鋁用陽極焙燒爐節能措施與實踐

劉瑞然,王 力,馬正清

(1.索通發展股份有限公司,山東 德州 251500;2.南山鋁業股份有限公司,山東 龍口 265700)

焙燒是陽極生產中工藝最復雜、耗能最大的工序,陽極質量的好壞很多程度上取決于焙燒工藝參數的調整及過程控制的精細程度。山東某大型預焙炭陽極生產企業陽極成品率低、天然氣消耗量較大,為此企業通過加強焙燒爐火道燃燒狀況的診斷,積極尋求工藝技術的改進,使得天然氣單噸耗氣量下降,從而達到降低能耗,進而實現減碳、低碳運行。

1 企業焙燒爐現狀

企業擁有三臺36室敞開式、w型環式焙燒爐,每個爐室由9條火道8個料箱組成,主要技術參數見表1。裝爐方式為側立裝三層,每層七塊,每箱二十一塊,陽極設計產能每臺爐:80,000～90,000 t/a。每臺爐都采用雙火焰系統,每個火焰系統由18個爐室組成,其中焙燒爐室(3個)、預熱爐室(3個)、冷卻爐室(7個)、密閉爐室(1個)、裝出爐爐室(2個)、待修爐室(2個),見圖1。使用天然氣作燃料,正常生產采取28～36小時周期,168～216小時焙燒曲線,冷卻時間:168～210小時。火道最高溫度1200 ℃,陽極終溫≥1050 ℃。

表1 焙燒爐主要技術參數

圖1 焙燒爐俯視圖

從生產現場調查來看,焙燒爐燃燒裝置及控制系統自動化程度較高,但工藝控制參數和工況的不合理、調整不及時,導致天然氣單耗偏高。表2對該企業2019年5月～2020年4月天然氣單耗進行統計,均值消耗量為63.29 Nm3/t,整體波動較大且處于較高的狀態,天然氣單耗量存在下降的空間。

表2 焙燒爐天然氣單耗現狀調查表

2 天然氣消耗偏高的原因分析

從焙燒爐運行現狀看,焙燒爐火道燃燒系統控制不理想,主要表現在煙道及凈化系統中的焦油較多、生制品揮發分揮發位置及燃燒紊亂、爐面溫度較高,燃燒爐室保溫不良,焙燒爐火道墻維護不到位等現象。由此反映出熱能利用不充分,焙燒爐整體熱能浪費較大,導致天然氣用量持續處于高位無法下降[1-2],主要原因分析有如下幾方面。

2.1 炭塊中揮發分燃燒紊亂

在炭素材料生產過程中,煤瀝青是生產鋁用陽極材料的粘結劑。為了能順利成型,使各種配入的顆粒互相粘結形成具有良好的塑性糊料,根據實際配方要求及時調整瀝青配入量(該企業生制品中粘結劑瀝青的含量在14.2%～15.2%之間)。在焙燒過程中部分煤瀝青會分解成揮發性物質從陽極中逸出。因此,焙燒的實質是煤瀝青的焦化過程。煤瀝青是煉焦工業的副產品,是多種高分子碳氫化合物的混合體,這些物質在焙燒工序受熱的情況下,發生分解、環化、芳構化和縮聚反應,生成CnHn等輕質餾分,并以揮發分的形式排除,這些揮發分充分燃燒產生的熱量約占總輸入熱量的30%左右[3-4]。某企業由于現場排煙架維護保養不到位及工藝控制參數和工況的不合理及調整不及時,造成揮發分超前或滯后析出,致使焙燒爐整個預熱系統揮發分逸出紊亂,揮發分燃燒不充分,火道溫度與設定曲線溫度相差較大。通過對2P揮發分燃燒情況進行檢查,具體數值見表3,可以明顯看出焙燒爐個別火道揮發分的燃燒存在不完全現象,即該部分熱量未充分利用。

