孔 強(qiáng)

（陜西有色榆林新材料集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

1 行業(yè)概況

敞開式環(huán)式焙燒爐是在80年代初貴鋁從日本引進(jìn)新的環(huán)式技術(shù)，此后，沈陽、貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)院又為我國(guó)鋁用炭素廠設(shè)計(jì)了一批具有“日輕爐”或“里德哈默爐”技術(shù)特點(diǎn)的新環(huán)式爐，并相繼投產(chǎn)。后期雖經(jīng)過30多年的改進(jìn)，但仍然存在諸多技術(shù)難題。常用的焙燒工藝不能充分利用揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量，致使焙燒熱能消耗一直較高;揮發(fā)分燃燒不充分，造成煙氣凈化負(fù)擔(dān)較重;升溫速度控制不理想，產(chǎn)品質(zhì)量較差，以上便是目前焙燒的主要瓶頸問題。

面對(duì)燃?xì)馐袌?chǎng)的日趨緊縮，燃?xì)鈨r(jià)格的持續(xù)走高（尤其進(jìn)入冬季天然氣價(jià)格一漲再漲，且限制企業(yè)用氣量），面對(duì)成本壓力日益凸顯，作為炭素行業(yè)用氣大戶的焙燒車間，降低生產(chǎn)成本從降低天然氣單耗入手有較大的挖掘空間，且現(xiàn)今諸多炭素行業(yè)將目光投向降低焙燒天然氣耗量這一方向，從節(jié)能方面入手降低生產(chǎn)成本。

2 公司現(xiàn)狀

我公司焙燒車間共計(jì)有三臺(tái)焙燒爐，兩臺(tái)54爐室，一臺(tái)36爐室，均為敞開式焙燒爐。每個(gè)爐室有9條火道8個(gè)料箱，分3層立裝；焙燒爐面設(shè)備采用機(jī)電一體化燃燒架和機(jī)電一體化排煙架，DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)；以天然氣作燃料；于2012年11月投入生產(chǎn)。

車間已投產(chǎn)8年多時(shí)間，部分爐室變形嚴(yán)重，如火道墻向一側(cè)“鼓肚子”，爐墻塌陷和下沉，墻體裂縫等一系列問題。在此每況日下的硬件設(shè)施下，公司天然氣單耗雖無增長(zhǎng)，但卻難以持續(xù)降低。為達(dá)到公司降低天然氣氣耗的目標(biāo)，同時(shí)完成公司下達(dá)任務(wù)指標(biāo)，車間采取移爐前幾個(gè)小時(shí)關(guān)閉6P燃燒架的方式或者關(guān)閉、減小燃燒架上游支管噴氣的措施降低用氣量，以保證達(dá)到節(jié)氣的目的。采用以上方法，雖然實(shí)現(xiàn)了節(jié)省燃?xì)獾哪康?，但本身就?8小時(shí)的較短焙燒周期嚴(yán)重影響了制品的高溫保溫時(shí)間，導(dǎo)致制品電阻率等理化指標(biāo)波動(dòng)較大，均質(zhì)性較差。

3 優(yōu)化工藝調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

為實(shí)現(xiàn)降低天然氣單耗，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)，車間主動(dòng)與同行業(yè)多個(gè)企業(yè)進(jìn)行交流，并在車間內(nèi)部開展實(shí)驗(yàn)，摸索、挖掘節(jié)氣方法和途徑。通過開展各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，大量匯總數(shù)據(jù)，經(jīng)過一年多的時(shí)間，車間天然氣單耗由61Nm3/t降低至58Nm3/t，總結(jié)出降低天然氣單耗的幾方面突途徑，如爐室結(jié)構(gòu)與密封、燃控系統(tǒng)（設(shè)備和程序）和焙燒工藝，下面就針對(duì)以上幾點(diǎn)因素談一下個(gè)人看法。

3.1 爐室結(jié)構(gòu)與密封效果

焙燒爐做為焙燒生產(chǎn)的主體設(shè)備，其結(jié)構(gòu)對(duì)于焙燒工藝、產(chǎn)品質(zhì)量和天然氣耗量等各方面指標(biāo)有著至關(guān)重要的影響。近幾年陸續(xù)投建的新型焙燒爐在爐室結(jié)構(gòu)方面與舊爐存在的較大差別，尤其在爐面結(jié)構(gòu)上，新型焙燒爐火孔采用小孔設(shè)計(jì)（比燃燒器噴管直徑略大），相比舊爐的大孔設(shè)計(jì)（一般為三件套）有更好的爐面密封和保溫效果。因此在同樣的燃控設(shè)備配置下，新型爐室具有明顯的節(jié)氣優(yōu)勢(shì)。

