā)生變形，會(huì)影響煙氣的流通，使助燃空氣無(wú)法進(jìn)入燃燒室，導(dǎo)致火井內(nèi)的燃料不能充分燃燒，熱效率降低。

火井口設(shè)計(jì)包含火井插板、插板磚、火井蓋板等組件，如圖1所示。在焙燒過(guò)程中，火井口組件經(jīng)常被打開和關(guān)閉，并且來(lái)回移動(dòng)，容易損壞?；鹁诮M件一旦出現(xiàn)裂縫等破損現(xiàn)象，外界冷空氣就會(huì)過(guò)多地進(jìn)入焙燒爐火道內(nèi)，從而造成火道溫度降低，致使焙燒所用天然氣消耗增加。

圖1 火井口組件示意圖

1.1.2 焙燒爐爐墻破損

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，焙燒爐爐墻會(huì)出現(xiàn)彎曲變形、裂縫、內(nèi)凹外鼓等現(xiàn)象，如圖2所示。爐墻破損會(huì)導(dǎo)致負(fù)壓泄漏，使煙氣流動(dòng)時(shí)火道爐墻的受熱面積減少，影響火道的升溫。如果火道墻爐頂板處的蓋板磚出現(xiàn)裂縫，會(huì)導(dǎo)致填充料內(nèi)漏進(jìn)入火道內(nèi)，且使冷風(fēng)吸入火道內(nèi)，影響火道升溫。

圖2 焙燒爐爐墻變形

焙燒爐保溫墻密封蓋板密封材料的老化破損會(huì)導(dǎo)致密封效果變差，使冷風(fēng)在負(fù)壓的作用下進(jìn)入邊火道，從而導(dǎo)致升溫困難，消耗大量天然氣。另外，如果焙燒爐火道墻的燃燒孔蓋、觀火孔蓋破損，也會(huì)造成密封效果變差，導(dǎo)致冷風(fēng)吸入火道影響升溫。

1.2 燃燒控制系統(tǒng)的影響

某企業(yè)安裝的是8料箱9火道的焙燒爐。原設(shè)計(jì)的火焰系統(tǒng)由3臺(tái)燃燒架、1臺(tái)排煙架、1臺(tái)測(cè)溫測(cè)壓架、1臺(tái)零壓架、1臺(tái)鼓風(fēng)架及2臺(tái)冷卻架組成。燃燒架用于向火道內(nèi)噴射天然氣并控制加熱區(qū)的火道溫度。燃燒架裝有18個(gè)用于調(diào)節(jié)天然氣流量的調(diào)節(jié)閥及天然氣噴嘴。 它們分布在燃燒架的兩側(cè)，每條火道兩側(cè)各1個(gè)，可以向同一條火道的上游和下游噴射燃料。燃料調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整天然氣流量的大小。由于天然氣通過(guò)燃燒器噴嘴噴入火道內(nèi)，若噴嘴選擇不當(dāng)，天然氣燃燒時(shí)的火焰較短，噴射無(wú)力，就容易造成火道上下溫差過(guò)大。為了彌補(bǔ)溫差，操作人員一般會(huì)選擇加大天然氣流量，從而導(dǎo)致火道局部溫度過(guò)高，造成天然氣浪費(fèi)。

1.3 工藝控制的影響

1.3.1 移爐時(shí)間的影響

陽(yáng)極焙燒過(guò)程中，火焰系統(tǒng)一般每隔28～36 h向下一爐室推進(jìn)。當(dāng)燃燒架移動(dòng)到某個(gè)爐室時(shí)，燃料與空氣混合后在此爐室的火道內(nèi)燃燒，使該爐室達(dá)到最高溫度，燃燒后的煙氣由排煙架經(jīng)過(guò)一系列預(yù)熱爐室，最后從環(huán)形煙道排出。待陽(yáng)極焙燒到最高溫度后，將燃燒架移動(dòng)到下一個(gè)預(yù)熱好的爐室，相應(yīng)的排煙架、測(cè)溫測(cè)壓架、零壓架、鼓風(fēng)架、冷卻架都要移動(dòng)。在移動(dòng)的過(guò)程中會(huì)切斷控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電源，并停止天然氣噴射，等移爐完成后再送電、點(diǎn)火，重新開始升溫焙燒。在這期間，溫度損失大，為了達(dá)到焙燒升溫曲線設(shè)定的目標(biāo)溫度，需要加大天然氣流量，由此造成天然氣消耗增加。

