（有色金属冶金专业论文）回转窑煅烧石油焦工艺分析及技术改造.pdf

摘要 本文根据生产实际情况，对回转窑煅烧石油焦生产工艺的现状进 行了详细介绍，其中包括：原料石油焦：工艺过程：主体设备回转窑： 煅后焦质量及生产技术经济指标，并指出了生产工艺中存在的问题。 在此基础上，作者完成了如下研究内容： l 、阐述了煅烧过程中物料在窑内的各种行为和变化。分析了回 转窑寿命的影响因素，提出了延长回转窑寿命所采取的措施。 2 、对窑内物料的受力情况进行了理论分析，针对窑内物料的运 动方式提出了自己独特的见解，并从力学角度推导出了物料在窑内停 留时间的计算公式。 3 、理论联系实际地全面分析了煅烧过程控制核心煅烧带的影 响因素，提出了煅烧带“三要素”的概念即煅烧带的温度、长度和位 置及其判定方法。详细分析了煅烧带温度、长度和位置对煅后焦质量 产生的影响。叙述了如何选择煅烧带工艺参数的方法并给出了煅烧带 “三要素”的技术标准。结合生产实践经验，说明了煅烧带控制与调 整过程中必须注意的几个问题。分析了煅烧实收率的影响因素，提出 了提高煅烧实收率的途径。 4 、针对实际生产存在的问题，提出了煅烧带温度在线监测及延 长二次风嘴寿命的技术改造方案，介绍了沉降室技术改造及效果，回 转窑给料、负压系统的自动化控制改造方法、原理及效果。最后对全 文进行了总结并指出了回转窑煅烧石油焦生产工艺的发展方向。 关键词回转窑，煅烧，石油焦，工艺分析，技术改造 a b s t r a c t t h ee x i s t i n gs i t u a t i o no fc o k ec a l c i n i n gb yr o t a r yk i l ni si n t r o d u c e d i nd e t a i li nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt op r a c t i c a lp r o d u c t i o ne x p e r i e n c e s ， i n c l u d i n gr a wm a t e r i a lp e t r o l e u mc o k e ，p r o c e s s ，r o t a r yk i l n ，c a l c i n e d c o k eq u a l i t ya n di n d e x e so ft e c h n o l o g ya n de c o n o m y b e s i d e s ，t h e p r o b l e m se x i s t i n gi nc a l c i n i n gp r o c e s sa r ep o i n t e do u ta n dt h eb e h a v i o r a n dp h y s i c a l - c h e m i c a lc h a n g e so fm a t e r i a ld u r i n gi ta r er e v e a l e d t h e s t u d yc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w ： t h ef a c t o r se f f e c t l n gt h es e r v i c el i f eo fr o t a r yk i l na r ea n a l y z e d ，a n d m e a s u r e st oi n c r e a s ei t ss e r v i c el i f ea r ep r o p o s e d t h es i t u a t i o no ff o r c e a c t i n g o nm a t e r i a li n s i d e t h ek i l ni se x a m i n e d ，b a s e do nw h i c ht h e a u t h o r sd i f f e r e n tv i e wa b o u tt h ew a yo ft h em a t e r i a lm o v e m e