高溫順流式炭素隧道窯的設計與調試

摘 要:本文根據石油焦自發燃燒的特點，研發出順流式高溫炭素隧道窯，介紹了該窯爐設計、建造、安裝、調試的經驗。該工藝使用高溫隧道窯煅燒石油焦，在燒制過程中，利用石油焦中的揮發份自燃，石油焦本身收縮再結焦，形成強度大、密度高、電阻率低、熱導率好的優質鍛后焦。

關鍵詞:順流式;高溫;炭素隧道窯;揮發份;自燃;鍛后焦

1 前言

自上世紀五十年代以來，國內引進前蘇聯炭素行業用原料鍛后焦加工(罐式煅燒爐)工藝，該工藝存在諸多落后因素，如鍛后焦真密度低、電阻率大、能耗大、環境污染嚴重。因此，該制品不能用于制造高功率或超高功率的優質炭素制品。目前，我國優質鍛后焦(針狀焦)仍主要依賴進口，年進口量約50~60萬噸，價格昂貴，為1300~1350美元/噸，嚴重制約了我國炭素行業的發展。

我公司與吉林炭素廠經過多年深入合作研究，所獲得的鍛后焦產品性能達到甚至超過國際指標(真密度≥2.14，電阻率<400Ω)。而且已初步進行工業性試驗，形成了一套可行的高溫隧道窯煅燒生產工藝。

2 窯爐主要技術參數

順流高溫炭素隧道窯是一種連續工作的匣缽、明焰、快燒型窯爐，最高燒成溫度達到1550°以上，專門用來焙燒無機非金屬材料——炭素產品。這種產品在燒制過程中，石油焦本體揮發出可燃性氣體(提煉液化氣的主要成分，300~400°C開始逐漸揮發)并自燃;而且此產品的燒成工藝不同于一般硅酸鹽產品，該產品在燃燒過程中處于放熱狀態，而且要求揮發份的自燃必須控制在設置燒嘴的位置燃燒，這樣有助于按工藝要求升溫，同時大大節約燃料，這就給窯爐的設計和建造帶來很大的難度。因此此隧道窯，預熱帶盡可能縮短，溫度不能過高(但要保證在預熱帶末端即第一對燒嘴處揮發份大量出現)，燒成帶后段設有足夠的燃盡時間(此段不設置燒嘴)。該窯爐大致參數如下:

(1) 全窯總長:120m;窯內寬:2.46m;窯車至拱腳磚高度為:1.56m;

(2) 最高燒成溫度:1550°以上;

(3) 窯內存車:52輛;

(4) 窯外運轉車輛38輛;

(5) 窯車尺寸:長×寬×高=2300mm×2200mm×980mm;

(6) 每輛窯車裝載石油焦量:3.2t/車;

燒成周期:28h左右(根據每次進來的化驗焦子揮發分成分來改變窯車的行進時間);

(7) 燃料:液化石油氣(外界供給);

(8) 燃料消耗:110Nm3/h左右;

(9) 燒成氣氛:氧化焰;

(10) 液化石油氣壓力:2000~3000Pa;

(11) 助燃空氣壓力:2500~3000Pa;

(12) 助燃空氣溫度:250～300°C;

(13) 液化氣熱值:22000大卡/m3;

(14) 進車方式:間隙式進車;

(15) 溫度檢測點:21個。

3 高溫順流隧道窯的設計

整個隧道窯主要包括窯體結構、排煙系統、燃燒系統、燃料供應系統、窯前封閉氣幕、噴射攪拌系統、冷卻系統、窯車、車下冷卻系統、熱工測量和自動控制系統等，窯體圖如圖1所示。

3.1窯爐主體結構

窯體鋼結構采用工字鋼加固立柱，固定在窯爐混凝土基礎上，立柱之間由拉桿進行松緊，使窯體不會產生太大的變形。窯長120m，分為預熱帶、燒成帶、冷卻帶3部分;窯外有裝車、卸車場所、檢修坑道、托車道以及運輸軌道。