車間的三臺(tái)焙燒爐均為老式焙燒爐，爐面火孔三件套間的縫隙較多。再加上多年的運(yùn)行，爐墻變形嚴(yán)重，爐墻磚縫變寬，透風(fēng)率增加，進(jìn)一步增加了焙燒爐的保溫和密封性，打破熱平衡，損失的熱量須更多的燃?xì)鈦硌a(bǔ)充。為緩解舊爐結(jié)構(gòu)上的缺陷，車間采用耐火棉將火孔蓋縫隙和爐面預(yù)制塊間縫隙等可能造成負(fù)壓損失的都進(jìn)行密封處理，同時(shí)預(yù)熱爐室采用塑料薄膜覆蓋，極大程度的降低了負(fù)壓損失，同時(shí)降低了風(fēng)機(jī)頻率，降低了電耗，為后期的工藝調(diào)整提供了良好的基礎(chǔ)工藝條件，且爐室質(zhì)量和密封質(zhì)量也是最關(guān)鍵的“硬件條件”。

3.2 燃控設(shè)備的升級(jí)改造

在做好爐面密封工作后，做好節(jié)氣工作還需有硬件設(shè)施的支持。焙燒的兩大關(guān)鍵設(shè)備，一是提供負(fù)壓環(huán)境的排煙架，二是提供熱源的燃燒器。車間自2012年投產(chǎn)后排煙架和燃燒器一直未做升級(jí)改造，采用的依舊是十幾年前的老舊設(shè)備，已經(jīng)不能滿足如今的工藝和能耗要求，嚴(yán)重制約著車間的工藝優(yōu)化和節(jié)氣工作。

2019年車間逐步完成關(guān)鍵設(shè)備的升級(jí)改造，將老舊排煙架升級(jí)為漸縮型排煙架，除有效的提高了各火道的負(fù)壓外更均衡了各火道間的負(fù)壓，縮小了各火道間的差距，尤其提升了兩個(gè)邊火道的負(fù)壓，為后期的工藝調(diào)整提供了良好的負(fù)壓環(huán)境。另外，車間對(duì)所有燃燒器做了更換升級(jí)，將15cm長(zhǎng)的鋼制耐火噴管更換為30cm長(zhǎng)度碳化硅材料噴管，除延長(zhǎng)使用壽命外增加了火焰噴射長(zhǎng)度。燃控設(shè)備的改造升級(jí)為工藝調(diào)整提供了“硬件”保障。

3.3 軟件控制程序的優(yōu)化

通過對(duì)軟件控制程序的改進(jìn)，燃燒架在縱向?qū)崿F(xiàn)上下游間隔噴氣，減少燃?xì)膺^量或氧氣不足的現(xiàn)象；在橫向?qū)崿F(xiàn)恒定數(shù)量的電磁閥動(dòng)作噴氣，穩(wěn)定燃燒架管道內(nèi)天然氣壓力。

燃燒架上下游電磁閥間隔動(dòng)作噴氣，在宏觀上實(shí)現(xiàn)一個(gè)一系統(tǒng)一個(gè)條火道內(nèi)最多只有3個(gè)電磁閥在噴氣，大大降低了同一條火道內(nèi)多個(gè)電磁閥同時(shí)動(dòng)作的現(xiàn)象，極大的促進(jìn)了天然氣在火道內(nèi)的充分燃燒。

在程序設(shè)定時(shí)，上游噴氣時(shí)間為X秒，下游噴氣時(shí)間則為15-X秒，下游噴氣時(shí)間以上游開始噴氣后X秒后開始，根據(jù)上下游燃燒比偶爾上下游時(shí)間之和會(huì)大于15秒，即使如此，重合時(shí)間（同時(shí)噴氣的時(shí)間）也是很少的。