n ta sw e l l a saf o r m u l ac a l c u l a t i n gt h em a t e r i a lr e s i d i n gt i m ei sp u tf o r w a r d e d t h e f a c t o r se f f e c t l n gc a l c i n i n gb e l t ，w h i c hi st h ec o r ef o rc o n t r o lo fc a l c i n i n g p r o c e s s ，a r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y , l e a d i n gt ot h ec o n c e p t o f ”t h r e ek e ye l e m e n t s ”i ，et e m p e r a t u r e ，l e n g t ha n dp o s i t i o no f c a l c i n i n g b e l t h o wt h o s et h r e ee l e m e n t sa f f e c t i n gt h eq u a l i t i e so fc a l c i n e dc o k ei s t h o r o u g h l ye x a m i n e d ，a n dh o wt os e l e c tp r o p e rp r o c e s sp a r a m e t e r sf o r c a l c i n i n gb e l ti sd i s c u s s e d t e c h n o l o g ys t a n d a r do f t h et h r e ek e ye l e m e n t s f o rc a l c i n i n gb e l ti sa l s og i v e n a l o n gw i t hp r a c t i c a le x p e r i e n c e s ，s e v e r a l k e yp o i n t sc o n c e m i n gc o n t r o la n da d j u s t m e n to fc a l c i n i n gb e l ta r e s t r e s s e d b e s i d e st h ef a c t o r sr e l a t e dw i t ht h ey i e l dr a t ea n dt h ew a yt o e n h a n c ei ta r es h o w e d m e a n w h i l e ，t h er e f o r ms c h e m ea i m e dt os o l v e e x i s t i n gp r o b l e m si nc a l c i n i n g ，i n c l u d i n gi n c r e a s i n gs e r v i c el i f eo f s e c o n d a r yb l o w e rp i p ef o rm o r ee f f i c i e n tc o m b u s t i o no ff u e l ，o n - l i n e m o n i t o ro f t e m p e r a t u r ec a l c i n i n g b e l ta r e b r o u g h t f o r w a r d s o m e t e c h n o l o g y r e f o r m a l r e a d yc o m p l e t e d i si n t r o d u c e dw i t ht h e i r i m p l e m e n t i n gm e t h o d , m e c h a n i s ma n dt h er e s u l t , s u c ha st h er e f o r mo f c o m b u s t i o