臺(tái)車式炭素焙燒爐的安全設(shè)計(jì)

趙振永，溫祖元

（特諾恩技術(shù)（天津)有限公司，天津 300192）

安全是所有的設(shè)備在設(shè)計(jì)上都必須重視的問(wèn)題，尤其對(duì)于特殊行業(yè)的設(shè)備。

臺(tái)車爐是傳統(tǒng)的周期式加熱物料的爐型，用途廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但不同的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)對(duì)臺(tái)車爐提出不同的要求。用于炭素焙燒的臺(tái)車爐由于所加熱的物料的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上就需做特殊考慮。

炭素焙燒包括細(xì)顆粒特炭產(chǎn)品和普通炭素產(chǎn)品的焙燒，焙燒前的生坯是由焦炭和瀝青混捏成型的，其中瀝青粘結(jié)劑的含量為30%～40%（重量比），瀝青粘結(jié)劑在焙燒過(guò)程中會(huì)釋放出大量揮發(fā)份（大部分揮發(fā)份在350～450℃之間揮發(fā)出來(lái)），失重在45%～55%之間。而揮發(fā)份中含有大量的可燃物（如炭粒）以及多種對(duì)人體有害的物質(zhì)（如苯并芘、苯并蒽、咔唑等多種多環(huán)芳烴類物質(zhì)），因此，在焙燒過(guò)程中，整個(gè)爐膛處于易爆且有毒氣體的環(huán)境中，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)保證爐子的安全運(yùn)行。

瀝青煙氣有毒、易爆，要防止瀝青煙氣泄漏到爐外，同時(shí)也要防止?fàn)t外的冷空氣進(jìn)入爐內(nèi)，那么，爐子就應(yīng)該處于良好的密封狀態(tài)，這就對(duì)爐子的密封性能提出了較高要求。對(duì)于爐子的整體密封而言，主要有兩部分：爐門密封、臺(tái)車周邊與爐體及爐門下部的密封。此外，爐子鋼結(jié)構(gòu)均需采用氣密焊接。由于該種焙燒爐有這種危險(xiǎn)性，通常將這種爐子建在露天，而不是建在廠房?jī)?nèi)。該臺(tái)車式炭素焙燒爐的外觀見圖1。

圖1 臺(tái)車式炭素焙燒爐外觀圖

1 爐門密封

為了保證爐門與爐體之間的良好密封，采取了如下措施：

（1）采用四周通入連續(xù)冷卻水的水冷爐門以及水冷爐門框和過(guò)梁，以避免受熱變形。

（2）在爐門與爐門框之間采用蝌蚪式密封帶作為密封材料，見圖2。

圖2 蝌蚪式密封帶結(jié)構(gòu)示意圖

蝌蚪式密封帶是一個(gè)直徑為50 mm的球附帶一個(gè)長(zhǎng)約40 mm的尾巴，用硅酮密封膠和螺栓將其固定在門框表面。該密封帶材質(zhì)為帶304ss網(wǎng)芯的硅膠涂層玻璃纖維，該密封帶耐溫可達(dá)260℃，具有良好的抗熱沖擊性和優(yōu)良的彈性。固定在爐口上的蝌蚪式密封帶是一整根，中間不能斷開。使用中建議在每次加熱周期后對(duì)蝌蚪帶密封件進(jìn)行檢查，對(duì)翹起部位重新粘貼或更換。

當(dāng)爐門被壓緊在爐門框架上的蝌蚪帶上時(shí)，爐門與爐子就形成了氣密密封。

（3）在爐門兩側(cè)的上、下部位各設(shè)置一個(gè)機(jī)械式壓緊裝置（共4個(gè)），見圖3。

圖3 爐門壓緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該壓緊裝置由位于爐門下部?jī)蓚?cè)的手動(dòng)絞盤及曲柄連桿、碟簧及凸輪機(jī)構(gòu)等組成。通過(guò)絞盤向下拉連桿，帶動(dòng)凸輪向下轉(zhuǎn)動(dòng)，凸起部分即頂向碟簧裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐門的壓緊。

①碟簧裝在鋼制套筒內(nèi)，給碟簧設(shè)置預(yù)緊力450 kg；套筒前部設(shè)有耳軸，通過(guò)耳軸將套筒固定到支架上。這樣，套筒可以繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在套筒內(nèi)穿過(guò)碟簧并固定碟簧的桿件如圖4所示，在套筒底部用螺栓與此桿件聯(lián)接固定。

圖4 碟簧固定桿結(jié)構(gòu)示意圖

②凸輪并不是直接作用在碟簧上面，而是通過(guò)一段連桿（一端壓在碟簧上面，另一端固定在支架上）作用到碟簧上。爐門處于壓緊狀態(tài)時(shí)對(duì)爐門的壓緊力等于爐膛壓力0.75 kPa時(shí)對(duì)爐門的作用力；當(dāng)爐壓超過(guò)0.75 kPa時(shí)，施加到碟簧上的力將導(dǎo)致碟簧偏轉(zhuǎn)，從而使?fàn)t門從壓緊位置向外移動(dòng)50 mm的控制距離，這將使?fàn)t門脫離開蝌蚪式密封帶，并讓爐內(nèi)氣體沿爐門邊緣溢出。