本窯屬于高溫窯爐，最高燒成溫度在1550°C以上。全窯屬于負壓燒成操作條件，窯爐壓力控制在-8~-12Pa范圍內。窯斷面設計了三曲折密封結構，曲折密封間隙控制較小，有效地阻止了窯內火焰下竄;車下最低三層磚每隔一定距離留有與外界相通的通風孔，車下還設有車下風機，將車下的溫度控制在100°C以內，確保了窯車的正常運行。

3.2窯體耐火材料

在不影響窯爐質量的情況下，從經濟角度設計，本窯爐燒成帶內襯選用了硅磚(XGB-96)，向外依次是輕質莫來石隔熱磚、多層纖維毯與高鋁硬板、紅磚以外墻保溫涂料。

此順流高溫隧道窯采用拱頂結構，有助于大量揮發份燃燒，節約燃料成本。傳統高溫隧道窯在生產運行一段時間后，其燒成帶兩側內墻因高溫膨脹，會不同程度地向窯內凸出。為了克服這一問題，本設計將燒成帶的窯墻內襯耐火磚采用嚙合結構，使幾層內襯磚形成整體，使用結果證明，窯內沒有明顯外凸現象。由于拱頂橫向推力很大(經過計算，在1550℃時燒成帶每隔2根立柱之間的橫向推力達15t左右)，本設計中，拱頂分多層結構，中間層使用輕質保溫磚，在受熱面重質磚拱形結構的撐托下，克服輕質磚不宜受高壓力的缺點，同時發揮輕質磚保溫效果好的優點，從而克服傳統多層重質磚拱頂結構隔熱性能差的現象。

窯墻的厚度是根據溫度的高低和區間的長度來確定的，在預熱與冷卻帶選用粘土磚和輕質保溫磚，而在高溫區還增加一些導熱系數低的保溫棉和板。使用結果顯示，在燒成高溫區1550℃左右的區間內，窯墻外表面保溫涂料的溫度不大于60℃。

由于燒成產品的特殊性，揮發份燃燒的位置必須在設置燒嘴的位置，在自燃溫度達不到設計的情況下，利用燒嘴輔助點火，使揮發份燃燒完全，從而保證燃燒區長度的有效控制，使制品的比重≥2.14，電阻率<400Ω。準確控制預熱帶的升溫速度與升溫范圍:順流高溫炭素隧道窯的預熱帶末溫度控制在600～800℃左右。

本順流高溫炭素隧道窯燒成帶選用的硅磚(XGB-96)，其膨脹系數極大，砌筑時應留設多道膨脹縫;采用弓字形封閉式結構，上下磚層形成鎖口，并用多晶棉填充，避免窯墻串火。

3.3窯頭封閉氣幕及排煙系統

在窯頭入口處，為了減少冷風的吸入量，設置兩道封閉氣幕，從兩側窯墻和窯頂噴射空氣，使窯道與外界冷空氣隔離，大大減小預熱帶斷面溫差。

為了滿足石油焦制品的升溫要求，在預熱帶設置了攪拌風系統，攪拌風抽自窯尾排煙換熱器換熱風。本隧道窯采用集成使用一條攪拌風總管與助燃總管，不設置攪拌風機，為企業節約電能，同時簡化實際調試步驟。攪拌風的設置使預熱帶的上下溫差得有效的控制，為石油焦制品燒成工藝預熱升溫提供了保證。

本高溫順流隧道窯的排煙系統的設計，不同于以往的窯頭預熱帶排煙結構，此排煙系統設置于急冷與快冷之間，開設多處抽口，采用以分散排煙的方式至總管匯總，煙氣經過換熱器換熱后的熱空氣作為窯前預熱攪拌風與助燃風，同時分設分管至干燥窯干燥焦子。此排煙系統真正實現了熱能的梯級利用。