nr o o m ，f e e d i n gd r a f ts y s t e m a tl a s t ，t h e r ei sas u m m a r yf o r t h e p a p e ra n dt h ef o r e g r o u n do f p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yf o rc a l c i n i n gc o k e o f r o t a r yk i l ni sf o r e c a s t e d k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n ，c a l c i n i n g ，p e t r o l e u mc o k e ，p r o c e s sa n a l y s i s ， t e c h n o l o g yr e f o r m i i 绪论 近年来，我国铝工业的发展非常迅猛，1 9 9 5 年铝产量为1 8 7 万吨，2 0 0 1 年 铝产量为3 4 2 7 万吨【”，预计2 0 0 5 年产能可达到7 0 0 万吨【2 】a 电解铝产能的迅速 扩大，带动了铝电解阳极生产能力的迅速提高，1 9 9 5 年我国铝用炭素产量为1 0 0 多万吨，2 0 0 3 年增加到3 2 0 多万吨【3j 。随着电解槽的大型化，铝用阳极的生产 技术也不断进步。自1 9 2 4 年挪威人s o d e r b e r g 发明了连续自焙阳极，2 0 世纪5 0 年代之后大型预焙阳极生产成功【4 】，我国于2 0 世纪3 0 年代开始也经历了从自焙 槽使用的阳极糊到预焙槽使用的预焙阳极，从小型预焙槽使用的小规格预焙阳 极到大型预焙槽使用的大规格预焙阳极的发展历程。铝用阳极生产随着铝工业 的发展不断强化，预焙阳极的产量和质量也在不断增大和提高，生产工艺不断 改进，生产技术水平不断提高。从原料到产品，从煅烧到焙烧，整个预焙阳极 生产的各个工序都不同程度的采用了新的技术和装备。为进一步提高阳极质量， 减小不同碳质材料的优先氧化作用对电解造成的不利影响，降低生产成本，生 产预焙阳极的原料焦碳目前己趋向于使用单一品种的石油焦。粘结剂也由改质 沥青取代了原来的中、高温沥青。成型工艺已由原来的混捏锅混捏、小车计量 配料、固定式振动成型机发展到电子秤计量配料、连续混捏机混捏、糊料冷却 机冷却和转台或滑台式振动成型机工艺。焙烧也由卧装和人工调温发展到竖装 和自动调温。阳极生产技术日新月异的发展有目共睹。 尽管如此，我国铝用炭素生产技术与国外先进水平相比还存在一定的差距， 我国铝用预焙阳极质量标准中规定假比重不小于1 5 0 9 c m 3 ，而俄罗斯标准为 1 5 5 9 c m 3 ，美国标准为1 5 9 9 c m 3 。理论上吨铝预焙阳极消耗为3 3 3 6 6 7k g ，实 际上吨铝预焙阳极净耗( 预焙阳极使用量与残极量之差) 为4 2 0 5 0 0k g l l ”，我 国吨铝预焙阳极净耗为4 5 0k g ，国外先进指标已达到不足4 2 0k g t ”，其它理化性 能指标也优于我国。预焙阳极作为一种炭素材料，具有良好的热稳定性、导电 导热性和化学稳定性，是铝电解槽的心脏，其质量的好坏直接影响到铝电解的 正常生产以及生产成本和电解槽寿命，阳极消耗费用已占电解总成本的5 【6 j ， 铝电解槽的大型化及其技术的发展对预焙阳极的质量提出了更高的要求，提高 预焙阳极的质量迫在眉睫。 煅烧是预焙阳极生产的第一道工序，要提高预焙阳极的质量，提高煅烧工 艺技术水平进而提高煅后焦质量是重要的。作为预焙阳极生产原料之一的石油 焦必须经过煅烧后才能用于生产，煅烧的目的是除去石油焦中的水分和挥发分， 提高其真密度、机械强度、导电性和抗氧化性。煅烧工艺因煅烧设备不同而不 同，主要有罐式炉煅烧、回转窑煅烧、回转床煅烧工艺。我国在铝用炭素行业 中使用罐式炉和回转窑进行煅烧。回转窑以其生产能力大、自动化程度高、使 用寿命长、燃料消耗少、原料适应性强、操作条件好等诸多优点而被广泛采用m ， 特别是较高的生产能力适应了预焙阳极用量日益增大的需要。