表3 焙燒爐揮發分燃燒現狀調查表

2.2 不合理的系統負壓控制工況

在實際運行過程中,焙燒爐負壓會達不到系統要求,存在泄漏的問題。為了提升火道溫度,保證炭塊質量,存在人為增大負壓現象。排煙架維護保養不到位,排煙架密封效果差(金屬軟連接接口磨損嚴重、與煙道接口之間存在較大的間隙等),這是造成焙燒爐系統負壓泄漏的主要原因,如圖2所示。同時,過大的負壓會從料箱上吸入更多冷空氣,造成熱量損失,致使天然氣單耗上升。此外,密封爐室封填填充料不及時,密封插板閥安裝不規范等也是造成焙燒爐系統負壓浪費的一個關鍵因素。

圖2 焙燒爐排煙架負壓泄漏現象

2.3 焙燒爐熱損失較大

焙燒爐按照設定曲線運行后,預熱區的最高溫度經揮發分有效利用后制品溫度可達800 ℃以上,由于環境溫度遠遠低于該溫度,致使熱量散失到空氣中白白浪費掉。因此,如何減少爐面熱損失,如何對爐面保溫降低熱量損失成為降低天然氣消耗的有效管理途徑[5]。該企業焙燒爐整體管理水平較差,爐面爐室狀況不佳,特別是焙燒爐爐面火道大蓋、小蓋破損較多、橫墻澆筑塊、熱電偶底座、燃燒器底座、澆筑塊間縫隙、側墻縫隙、爐面組件接口等部位存在多處密封不嚴、破損現象,且長期處于無人監管狀態,如圖3所示。為此,在曲線溫度1165 ℃時對火道保溫爐蓋及其周圍環境溫度進行測量,具體數值見表4。從表中數值可以看出焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度太高且均大于200 ℃以上,爐面與空氣對流傳熱,導致焙燒爐爐面熱量散失嚴重,致使溫度與設定曲線相差較大。為了不影響制品的質量,通過延長天然氣的噴氣時間,強行升溫以保證火道溫度接近設定曲線溫度。該做法致使天然氣的消耗量增大,導致部分天然氣未充分燃燒完全釋放出熱能就被抽入大氣浪費掉,最終火道溫度越來越難控制,形成惡性循環。

圖3 焙燒爐火道蓋部分破損

表4 焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度

2.4 填充料粒度控制管理不細致

填充料是焙燒時用于覆蓋制品防止其變形和氧化的散粒狀物料。在保證制品產生的揮發分順利排出且不至于造成制品產生裂紋的前提下,該企業選擇使用填充料是殘極顆粒料,要求填充料1～8 mm粒度占比≥90%。實際細料偏多,因此,要對每批次加工處理的填充料進行篩料分析,不能過細過粗,保持其良好的品質。

2.5 系統日常維護不到位

焙燒爐系統日常監督檢查不到位,焙燒爐修爐質量不達標、火道日常維護保養不到位、部分設備帶病運行等,特別是使用不符合操作要求的電磁閥造成天然氣直噴現象,不僅浪費天然氣造成天然氣能耗上升,更重要的是部分天然氣未完全燃燒產生大量的煙氣伴隨著氣流外排進入大氣,造成外排氣體超標,污染環境。工作細節方面的缺失進一步加劇了天然氣能耗的上升。

3 焙燒節能措施

3.1 揮發分充分燃燒

焙燒過程中制品揮發分的逸出溫度一般在250～700 ℃之間,特別是在230～400 ℃溫度范圍內,煤瀝青劇烈分解,揮發分大量排出。在此溫度區間揮發分排出受到各種可變因素的影響,因此,為防止揮發分排出過分激烈或過于緩慢,要嚴格控制升溫速率,調整好揮發分的排出位置。揮發分排出位置的選擇既要離排煙架足夠遠,防止熱量未充分利用被排入大氣浪費;同時也要與強制加熱區有足夠的距離,增大煙氣與陽極塊之間的溫度差,保證產品質量[6-7]。因此,揮發分的燃燒位置要控制在預熱段的中后部。要使揮發分充分燃燒,就要采取以下幾個措施。