3.4窯車

窯車鋼架是用型鋼制作加工而成的，車輪采用澆鋼件ZG-45，窯車軸承采用耐高溫軸承，最高溫度可達到200℃，采用石墨潤滑劑。

根據制品的裝載要求和窯車襯材耐火材料的使用壽命要求，車面選用重質大塊碳化硅磚，碳化硅的耐火度高達2500℃，抗熱震效果好，并與裝載制品的匣缽為同種材質，避免在高溫下兩種不同材質發生化學反應，大大提高了窯車的使用安全性。窯車其它耐火材料層至上往下為:

第一層車面磚采用干砌，干砌的優點在于大大減少了窯車的檢修次數，延長了窯車的使用壽命;第二層磚選用耐火度高的特級高鋁磚;第三、四層窯車外沿曲封選用強度比較高而且耐高溫的剛玉莫來石磚(GMS-2.85)，中間選用普通輕質莫來石磚;第五、六層曲封選用強度高的N-2a重質粘土磚，中間用輕質保溫磚以減輕重量。最下面一層選用保溫效果好的輕質澆注料，強度高、整體性能好，有效阻止熱氣流下竄，不易變形開裂，而且在實際砌筑過程中能有效調整好曲封的位置。

3.5燃料供應系統

本高溫順流隧道窯設計使用的燃料為液化石油氣，熱值為22000kcal/m3 。液化石油氣是熱值最高的氣體燃料，純凈、壓力高，特別適合于高溫燒成，理論計算燃燒溫度可達到1650°C(隧道窯的高溫系數η值取0.81計算)。

液化石油氣的理論空氣量大，約為24~30Nm3/ Nm3，因此，對使用燒嘴的混氣性能要求較高，也就是說，必須將1Nm3液化石油氣與24~30 Nm3的空氣充分混合，才能燃燒完全。

本設計選用中高速液化氣燒嘴，液化氣與助燃風壓力在高速燒嘴處幾乎差不多(大于1500Pa)，燒嘴采用熱風助燃，雖然噴嘴能力有所下降，但可以節省液化氣，提高燒成周期。

3.6助燃風加熱系統

為了減少能耗，助燃風采用熱風助燃。本設計的熱風采用急冷處的熱風，進入燒嘴處的熱風溫度有100℃左右，這樣可以節省燃氣，有利于快燒。

3.7燃燒系統

由于焙燒石油焦制品的特殊性，高溫燒成時間比較長，因而本設計高溫窯段占窯體總長度的比例大。但由于石油焦在正常的生產過程中，靠自身的可燃揮發份自發燃燒，因此窯爐布置的燒嘴數量相對較少。在揮發份滿足燒成的條件下，可以切斷外界的燃料供應，只需往窯內供應助燃風，這就大大減少了燃料成本。由于燒成帶比例長，燒嘴分布稀，且窯道也比較寬，因此燒嘴選用專用液化氣的高速調溫燒嘴(采用碳化硅套筒)，有助于窯體的烘烤。通過改變點燃的燒嘴數量和部位來滿足不同部位的燒成溫度，以適應不同產地的焦子產品焙燒工藝要求，具有更大的燒成工藝適應性和靈活性。

每支燒嘴都配備電磁閥和自動點火器，實現了連鎖控制裝置，為操作帶來了方便。

燃燒系統的助燃風抽至冷卻帶的熱風，熱風溫度為250～300℃。根據燃燒試驗:助燃風每提高200℃，可提高理論燃燒溫度80～100℃。本燃燒系統的調試靈活，而石油焦制品中的可燃揮發分的比例為8%～18%，因此在每次進焦過程中都必須進行化驗來確定石油焦的揮發份。揮發份含量不同，燃料的供應也隨之做出改變，需據此確定窯車的行進時間，以控制燒成質量。

3.8冷卻系統

因燒成后的產品密度大(真密度在2.14左右)，裝載的碳化硅匣缽導熱系數大，所以熱容量很大。產品冷卻速度緩慢，因此窯的冷卻階段相比一般工業窯爐窯長。為了快速實現產品的冷卻，便于出窯后的卸載，在冷卻帶設置了急冷區、熱風抽出區和窯尾快速冷卻區三個區域。