尽管煅烧工艺技 术水平随着铝用炭素行业的发展取得了长足进步，但与预阳极生产的其它工序 相比，回转窑煅烧工艺发展相对迟缓。如煅烧生产过程中回转窑煅烧带的温度 仍未实现准确监测，而为人工测温和调温，温度波动大，质量不稳定。碳质烧 损大，煅烧实收率低。二次风嘴寿命短、生产运行费用高等等。凸现出回转窑 煅烧工序已成为预焙阳极乃至整个炭素行业生产相对薄弱的环节。 另外，我国在回转窑煅烧石油焦生产工艺上与r e # t - 相比也存在着一定的差 距。国外石油焦的煅烧大部分都采用集中煅烧的方式，即在炼油厂进行煅烧， 炭素制品企业直接使用煅后焦作为生产原料。煅烧主要采用回转窑煅烧工艺， 回转窑直径最大近4 m ，一般在3 m 以上，长度5 0 - - 7 0 m 。最大产能每小时2 5 吨 以上，煅烧温度1 3 0 0 - - - - 1 3 8 0 ，煅后焦粉末比电阻4 6 0 一5 4 0ud m ，真密度2 0 5 - - 2 1 0 9 c m 3 ，碳质烧损一般情况下 1 7 9 0 1 7 9 0 1 3 0 0 1 1 0 2 4 h2 6 02 4 02 4 0 体积密度 1 0 0 0 3 h 2 5 8 2 3 52 3 5 1 0 5 g c m 1 3 0 0 3 h2 5 62 3 52 3 5 冷态耐 1 1 0 2 4 h4 03 5 3 6n o x 1 6 h 4 5 0 压强度1 0 0 0 3 h7 06 54 0 1 0 0 0 3 h0 4 0 ( m p a )1 3 0 0 3 h8 07 0 6 5 冷态抗 1 1 0 2 4 h1 064 折强度 1 0 0 0 x 3 h1 286 ( 女妒a ) 1 3 0 0 3 h 1 6l o 1 0 1 1 0 2 4 h- 0 0 20 0 2- 0 o l 线变化率 1 0 0 0 x 3 h- 0 1 5- 0 3 0 - 0 1 0- 0 3 2 1 3 0 0 3 h0 50 5士0 5 化学成份 a i , o ，7 04 56 0 热导率 7 0 0 0 3 0 5 c a o2 52 52 0( w m k )1 0 0 00 3 5 l 加水m 0 - 85 - 70 - 8 根据旄工条件确定 a 丫丫丫f ；謦：毒嬲三备接；# 鼻三玉；半嚣 b 图1 t4 回转窑内衬示意图 1 一轻质保温科2 一耐火料3 一钩钉 a 内衬b 表面展开 硕士学位论文第一章回转窑煅烧石油焦工艺现状 1 4 3 、负压 回转窑运行时窑内是负压操作，窑内负压由引风机提供。由于引风机风量 小，加之系统漏风，烟道中粉尘沉积，风机叶轮上粘附粉尘和焦油等原因，窑 内负压有时无法满足生产的需要。负压的调节是通过调节引风机前面的挡板开 度来完成的，挡板开关不灵活导致生产过程中常常得不到所需要的负压。 1 4 4 、温度 窑内温度包括窑头温度、窑尾温度和煅烧带温度。窑头、窑尾温度是电偶 测温，煅烧带温度用光学高温计测量。煅烧带温度由人工通过调节煤气量、煤 气配风量、二次风量和窑内负压等来控制。生产中煅烧带温度波动很大，有时 达到1 0 0 以上，由此造成煅后焦质量的波动。 1 4 5 、煤气量 煤气通过煤气喷嘴和助燃风( 又称一次风) 一起送入窑内，煤气和助燃风 是分开控制的，通过调节煤气管道上的煤气阀和一次风管道上的阀门开度来控 制给入量的大小。由于煤气流量表安装在两台窑的煤气总管上，实际上单台窑 的煤气用量没有计量。生产中只是根据窑内的温度情况凭经验调节。 1 4 6 、二、三次风量 二、三次风量的大小是通过风机变频调速来调节的。仪表只显示风机转速， 大小人为凭经验调节。生产过程中由于二次风嘴寿命短，实际上大部分时间是 在无二次风状态下运行的。 1 5 、工艺技术条件 回转窑煅烧石油焦生产中，工艺技术标准要求的技术条件如下： ( 1 ) 、回转窑转速2 o 2 5 r m i n ( 2 ) 、窑头温度 9 0 0 ( 2 ( 3 ) 、窑尾温度9 0 0 1 0 0 0 c( 4 ) 、煅烧带温度1 2 4 0 1 3 0 0 c ( 5 ) 、窑头负压l o 4 0 p a( 6 ) 、冷却窑排料温度6 0 1 0 0 c 1 6 、煅后焦质量及技术经济指标 煅后焦的质量标准见表1 5 。