而同一個(gè)燃燒架上的電磁同時(shí)動(dòng)作的數(shù)量控制在7-9個(gè)，一定程度上減少了天然氣的壓力波動(dòng)問題。該程序設(shè)定前，減壓后天然氣壓力在±5KPa范圍內(nèi)波動(dòng)，程序優(yōu)化后，減壓后天然氣壓力波動(dòng)范圍縮小到±2KPa。另外壓力恒定后，對(duì)于天然氣在爐內(nèi)的噴射深度也有一定程度的積極改善。

3.4 工藝調(diào)整與控制

焙燒車間自投產(chǎn)以來，一直把排煙架溫度作為一個(gè)重要的管控指標(biāo)。外出考察借鑒同行業(yè)其他企業(yè)焙燒工藝，把其他企業(yè)的焙燒曲線拿來即用，甚至看到同行業(yè)部分企業(yè)排煙架溫度較高，便通過提升排煙架負(fù)壓的方式來提升排煙架的溫度，造成前期全力提升負(fù)壓趕溫，后期揮發(fā)份靠前又壓低排煙架負(fù)壓來控制升溫過快的問題。如此一來造成負(fù)壓波動(dòng)較大（前期約170Pa，后期90Pa），系統(tǒng)不穩(wěn)定，如此大的負(fù)壓波動(dòng)帶來如下弊端：

（1）揮發(fā)份溢出點(diǎn)拉長(zhǎng)，原本在揮發(fā)份集中在一個(gè)火道的觀火孔下方劇烈燃燒，因負(fù)壓過大將揮發(fā)份拉長(zhǎng)成“焙燒帶”，不單在一個(gè)火孔內(nèi)看到揮發(fā)分溢出，在3個(gè)孔內(nèi)均能看到揮發(fā)分的排出。

（2）長(zhǎng)帶式的揮發(fā)份排出，造成火道內(nèi)助燃空氣含量不足，燃燒不充分，火道內(nèi)渾濁，排煙架掛油。

（3）后期為降低排煙架溫度，壓低排煙架負(fù)壓，致使燃燒架升溫困難，電磁閥均按照最大功率動(dòng)作，而噴入的大量天然氣更加無法充分燃燒，部分富余天然氣轉(zhuǎn)化為焦油，如此形成惡性循環(huán)。

（4）負(fù)壓的忽大忽小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，焦油量大，造成煙道過火頻繁。

針對(duì)以上情況，車間嘗試從穩(wěn)定負(fù)壓入手，不再一味追求排煙架溫度。根據(jù)三個(gè)廠房的不同爐室結(jié)構(gòu)，摸索能夠滿足升溫需要的恒定負(fù)壓，即排煙架自始至終均穩(wěn)定的一個(gè)負(fù)壓水平。更重要的是通過摸索出的這個(gè)有效負(fù)壓將揮發(fā)份的排出時(shí)間與排出位置固定下來，最終將揮發(fā)份在一個(gè)焙燒周期溢出點(diǎn)控制在3P爐室4孔到2P爐室4孔之間：在移爐前揮發(fā)份在2P爐室4孔處劇烈燃燒，移爐后揮發(fā)份剛好在3P爐室4孔大量排出，而此時(shí)4P爐室1孔揮發(fā)份正處在即將排完的狀態(tài)。移爐后在4P燃燒架不啟動(dòng)的狀態(tài)下，熱電偶測(cè)量溫度在870℃～960℃之間（實(shí)際飽和溫度，見下圖），燃燒架設(shè)定起始溫度為860℃，在該溫度狀態(tài)下燃燒架約有4～6小時(shí)處于停止噴氣狀態(tài)。待實(shí)際溫度下降至與上升的曲線目標(biāo)溫度相同時(shí)，燃燒架電磁閥開始動(dòng)作，因制品處在飽和溫度段內(nèi)，燃燒架電磁閥功率基本處于低功率狀態(tài)。

圖1 移爐后未噴氣前火道電偶溫度

經(jīng)過以上工藝調(diào)整，制品最終溫度相比前期也有近30℃的提升，尤其4P加熱爐室移爐前制品溫度由580℃提升630℃左右，制品溫度的迅速升溫能夠使內(nèi)部瀝青快速結(jié)焦，瀝青內(nèi)部焦化對(duì)于提升產(chǎn)品理化性能有較大影響。

3.5 拐彎爐室工藝調(diào)整

拐彎爐室一直以來都是焙燒爐燃?xì)庀牡脑龃蟮囊粋€(gè)關(guān)鍵因素，尤其作為9火道8料箱的老式焙燒爐，拐彎爐室更是重點(diǎn)管控對(duì)象。車間統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎爐室天然氣消耗相比直通爐室增加約2000Nm3/天。