在急冷區間設置多個冷風噴口。冷卻匣缽后的熱風大部分輸送到燒成帶助燃，剩余的熱風隨抽熱風口抽出，用于旋風筒干燥。在熱風抽出區，設有2臺高功率抽熱風機，抽出的熱風用于干燥旋風筒。

窯尾直接冷卻區，設有2臺大流量的離心風機，從窯尾直接把冷風吹入窯內，經與匣缽換熱抽出。在窯尾處設置一臺備用抽熱風機(一是因為石油焦的揮發份含量在8%~18%，防止前面抽熱風機抽力不夠，用于備用;二是這部分為干凈熱風，可用于助燃或者余熱利用);在窯爐最末端還安裝有2臺軸流風扇，用于直接冷卻產品，熱風從窯頂風罩排空。

3.9車下冷卻系統

由于本窯爐為高溫燒成，而且此炭素產品燒成更不同于以往陶瓷產品，在燒成帶將有8%～18%的揮發份燃燒，因此燒成帶的壓力大于窯車下的壓力，火焰容易往下竄，易造成車下溫度過高。為了解決車下溫度過高的問題，必須建立車下壓力制度，使窯內和車下壓力平衡。設計時我們采用多種手段，以便調節靈活，使窯內和車下壓力制度得到平衡。在燒成帶和冷卻帶下部設置吹風管，以便向車下吹冷空氣，窯下方每隔200mm距離留設一個3層磚厚的熱風出氣口，以保證壓力平衡(此處可以考慮將熱風機集中抽出，用于余熱利用，提高窯爐整體熱利用效率)。

3.10熱工測量與自動控制系統

(1) 溫度測量:在窯體的頂部安裝T1～T21與窯底車下風溫度1測點共22支熱電偶，并在儀表控制室內安裝了數顯儀表。

(2) 排煙(抽熱)風機、助燃風機、間壁抽熱急冷熱風機和換熱器在現場都安裝雙金屬溫度計顯示溫度，以便檢測溫度是否正常，同時起到保護風機的作用。

(3) 壓力測量:液化氣進口壓力、出口壓力、助燃風壓力、排煙(抽熱)壓力、助燃風機壓力與排煙壓力分別與風機連鎖控制;液化氣總成壓力現場顯示;總成上下限壓力參與報警。

(4) 如果油壓機推車壓力顯示超壓，報警裝置啟動，并自動停泵，油壓機本體設計一套聯鎖裝置。

(5) 排煙風機、助燃風機、急冷風機、車下風機和排煙(抽熱)通過變頻器控制，同時控制窯內各部位壓力，既省電又可穩定風壓。

(6) 液化石油氣管路采取保護措施。為了保證供氣安全，在供氣主管上設有電磁總閥，在各個燒嘴處也設有電磁閥。當系統停電時，電磁總閥自動切斷氣路，防止液化氣進入窯內，當助燃風機系統出現故障時，報警器發出報警信號，同時也切斷了電磁總閥，確保整個窯爐的安全運行。

(7) 在窯頂氣路末端，還安裝了電閉式安全放散閥，當停電時自動打開，將管道內剩余液化石油氣放散到大氣中，使管道不形成密閉的容器，防止爆炸。

4 結語

本文所設計和建造的1550°C節能高溫順流炭素隧道窯已經投產，填補了我國高溫焙燒非金屬材料——高密度炭素產品的空白。

“高溫隧道窯煅燒高品位石油焦工藝”在國內屬于首創，采用這種工藝，含碳量70%～80%的石油焦在100多米長隧道窯內高溫煅燒后，變成銀灰色、有金屬光澤的高品位石油焦。經我國炭素行業產品權威檢測機構檢測，產品主要技術指標處于國內同行業領先水平，幾個關鍵指標超過進口產品。