在煅后焦质量标准中，灰分和真比重等也是 衡量段烧程度的重要指标，因此，为检验煅烧效果，实际生产过程中，每月两 次随机抽取煅后焦试样作全分析。2 0 0 3 年上半年分析结果见表1 6 。从表中可 以看出，灰分平均值超标，这是因为石油焦灰分虽然满足了质量要求，但在回 转窑煅烧过程中，石油焦的碳质烧损很大，有时甚至超过1 0 ，而石油焦中的 硕士学位论文第一章回转窑煅烧石油焦工艺现状 灰分煅烧过程中几乎保持不变，所以，煅后焦中的灰分必然增大。另外，由于 回转窑煅烧石油焦过程中窑衬的磨损也将导致煅后焦灰分的增大，因此，石油 焦和煅后焦质量标准中灰分相同是不合理的。 袁1 5 煅后焦理化指标 序号项目单位指标 l固定碳大于9 8 5 2真比重大于等于 g e m 3 2 0 3 粉末比电阻小于 uq m6 0 0 4灰分小于o 5 5 挥发分小于等于 o 5 6全水分小于等于o 5 7 硫分小于等于 2 5 在煅后焦质量标准中，灰分和真比重等也是衡量煅烧程度的重要指标，因 此，为检验煅烧效果，实际生产过程中，每月两次随机抽取煅后焦试样作全分 析。2 0 0 3 年上半年分析结果见表l 一6 。从表中可以看出，灰分平均值超标，这 是因为石油焦灰分虽然满足了质量要求，但在回转窑煅烧过程中，石油焦的碳 质烧损很大，有时甚至超过1 0 ，而石油焦中的灰分煅烧过程中几乎保持不变， 所以，煅后焦中的灰分必然增大。另外，由于回转窑煅烧石油焦过程中窑衬的 磨损也将导致煅后焦灰分的增大，因此，石油焦和煅后焦质量标准中灰分相同 是不合理的。 表1 6 煅后焦质量分析结果 泌 灰分挥发分固定碳真比重硫分 g ，c m 3 擐大值 0 9 40 8 49 8 9 82 0 82 8 0 最小值 0 3 40 5 09 8 4 22 0 0o 2 2 平均值 0 5 80 6 59 8 7 62 0 51 4 3 作为生产过程的质量监测，每两小时做一次煅后焦粉末比电阻。2 0 0 3 年上 半年比电阻分布情况见表l 一7 。技术经济指标完成情况见表l 一8 ( 2 0 0 2 年) 。 1 4 硕士学位论文第一章回转窑煅烧石油焦工艺现状 表l 一7 比电阻分布单位：q m 分布 数值 4 5 04 5 0 5 0 05 0 0 5 5 05 5 0 - 6 0 06 0 0 - 6 5 0 百分比 1 0 42 3 5 25 4 6 82 0 5 80 1 8 表l 一8 煅烧技术经济指标 指标煅烧实收率煤气单耗动力电单耗 m 5 | k 五k w i l ，t _ t 数值 6 9 9 17 l4 0 从以上回转窑煅烧石油焦生产工艺的各方面现状来看，工艺不尽合理，自 动化控制程度有待提高。生产过程波动大，各项指标不先进等，存在许多问题。 硕士学位论文 第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 石油焦是预焙阳极生产的原料，但石油焦不能直接用于预焙阳极生产。因 为原料石油焦中含有一定量的水分、挥发分，微观结构不规整，存在着很多缺 陷，表现为导电性和抗氧化性很差，密度和机械强度低。水分的存在使成型生 产过程中焦炭的破碎，筛分和磨粉困难，甚至无法进行。如果物料在混捏前不 能除去水分，还会影响混捏效果，是糊料塑性变差，导致成型后的生块产生汽 包和裂纹。而挥发分在成型过程中无法排除，在焙烧时以气体形式大量排出， 并伴随着焦炭本身体积的高度收缩，使焙烧制品产生大量的裂纹和变形废品， 保证不了焙烧制品的质量合格率。因此，原料石油焦在进入成型工序前必须经 过煅烧。所谓煅烧，就是为改善碳质原料的理化性能，以满足生产需要而进行 的高温热处理过程【l “。煅烧的目的就是要排除原料石油焦中的水分和挥发分， 增大焦炭的密度和机械强度，提高其导电性和抗氧化性，以满足预焙阳极生产 的需要。 2 1 、物料在窑内的传热过程 回转窑内热烟气由窑头向窑尾流动，物料则由窑尾向窑头移动，在移动过 程中，物料、热烟气、内衬三者之间以热传导、对流和热辐射方式相互进行着 热交换。窑内热量来源于外供燃料燃烧和石油焦本身排出的挥发分燃烧所产生 的热量。