1.3.2 焙燒升溫曲線的選擇

陽(yáng)極焙燒升溫曲線中的焙燒溫度隨時(shí)間的變化而變化。焙燒升溫曲線的制定主要兼顧3個(gè)參數(shù)，即升溫速率、最高溫度和高溫保溫時(shí)間。由于焙燒升溫曲線直接影響陽(yáng)極理化指標(biāo)、焙燒產(chǎn)量和天然氣消耗量，如果一味地追求長(zhǎng)火焰周期，將不利于陽(yáng)極質(zhì)量的均勻穩(wěn)定，且會(huì)消耗大量的天然氣。

1.3.3 填充料的影響

陽(yáng)極焙燒中的填充料是裝爐過(guò)程中覆蓋在生坯周圍的顆粒狀炭素材料，某企業(yè)采用的是煅后石油焦。其作用一是固定生坯形狀，防止生坯在焙燒過(guò)程中變形；二是通過(guò)顆粒狀填充料的間隙順利導(dǎo)出生坯中的瀝青揮發(fā)分，同時(shí)抑制揮發(fā)分劇烈排出；三是傳導(dǎo)熱量，對(duì)生坯進(jìn)行加熱。上述三方面作用的發(fā)揮對(duì)填充料的粒度和鋪設(shè)規(guī)范性有一定的要求，否則以上三方面的作用會(huì)受到限制，不僅影響焙燒升溫，還會(huì)消耗過(guò)多天然氣。

1.4 焙燒爐爐墻結(jié)焦料的影響

焙燒過(guò)程中，陽(yáng)極排出的揮發(fā)分和填充料會(huì)在焙燒爐料箱內(nèi)壁結(jié)焦，而結(jié)焦料會(huì)影響爐子的透氣性和填充料的導(dǎo)熱性能。料箱內(nèi)壁結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)，結(jié)焦料緊貼著陽(yáng)極，影響陽(yáng)極焙燒過(guò)程中揮發(fā)分的順利排出，導(dǎo)致焙燒無(wú)法充分利用揮發(fā)分的燃燒熱，需要依靠天燃?xì)獾脑鲅a(bǔ)，從而導(dǎo)致天然氣用量增加。

2 降低焙燒爐天然氣消耗的途徑

由于焙燒爐天然氣消耗量受焙燒爐運(yùn)行狀態(tài)、燃燒控制系統(tǒng)、工藝控制等各方面的影響，降低消耗是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，需要從各方面綜合考慮。

2.1 科學(xué)合理地維護(hù)焙燒爐

2.1.1 維修與維護(hù)兼顧

由于焙燒爐破損會(huì)增加天然氣使用量，某企業(yè)采取大修同時(shí)兼顧中修、小修的修理方式。以10～12年為一個(gè)大修周期，全部拆除焙燒爐，進(jìn)行一次徹底的修理。同時(shí)在大修周期內(nèi)，對(duì)破損的火道墻選擇性地進(jìn)行中修、小修，這主要由炭素生產(chǎn)企業(yè)自行完成。除了對(duì)焙燒爐進(jìn)行大修和中修、小修外，使用過(guò)程中的維護(hù)保養(yǎng)也很重要。

火道墻插板的作用主要是防止排煙架前面密封爐室火道中的冷風(fēng)倒抽影響運(yùn)轉(zhuǎn)爐室火道負(fù)壓，進(jìn)而影響火道升溫。因此，在密封插板的兩邊加裝耐火針刺呢(圖3)，可以提高插板與橫墻之間的密封性，減少負(fù)壓損失。這種做法不但有利于焙燒爐天然氣單耗的降低，而且對(duì)動(dòng)力電單耗的降低也能起到一定作用。