3.1.1 負壓調整

負壓是工藝控制的關鍵參數。焙燒爐系統負壓主要是由電機通過排煙架提供。在滿足升溫條件的前提下,負壓應調整到最佳值,這樣既保證各條火道有足夠的負壓保證溫度,同時也防止負壓過大或過小造成燃燒系統紊亂,破壞燃燒系統的溫度制度,造成非必要的熱能損失[8]。操作規程要求爐面排煙架總負壓-(1400～2300)Pa,排煙架邊火道負壓控制在-(30～220)Pa,中間火道負壓控制在-(30～180)Pa且各火道負壓不得低于最小安全負壓值-20 Pa。日常生產運行過程中嚴格工藝紀律,密封爐室填充料加入量要嚴格按照工藝制度執行。此外,加大對排煙架的日常巡檢力度及強化維護保養,特別是密封插板閥及金屬軟連接必須規范安裝,確保排煙架與焙燒爐火道接口安裝規范,如圖4所示。經過以上措施實施后,再次對系統負壓情況進行復查,效果明顯提高。

圖4 焙燒爐排煙架規范安裝示意圖

3.1.2 揮發分充分燃燒

在保證焙燒爐系統各火道系統負壓穩定的前提下,通過對各火道負壓揮發分、天然氣燃燒情況進行檢查,發現燃燒不充分時及時進行工藝調整,保證揮發分、天然氣充分燃燒,如圖5所示。

圖5 揮發分燃燒狀態

3.2 降低爐面熱量損失

焙燒爐爐體及爐面是熱能散失的主要部分,爐體側墻及端頭密封、保溫等,由于是在筑爐時已經成型的,無法進行改變,該部分的散熱無法進行確保和更改。而爐面的散熱是可控的,可以通過加強和改善爐面的密封來達到降低熱量損失的目的。爐面的散熱和漏氣、空氣滲入主要是從填充料、爐蓋的縫隙等處。爐蓋處是主要的漏氣、空氣滲入的部分。這些空氣的滲入導致熱能的損耗加大,也給系統負壓造成不穩定和損失。為改善爐面的密封,減少熱量散失,采取以下幾個措施。

3.2.1 加強爐子密封

對焙燒爐火道墻及爐體端頭密封不嚴部分重新密封,實施爐面排煙架-強冷架燃燒系統工作區域的密封工作,維持焙燒爐“高溫密閉”狀態。日常在裝爐、出爐操作前時必須檢查橫墻澆筑塊、澆筑塊間縫隙、側墻縫隙、聯通煙道、混凝土外墻膨脹縫等。對焙燒爐爐面耐火材料破損的要及時進行更換,對密封不嚴的地方均采用耐火陶瓷纖維毯重新密封,確保爐面的密封狀態,降低熱量損失。

3.2.2 爐面組件接口部位密封

焙燒爐爐面漏風除加強焙燒爐日常維護保養外,還應強化爐體與爐面各組件接觸部位的管理,重點是爐蓋部位、熱電偶底座、燃燒器底座、排煙架波紋管等與爐體的接觸點。為防止漏氣或空氣滲入,要求以上與爐面接觸點全部用密封材料進行密封,對于破損嚴重的爐蓋及各類底座進行更換,確保焙燒爐爐面密封效果,如圖6所示。

圖6 爐面組件接口部位密封

以上改善措施實施后,重新在曲線溫度1165 ℃時對火道保溫爐蓋及其周圍環境溫度進行測量,具體數值見表5。從表5數值可以看出焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度降幅明顯且均大于100 ℃,最大溫度降低163 ℃。通過對焙燒爐密封不嚴部分重新密封等措施,有效降低了爐面溫度流失,減少熱量損失,為工人創造良好工作環境。

表5 措施實施后焙燒爐保溫爐蓋及其周圍溫度

3.3 爐面填充料控制規范

填充料的粒度、覆蓋高度等對爐面整體熱量損耗有較大影響。在日常生產過程中,要求爐面填充料平坦均勻,無高低起伏現象,料箱四角踩實、搗固,并及時封填頂層下陷覆蓋料。為進一步降低熱量損失,提高填充料封填效果,采取第一步將爐面填充料密封高度自密封爐室至4C爐室頂層料厚度由原先的130 mm調整至150 mm,同時一次性將系統密封爐室、1P、2P爐室的填充料添加到位。第二步我們在預熱爐室上部采用地膜覆蓋類似技術,如圖7所示。第三步強化燃燒區的密封,移爐前在填充料頂層再布10～30 cm填充料,如圖8所示。通過對整體爐室進行密封,隔絕空氣,防止冷空氣滲入,從而保證火道負壓達到降低熱量損失的目的。