热烟气通过对流和辐射将热量传递给与之接触的内衬和物料，内衬则 通过热传导和热辐射将热量传递给物料，物料受到来自热烟气和内衬的双重加 热而使自身温度不断升高。物料间以热传导方式使其温度趋于均匀。室温物料 由窑尾加料管进入回转窑后，一边向窑头移动，一边不停地进行着上述传热过 程，自身温度不断升高，直至完成煅烧过程，进入冷却窑中降温排出。 2 2 、窑内物料的运动 物料在窑内的运动比较复杂，它受诸多因素的影响，每个焦炭颗粒都处于 不断变化的运动状态之中。客观上讲，物料随转动的窑体在摩擦力作用下上升 到一定高度，当下滑力大于摩擦力时便向下滑落和滚落，滑落至最低点后又被 内衬带动上升，再滑下如此往复。由于窑体的倾斜安装，物料颗粒在上升和下滑 过程中即由原位置沿窑的轴向方向前进了一段距离，如图2 1 所示。物料在窑 内不断地上升、滑落，物料便不停地向窑头移动，最后被排入冷却窑中。 1 6 硕士学位论文第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 图2 一l 物料运动示意图 2 3 、石油焦煅烧过程中的物理化学变化 石油焦在煅烧过程中发生了复杂的物理化学变化，微观结构得到规整，结 构缺陷得到弥补，各项理化性能得到了根本改善。 2 3 1 、水分的排除 石油焦中含有5 1 0 的水分，水份主要以混合水形式存在，少量则以化合 水形式存在。石油焦进入回转窑后，受热升温，水分首先以水蒸气形式排出。 当物料温度升至1 3 0 以上时，化和水开始排出，随着温度的升高，水分逐渐被 排尽。 2 3 2 、挥发分的逸出 当石油焦温度升到2 0 0 以上时即开始有挥发分逸出，从5 0 0 开始由于裂 解反应加剧，挥发分逸出量增大。1 0 0 0 后挥发分逸出量明显减少，到1 2 0 0 ( 2 挥发分排出基本结束，见图2 2 。不同温度下挥发分的组成不同，见表2 1 。 不同组成的挥发分其热值也不同，一般为3 0 0 0 千卡米3 左右，而发生炉水煤 气的热值仅为1 2 5 0 千卡米3 左右。因此，利用挥发分的燃烧热可以节省燃料。 石油焦中挥发分并非全部为气体形式逸出，其中部分会吸附在焦炭表面及其气 孔壁上，形成一层致密而有光泽的热解碳膜，使焦炭的机械强度和抗氧性能进 一步提高。 2 3 3 、石油焦成分的变化及化学反应 石油焦除碳外含量较多的元素是氢( 一般小于3 5 ) 和硫( 一般小于1 2 ) ，还有少量的氧、氮、金属及非金属杂质。经过1 2 0 0 ( 2 1 3 0 0 高温煅烧后， 氢和氧大部分已被除去，残留的氢只剩o 1 0 2 ，氧以二氧化碳和一氧化碳形 式逸出，1 0 0 0 即基本排出殆尽。硫以稳定的化合物形式存在于石油焦中，在 煅烧温度下，只有少部分以二氧化硫形式逸出，绝大部分还残留于煅后焦中。 由于煅烧过程中石油焦的减重幅度可达2 5 - 一3 0 ，所以，煅后焦中硫的百分含 1 7 硕士学位论文 第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 量增大。氮在石油焦中更稳定，含量在0 4 0 6 ，即使1 4 0 0 c 的高温也不能 除去。 表2 1 不同温度下挥发份的组成 项目 温八 c 0 2 c o h 2 c 地 6 0 0 1 231 01 01 7 0 5 l1 56 7l u 7 8 0 0 788 82 8 8 0 0 24 9 50 9 7 0 0 1 29 70 图2 2 石油焦挥发分逸出量与煅烧温度的关系 煅烧过程中的化学反应 ( 1 ) 2 h 2 + 0 2 = 2 h 2 0 ( 2 ) c h 4 + 2 0 2 = c 0 2 + 2 h e o ( 3 ) 2 c + 0 2 = 2 c o ( 4 ) c + 0 2 = c 0 2 ( 5 ) 2 c o + 0 2 = 2 c 0 2 ( 6 ) c m h n + 0 2 = c 0 2 + h 2 0 ( 8 ) c m h n = c + h ， h = - 2 4 1 8 k j t o o l h = - 8 9 0 3 k 1 m o l h = - i1 0 5 k j m o l h 一3 9 3 5 k j m o l a h = - 2 8 3 k j m o l ( 7 ) c + h 2 0 = c o + h 2 ( 9 ) 3 c 0 2 + c = 4 c o + 0 2 1 8 硕士学位论文第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 o 田s + 0 2 = s 0 2 这些化学反应大都是放热反应，因此挥发分具有较高的热值。 