圖3 改造前后的火道墻插板

2.1.2 研制爐墻清刷機(jī)

某企業(yè)為了降低人工清理結(jié)焦料的勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)制作了一套爐墻清理裝置。經(jīng)過(guò)測(cè)量尺寸、制圖、按照?qǐng)D紙下料、焊接、組裝等工序，制成了爐墻清刷機(jī)，所用材料為鋼板、槽鋼、廢舊鋼絲繩等。有了這種爐墻清理裝置，可以借助多功能天車操作清刷爐室。

通過(guò)定期清理爐壁結(jié)焦料，焙燒爐的透氣性增強(qiáng)，填充料的熱傳導(dǎo)作用也得到更好地發(fā)揮。另外，陽(yáng)極揮發(fā)分也得到充分利用，在火道內(nèi)充分燃燒，補(bǔ)充熱量，從而節(jié)約天然氣消耗量。

2.1.3 耐火噴涂處理焙燒爐爐墻

焙燒爐爐墻一旦出現(xiàn)裂縫，存在漏風(fēng)現(xiàn)象，會(huì)造成焙燒過(guò)程中陽(yáng)極四周受熱不均。為了避免這種情況，在裝爐前對(duì)焙燒爐火道墻做耐火噴涂處理。選用的耐火噴涂材料的成分與同品種耐火澆注料基本相似，其區(qū)別是耐火骨料粒徑更小，且采用噴涂方法施工，利用噴射機(jī)或噴槍進(jìn)行[3]。首先對(duì)爐墻裂縫用耐火泥修補(bǔ)，然后再在耐火磚表面噴涂專用涂料，噴涂料主要由碳化硅、氮化硅、棕剛玉等十余種材料配制而成。將噴涂料加水?dāng)嚢杈鶆?，再把攪拌好的噴涂料裝入噴射機(jī)，然后接通壓縮空氣，將涂料自下而上噴涂在爐室耐火磚上。這種噴涂料具有附著力強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、抗沖刷耐磨、耐急冷急熱等特點(diǎn),可以修復(fù)爐室縫隙。經(jīng)過(guò)噴涂維護(hù)，改善爐況，提升爐室火道的密封性，預(yù)熱爐室火道負(fù)壓提高了近20 Pa，達(dá)到50～60 Pa的理想水平，利于火道升溫，可以節(jié)約天然氣用量。

2.1.4 做好爐面密封

為了防止負(fù)壓泄露，有效利用天然氣和揮發(fā)分，某企業(yè)用耐火材料自制橫墻蓋板、火道墻觀火孔蓋板來(lái)取代原有的金屬蓋板，同時(shí)用耐火纖維布對(duì)觀火孔、蓋板進(jìn)行密封，避免熱損失。

另外，在預(yù)熱爐室的爐面加蓋塑料薄膜，通過(guò)密封使?fàn)t內(nèi)負(fù)壓保持穩(wěn)定，也可降低熱損失，節(jié)約天然氣用量。

2.1.5 定期清理煙道

陽(yáng)極焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥膳艧熂?、煙道排至煙氣凈化設(shè)施，經(jīng)過(guò)凈化后通過(guò)煙囪排空。而在凈化前，煙氣經(jīng)過(guò)的環(huán)形煙道、水平煙道及凈化設(shè)施內(nèi)積存一定的煙灰和焦油，煙氣流通受到阻礙，影響焙燒爐負(fù)壓的保持，導(dǎo)致升溫困難。為了解決這一問(wèn)題，每3個(gè)月對(duì)煙道內(nèi)的煙灰、焦油進(jìn)行清理，保證煙氣流動(dòng)順暢，負(fù)壓滿足生產(chǎn)需求；同時(shí)在清理煙道過(guò)程中改進(jìn)凈化設(shè)施，拆除距離電捕凈化冷卻塔頂部大約30 m高的煙氣分流板，解決了煙灰和焦油在分流板堆積從而影響負(fù)壓的難題。