爐壓達(dá)到3.22 kPa或者更高時(shí)，將導(dǎo)致用于固定碟簧裝置的四個(gè)螺釘切斷并使?fàn)t門離開爐門框自由搖擺。

2 爐車周邊水封槽密封

在爐車的外圍四周配置可升降的水密封槽，采用循環(huán)水作為臺(tái)車四周與爐體及爐門下部之間的密封介質(zhì)。當(dāng)爐車處于“爐內(nèi)到位”位置時(shí)，水槽被提升起來(lái)，這時(shí)位于爐車外圍四周以及附在爐墻和爐門上的密封刀就進(jìn)入到水槽中。當(dāng)水槽升起到位后，手動(dòng)打開位于爐子后部供水管上的閥門將水注入水槽。這個(gè)閥在爐子的整個(gè)焙燒周期中必須一直保持“打開”狀態(tài)，使進(jìn)入水槽的水總是有溢出的，以維持水槽內(nèi)的水處于合適的高度，這樣，密封刀就全部進(jìn)入到水中形成水封。溢出的水被排到爐車下方的一個(gè)地面排水溝中，在加熱周期結(jié)束時(shí)，手動(dòng)將供水閥切換到“關(guān)閉”位置，并且手動(dòng)打開水槽里的排水塞將水槽內(nèi)的水徹底排空。然后將水槽降低一個(gè)足夠的高度，使水封刀脫離開水槽，以使?fàn)t車能夠移出。

水槽通過(guò)一系列的滾輪被附在爐車上，爐車上的水槽通過(guò)曲柄連桿裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)升降，曲柄連桿裝置位于水槽下方并由安裝在基礎(chǔ)上的鋼架來(lái)支撐，如圖5所示。

圖5 臺(tái)車四周水封槽及其升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖

水密封應(yīng)與爐門密封協(xié)同工作，來(lái)共同防止?fàn)t內(nèi)由于意外爆燃產(chǎn)生的高壓：

爐內(nèi)壓力超過(guò)0.75 kPa，壓緊碟簧偏轉(zhuǎn)使?fàn)t門打開一道縫，可以釋放掉少量揮發(fā)份意外爆燃產(chǎn)生的壓力；爐內(nèi)壓力超過(guò)1.24 kPa，將水封槽內(nèi)的水吹起，臺(tái)車四周水封槽成了泄壓的通道；爐內(nèi)壓力超過(guò)3.22 kPa，將爐門完全吹開。

3 燃燒報(bào)警系統(tǒng)

除了要保證爐子的良好密封外，焙燒過(guò)程中爐子燃燒系統(tǒng)的安全運(yùn)行同樣很重要，為此設(shè)有燃燒報(bào)警系統(tǒng)，由所需的壓力開關(guān)、聯(lián)鎖裝置和其他傳感器組成，用于向報(bào)警系統(tǒng)提供需要的所有信號(hào)。報(bào)警系統(tǒng)將采用“首個(gè)報(bào)警”的順序，也就是在同一時(shí)間超過(guò)一個(gè)點(diǎn)報(bào)警則只識(shí)別第一個(gè)報(bào)警。

下面幾點(diǎn)將會(huì)引起報(bào)警：①燃?xì)鈮毫Ω哂谠O(shè)定值；②燃?xì)鈮毫Φ陀谠O(shè)定值；③助燃空氣壓力低于設(shè)定值；④冷卻水壓力低于設(shè)定值；⑤冷卻水溫度高于設(shè)定值；⑥冷卻水流量低于設(shè)定值；⑦各區(qū)爐溫高于設(shè)定值；⑧爐壓高或低于設(shè)定值。

此外，燒嘴配有電離火焰監(jiān)測(cè)器，用來(lái)監(jiān)測(cè)主燒嘴和點(diǎn)火燒嘴的火焰燃燒情況。

這是保證正常燃燒的前提條件。此外，還有下列措施來(lái)保障爐子的安全運(yùn)行。

4 爐內(nèi)氧含量的監(jiān)控

爐內(nèi)處于易爆環(huán)境中，因此控制爐內(nèi)氧含量就顯得至關(guān)重要。在保證爐子密封性能的前提下，使?fàn)t子始終處于微正壓操作，就可避免爐外的空氣進(jìn)入爐內(nèi)。這樣，爐內(nèi)的氧含量?jī)H取決于燒嘴的燃燒供給，通過(guò)空燃比的嚴(yán)格控制，就可嚴(yán)格控制爐內(nèi)的氧含量。根據(jù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品不同（特炭或普通炭素產(chǎn)品），氧含量通常控制在0.1%～1%之間。爐內(nèi)氧含量的測(cè)量采用高性能的激光式氧分析儀，在線測(cè)量，連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。該激光式氧分析儀適用于重度灰塵場(chǎng)合，其氧氣探測(cè)極限為0.01%。