圖7 薄膜覆蓋密封

圖8 覆蓋料加高圖

3.4 系統日常維護及大修

3.4.1 提升爐室日常管理及維護水平

焙燒周期結束之后,焙燒爐室會存在不同程度的燒損與損壞,致使燃燒系統密封性降低,運行時冷空氣進入加大火道熱量損失。因此這部分破損部位必須采取措施進行維護處理[9],為燃燒提供良好的密封環境。作為備用爐室,日常維護保養主要是檢查料箱的角、縫,火道墻側面的立縫、臥縫、膨脹縫等,對超過規定的要進行修補,如圖9所示。及時對燒損嚴重的火道爐蓋基座、澆筑塊等進行更換,杜絕設備帶病運轉。

圖9 火道墻日常維護保養

3.4.2 推進焙燒爐大修火道進度及維修質量

日常生產過程中,加強對火道橫墻、火道墻、爐體、聯通火道等進行檢查,及時清理附著在爐墻和空縫中的結焦,保持空縫的暢通。要有計劃的對火道安排維修,局部變形的進行小范圍修正,破損或變形嚴重的火道進行統計列出維修計劃,保證各火道符合生產要求。同時做好火道大修質量的監督檢查工作,保證焙燒爐修爐質量,如圖10所示。

圖10 爐室狀況修復

3.5 鞏固措施及計劃

為進一步降低天然氣單噸耗氣量,除了要對聯通爐室各火道上部分流口進行封堵,減少漏風、漏負壓外,還需對燃燒器及排煙架進行技術革新,加強對鼓風機及排煙架負壓的調節、控制。

(1)各系統燃燒架天然氣壓力目前運行80～90 kPa處于高位,計劃調整為60～70 kPa。同時對系統燃燒周期及系統燃燒架上游比例進行優化調整。

(2)系統燃燒器陳舊且燃燒器噴管燒損大、長短不一,統一燃氣噴管尺寸,計劃燃燒器燒嘴統一調整為200 mm。

(3)焙燒爐面鼓風機、冷卻風機改造,在降低風機用電量的同時提高系統鼓風、冷卻效果,保證系統正常穩定。

4 經濟技術指標

山東某大型預焙炭陽極生產企業通過加強爐面密封及保溫、加快爐體修復等措施,經運行10個月,曲線溫度明顯好轉,天然氣能耗明顯降低且穩定,詳情見表6。

表6 焙燒爐天然氣單耗統計表

從表6看出,自2020年5月開始陸續采取以上措施后,天然氣單耗降至均值58.41 m3/t,較之前單耗下降4.89 m3/t。按該企業產能24萬噸/年,天然氣單價2.8元/m3(含稅),可節約天然氣成本4.89×2.8×240,000=328.608萬元。

采取節能措施后不僅天然氣單噸耗氣量降低,更重要的是整個燃燒系統更加穩定,火道升溫速率得到保證,陽極成品率及理化指標大大提高,具體理化指標見表7。

表7 預焙陽極炭塊理化指標對比表

由表7可以看出,炭塊一級品率提高了11.22%,電阻率均值降低0.78 μΩ·m,同時非一級品不合格占比中因電阻率不合格導致的現象減少,說明采用該項技術提高了產品質量,具有較好的經濟效益。

5 結 語

提高焙燒爐爐室密封性對保持工藝的穩定非常重要。企業在保證焙燒爐系統各火道系統負壓穩定的前提下,及時進行工藝調整,保證揮發分、天然氣充分燃燒。同時提升爐室日常管理及維護水平,推進焙燒爐大修火道進度及維修質量。日常加強爐體密封及爐面組件接口部位密封,爐面填充料規范使用,確保爐面的密封狀態,降低熱量損失。通過以上措施,焙燒陽極過程中天然氣的消耗降低,產品質量得到提高。