2.2 選擇合適的燃燒器噴嘴

某企業(yè)原燃燒器的噴嘴較長(zhǎng)，這種設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是當(dāng)燃燒器保護(hù)管和噴嘴發(fā)生燒損時(shí)，整體下移就可繼續(xù)使用，進(jìn)而延長(zhǎng)噴嘴的使用壽命，降低維修費(fèi)用。但燃燒器的噴嘴越長(zhǎng)，燃?xì)饣鹧娴膰娚淞Χ染驮饺?，?dǎo)致火焰噴射長(zhǎng)度縮短，影響料箱底層炭塊揮發(fā)分的及時(shí)排除。在這種情況下，為了達(dá)到焙燒溫度，需要燃燒大量的天然氣來(lái)升溫，增加了天然氣的單耗。針對(duì)此問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)燃燒器，縮短噴嘴，延長(zhǎng)噴管，如圖4(b)所示。改造后的噴嘴投入使用后，火道上下溫差變小，揮發(fā)分的燃燒熱得到有效利用，顯著降低了天然氣的單耗。

圖4 改造前后的燃燒器噴嘴

2.3 創(chuàng)新工藝控制方法

2.3.1 采用不間斷負(fù)壓移爐法

在焙燒過(guò)程中，移爐造成的熱損失須靠天然氣的燃燒熱來(lái)補(bǔ)充。某企業(yè)為了降低移爐過(guò)程中的熱損失，創(chuàng)新移爐方法，采用不間斷負(fù)壓移爐法，縮短移爐時(shí)間，降低熱損失。不間斷負(fù)壓移爐法是在每個(gè)焙燒工序設(shè)置1臺(tái)備用排煙架，移爐前將備用排煙架提前放置到目標(biāo)爐室，并連接好控制線，然后開啟備用排煙架的蝶閥，關(guān)閉將要移動(dòng)排煙架的蝶閥，并將其吊走以作備用，再迅速蓋好爐蓋。接下來(lái)將已經(jīng)焙燒結(jié)束的高溫爐室的燃燒架停止燃燒并移至預(yù)熱爐室，使其進(jìn)入中溫狀態(tài)，其余兩排燃燒架自動(dòng)進(jìn)入高溫狀態(tài)和次高溫狀態(tài)。最后，將測(cè)溫測(cè)壓架、零壓架、鼓風(fēng)架和冷卻架依次移至下一個(gè)爐室。這種操作方法使移爐時(shí)間由原來(lái)的至少25 min縮減到小于15 min，并且使焙燒爐內(nèi)始終保持有負(fù)壓，降低熱損失，而且移爐作業(yè)完成后焙燒溫度不會(huì)大幅度降低，避免因趕焙燒升溫曲線溫度而消耗大量天然氣。

2.3.2 優(yōu)化裝爐操作流程

焙燒爐內(nèi)高溫?zé)煔獾臎_刷導(dǎo)致火道墻順著煙氣流動(dòng)的方向出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在裝爐過(guò)程中，采用先裝窄料箱后裝寬料箱的方法。這種方法可杜絕爐墻變形進(jìn)一步惡化，具有一定的校正作用。

2.3.3 選擇合適的焙燒升溫曲線

陽(yáng)極焙燒升溫曲線如果制定不合理，不但影響焙燒質(zhì)量、產(chǎn)量，還會(huì)造成高燃料消耗。一般陽(yáng)極焙燒爐采用26 h、28 h、30 h、32 h、36 h升溫曲線[4]。根據(jù)焙燒爐特性和生產(chǎn)組織情況，某企業(yè)的3個(gè)焙燒工序選擇30 h和32 h升溫曲線。這種選擇可以兼顧焙燒質(zhì)量、產(chǎn)量和燃料消耗。