為緩解拐彎爐室氣耗增加的這一問題，車間制定根據(jù)揮發(fā)份調(diào)整噴氣的措施。具體辦法：①第一個(gè)燃燒架跨節(jié)后，根據(jù)揮發(fā)份所在位置決定上下游電磁閥噴氣功率。一般移爐后揮發(fā)份位置在第一個(gè)燃燒架上游噴嘴下方，此時(shí)將上游功率調(diào)整至20～40，下游關(guān)閉，并根據(jù)揮發(fā)份燃燒情況逐步提升上游功率。②待揮發(fā)份進(jìn)入下游位置，將下游開啟，以小功率噴氣。此時(shí)上游功率大，下游功率小。③最后揮發(fā)份溢出位置移動(dòng)至電偶下方時(shí)，將上下游比例調(diào)整為上小下大，恢復(fù)至正常比例。如此一來，充分利用揮發(fā)份燃燒的熱量，天然氣氣耗相應(yīng)降低，排煙架架在拐彎爐室掛油的問題得到解決，徹底改變以往下游點(diǎn)火困難采用長(zhǎng)噴烘爐的模式。

2020年經(jīng)過6個(gè)多月的調(diào)整，焙燒車間三個(gè)廠房的天然氣單耗由61Nm3/t降低至57Nm3/t，且能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)車間的產(chǎn)品理化指標(biāo)也得到較大提升。

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

（1）節(jié)約燃料消耗價(jià)值：天然氣單耗下降4Nm3/t，預(yù)焙陽極年產(chǎn)量為30萬噸，一年可節(jié)約天然氣120萬Nm3，價(jià)值216萬元。

（2）理化指標(biāo)提升降低陽極毛耗和掉渣：理化指標(biāo)得到提升，對(duì)于鋁電解陽極毛耗有一定的降低效果，同時(shí)降低了電解鋁過程中人工打渣量，降低了電解勞動(dòng)強(qiáng)度。

表1 節(jié)氣措施實(shí)施前后產(chǎn)品理化指標(biāo)情況對(duì)比

（3）有助于外觀合格率的提升，工藝調(diào)整工作前后4P爐室制品溫度相差較大，調(diào)整后制品升溫速率加快，在同等裝爐條件下外觀合格率有所提升，總體廢塊數(shù)量降低，端面缺損的廢品占比也大幅降低。

表2 工藝調(diào)整前后廢塊形式和占比

（4）對(duì)周邊環(huán)境的影響極?。簱]發(fā)分在火道內(nèi)充分燃燒，減少了瀝青煙氣的排放量，電捕焦油器收集的瀝青非常少，有極好的環(huán)境效益。

5 結(jié)語

（1）排煙架負(fù)壓管控尤為重要，負(fù)壓過大會(huì)打破熱平衡，火道溫度即使能夠跟上曲線，但電磁閥都處于大功率狀態(tài)（冷空氣進(jìn)入較多需一部分燃料補(bǔ)充）；負(fù)壓過低，火道升溫困難；只有在適當(dāng)?shù)呢?fù)壓下，既滿足燃料的充分燃燒，又避免冷空氣的過度進(jìn)入。

（2）嚴(yán)格控制揮發(fā)份的排出位置，保證揮發(fā)份在排出后能夠充分燃燒（有些論文寫明在充分燃燒時(shí)火道自由升溫），火道內(nèi)溫度達(dá)到飽和溫度，從而降低燃燒架噴氣功率，降低燃料消耗。

（3）焙燒調(diào)溫工作的前提條件是硬件設(shè)施的完好，如火道內(nèi)通暢，爐面無負(fù)壓損失點(diǎn)、燃?xì)夤苈窡o堵塞、電磁閥工作正常、電偶工作正常等。

（4）火道達(dá)到飽和溫度時(shí)，換熱效率最高，而此時(shí)制品升溫速率最快（但不得高于12℃/h，過快易裂），制品內(nèi)部迅速結(jié)焦，從而提高析焦量。

（5）拐彎爐室尤其老式焙燒爐，爐室少，火道少，在跨接爐室運(yùn)行頻次高，燃?xì)庀母?。降低拐彎爐室運(yùn)行時(shí)的燃?xì)庀挠葹橹匾?/p>