爐后排煙管道上設(shè)有蝶閥式煙閘來(lái)控制調(diào)節(jié)爐壓，通常爐壓設(shè)定在7 mm水柱。

5 氮?dú)饧訅合到y(tǒng)和緊急水加壓系統(tǒng)

如前文所述，正常情況下炭素焙燒爐是在低氧氣氛下運(yùn)行的。但在出現(xiàn)故障的情況下，比如電力故障、燃燒系統(tǒng)故障、控制系統(tǒng)故障或其它故障等，燃燒系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，爐子就開始冷卻，爐內(nèi)壓力就會(huì)由正壓逐漸下降變?yōu)樨?fù)壓，趨向于吸入空氣。為此爐子裝備有一個(gè)氮?dú)饧訅合到y(tǒng)和緊急水加壓系統(tǒng)。控制系統(tǒng)自動(dòng)將介質(zhì)注入爐內(nèi)，以使?fàn)t內(nèi)保持正壓?？刂葡到y(tǒng)首先從氮?dú)饧訅合到y(tǒng)中向爐內(nèi)注入氮?dú)?。如果氮?dú)庀到y(tǒng)不能在爐內(nèi)產(chǎn)生正壓，則使用緊急噴霧水加壓系統(tǒng)：手動(dòng)打開位于爐后的水閥，插入爐內(nèi)的噴嘴就會(huì)將霧狀的水噴入爐內(nèi)，并迅速在高溫爐內(nèi)形成水蒸氣，從而保持爐內(nèi)的正壓狀態(tài)。調(diào)節(jié)水閥開度，維持爐內(nèi)正壓，既不要超壓，也不要使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)品快速冷卻。在插口旁邊設(shè)有斜管壓力計(jì)方便操作人員觀測(cè)爐膛壓力；緊急水量設(shè)計(jì)為25 L/h。同時(shí)，調(diào)節(jié)位于爐后煙道上的煙閘以維持爐內(nèi)壓力。

在正常焙燒過(guò)程中一旦爐內(nèi)氧含量超過(guò)3.0%，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出“超高氧”報(bào)警，同時(shí)氮?dú)忾y打開、燒嘴自動(dòng)關(guān)閉，緊急氮?dú)獗蛔⑷霠t內(nèi)。通過(guò)緊急氮?dú)鈦?lái)稀釋爐內(nèi)氧含量，達(dá)到控制爐內(nèi)氧氣含量的目的，操作者可以在HMI屏幕上手動(dòng)選擇時(shí)間的長(zhǎng)短。充氮?dú)馄陂g爐壓保持在15 mm水柱,在氧含量降到3%以下之前,主燒嘴不能點(diǎn)火。

氮?dú)饧訅合到y(tǒng)的最大設(shè)計(jì)流量為每臺(tái)爐子100 m3/h。

在現(xiàn)場(chǎng)不具備氮?dú)赓Y源的情況下，可以直接采用緊急水加壓系統(tǒng)。與采用氮?dú)饧訅合到y(tǒng)相比，緊急水加壓系統(tǒng)會(huì)使?fàn)t溫降溫更快。而爐內(nèi)氧含量超過(guò)設(shè)定值后，燒嘴會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

6 廢氣焚燒系統(tǒng)

最后，為了處理有毒、易爆的揮發(fā)份（瀝青煙氣），為臺(tái)車式焙燒爐配備了焚燒爐，從臺(tái)車爐排出的含瀝青煙氣的廢氣通過(guò)煙道進(jìn)入到焚燒爐中，焚燒后的熱廢氣可以通過(guò)余熱回收加以利用，然后通過(guò)煙囪排到大氣中。

經(jīng)過(guò)焚燒處理后的廢煙氣可以達(dá)到下列排放值：顆粒/粉塵＜20 mg/m3；以“總碳”表示的有機(jī)物＜30 mg/m3；苯＜1 mg/m3；多環(huán)芳烴（PHA）＜0.5 mg/m3；氮氧化物50～150 mg/m3；硫氧化物50～200 mg/m3（硫氧化物的排放量取決于焦炭和瀝青中的含硫量）。

對(duì)于未達(dá)到國(guó)家或地方排放標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)，還需采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理，因其不屬于本文討論的范疇，這里不再贅述。

7 結(jié)語(yǔ)

TENOVA CORE已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外建造了上百臺(tái)套這種臺(tái)車式炭素焙燒爐，在該爐型上采取的安全措施也是成熟可靠的，值得我們?cè)陬愃频脑O(shè)計(jì)中借鑒。相比加熱鋼材的臺(tái)車爐，臺(tái)車式炭素焙燒爐需要考慮的因素更多。這表明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的臺(tái)車爐可以在更復(fù)雜的條件下得到應(yīng)用，傳統(tǒng)的臺(tái)車爐仍有很大的應(yīng)用空間。