2.3.4 保持合適的填充料粒度

焙燒過(guò)程中，填充料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期循環(huán)使用，其粒級(jí)逐漸變小。當(dāng)填充料中小于0.5 mm的細(xì)粉料占比過(guò)大時(shí)，其熱導(dǎo)率會(huì)降低，即傳遞給陽(yáng)極的熱量減少，陽(yáng)極最終溫度受到影響[5]。為了保證焙燒質(zhì)量，一般情況下炭素企業(yè)會(huì)加大天然氣消耗以達(dá)到目標(biāo)溫度。針對(duì)此問(wèn)題，某企業(yè)自行研制了一種填充料篩分裝置。

一個(gè)焙燒周期結(jié)束后，焙燒陽(yáng)極出爐過(guò)程中由多功能天車吸出的爐內(nèi)填充料應(yīng)單獨(dú)存放，在周轉(zhuǎn)期內(nèi)經(jīng)過(guò)篩分后再進(jìn)入生產(chǎn)線使用。篩下料進(jìn)入到低品質(zhì)炭制品生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)的低品質(zhì)炭制品經(jīng)焙燒、破碎、篩分后再進(jìn)入焙燒生產(chǎn)線用作填充料。這種方法使填充料始終保持合適的粒度，盡可能發(fā)揮填充料保溫、傳熱的作用。

2.3.5 密實(shí)鋪填填充料

在陽(yáng)極生坯裝爐過(guò)程中要鋪填填充料，填充料的鋪填必須密實(shí)。填充料的填充是否密實(shí)除與填充料的形狀、粘附性和流動(dòng)性有關(guān)外，還與填充方法有很大的關(guān)系。為了使填充料的填充更加密實(shí)，將廢舊電機(jī)改裝成填充料振打裝置。在填充料鋪設(shè)過(guò)程中，此裝置的效果非常明顯，可以使填充料密實(shí)填充，減少熱損失，提升焙燒質(zhì)量，有利于降低天然氣用量。

2.4 其他外部燃料的補(bǔ)充

為了降低天然氣消耗量，可采用廢油燃燒補(bǔ)充焙燒爐所需熱量。廢油燃燒裝置制作所需材料基本都是舊物利用。廢油燃燒裝置收集儲(chǔ)備的廢油可以在燃燒區(qū)域使用，此時(shí)爐室燃燒架的兩條火道的天然氣可以停噴，升溫可以通過(guò)廢油燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)。此做法在妥善處置企業(yè)廢油的同時(shí)為陽(yáng)極焙燒降耗開辟了一條切實(shí)可行的途徑，可以推廣使用。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)采用上述優(yōu)化措施，某炭素企業(yè)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，其近幾年天然氣單耗的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，天然氣單耗逐漸下降。但在非正常生產(chǎn)情況下，如焙燒爐大修期間，烘爐沒(méi)有產(chǎn)量只消耗天然氣，整體單耗會(huì)升高，這屬于正?，F(xiàn)象，如圖5中統(tǒng)計(jì)周期的第25次大修天然氣單耗突然升高。

圖5 某企業(yè)近幾年天然氣單耗的變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

影響陽(yáng)極焙燒天然氣單耗的因素有許多，貫穿焙燒的每個(gè)環(huán)節(jié)，而且焙燒質(zhì)量與天然氣消耗息息相關(guān)，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)而言，兩者兼顧才能在保證獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的同時(shí)控制生產(chǎn)成本，取得經(jīng)濟(jì)效益。某企業(yè)通過(guò)設(shè)備維修維護(hù)、優(yōu)化工藝控制、創(chuàng)新結(jié)合實(shí)踐等途徑，在降低焙燒天然氣消耗方面總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也取得了一定的實(shí)效。近幾年，陽(yáng)極焙燒天然氣單耗降低了約10 m3/t，為焙燒塊年產(chǎn)能20萬(wàn)t的炭素企業(yè)創(chuàng)造效益約340萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。