2 3 4 、电气性能的改变 炭质材料之所以能够导电，是因为碳原子有两个自旋方向相同的2 p 电子，在与 相邻的碳原子结合时，形成共轭n 键，电子层共有，n 带上的电子受到轻微激 发便可越迁到导带上成为自由电子，电子在外电场作用下做定向移动，即可实 现电流的传导。电气性能的优劣取决于共轭n 键的形成程度。程度深，电子浓 度大，易于自由移动，导电性能就好。未经煅烧的石油焦碳原子网格层面小， 并和许多非碳原子或原子团结合，n 电子浓度小，加之乱层结构和结构缺陷，阻 碍电子的迁移，所以电阻率高，导电性能差。随着煅烧温度的提高，碳原子网 格层面周边杂原子或原子团脱落，带有价电子的网格层面相互结合，使网格层 面增大，层面上的破损点得到逐步弥合，结构缺陷得到逐步修补，层间距减小， 结构变得规整，共轭n 键形成程度加深，电子浓度增大，电子迁移自由程增大， 迁移率增高，从而使焦炭的电阻率降低，导电性能提高。石油焦电阻率与煅烧 温度的关系如图2 3 。 2 3 5 、抗氧化性能提高 未经煅烧的石油焦中含有大量的单原子或原子团，并存在着许多易氧化成 分和结构缺陷，这些都增大了其化学活性，降低了反应活化能，易在氧化性介 质中发生化学反应。随着煅烧过程中挥发份的排除，易氧化成分减少，焦碳结 构重排和规整化，使结构缺陷得到弥补，结构变得致密，化学稳定性增强，抗 氧化性能提高。同时，热解碳膜的形成也使抗氧化性能的改善锦上添花。 舀 d - 褂 匠 脚 图2 3 石油焦电阻率与煅烧温度的关系 1 9 硕士学位论文 第二章回转窑煅烧石油焦的工艺过程 2 3 6 、真比重提高 各种炭质原料煅烧后的真比重都有较大程度的提高，特别是石油焦，从煅 烧前的1 4 2 1 6 1 9 c m 3 提高到煅烧后的2 0 0 2 1 2 咖m 3 ，提高了约4 0 。 暑 u 、 b o 魁 阳 斌 6 0 08 0 0i o o o1 2 0 01 4 0 0 图2 4 石油焦真密度随煅烧温度的变化 如图2 4 ，煅后物料真密度的提高， 随着挥发分的排除发生了分解缩聚反应， 体积产生收缩的结果。 主要是由于炭质原料在煅烧过程中， 炭原子平面网格增大，层间距减小， 总之，石油焦在煅烧过程中发生了复杂的物理化学变化，使各项理化性能 得到了根本改善，满足了成型工序及预焙阳极的生产需要。但不同的工艺或不 同工艺条件下，煅烧后的石油焦即煅后焦的质量及煅烧过程中的各项技术经济 指标等存在着差异，要提高这些指标就要提高回转窑煅烧石油焦生产工艺的整 体技术水平。 1 0 9 8 7 6 5 2 2 l l l 1 1 硕士学位论文第三章回转窑煅烧石油焦工艺分析 第三章回转窑煅烧石油焦工艺分析 由回转窑煅烧石油焦工艺现状可知，现有工艺过程中存在着一些不足之处， 工艺技术条件制定不尽合理，自动化控制程度不高，生产不稳定，指标不先进。 从回转窑煅烧石油焦工艺过程看，煅烧工艺过程对煅烧效果、设备寿命等具有 重要影响。因此，需要对回转窑煅烧石油焦工艺进行分析，找出问题的原因， 有针锋性地进行技术改造，以便提高煅烧工艺整体技术装备水平，进而提高煅 后焦质量，延长设备使用寿命，降低生产成本。 3 1 、回转窑内衬寿命 回转窑是钢板制成的筒体，其寿命可达2 0 年以上。而内衬的耐火材料寿命 一般只有一到两年。有时运行几个月或半年就要停窑对内衬进行中、小修。每 次维修都要停窑降温，每次停窑一般都在一个月左右，影响生产的正常进行， 并且维修费用也很高，增大了生产成本。因此，如何延长回转窑内衬寿命值得 研究。 3 1 1 、影响内衬寿命的因素 影响回转窑内衬寿命的因素较多，主要有以下几个方面： 3 1 1 1 、耐火材料本身的质量 回转窑使用三种不定形耐火材料( 简称浇注料) 。不同产地的耐火材 料质量不同，导致内衬使用寿命差异较大，有的运行一年就要大修一次，有的 则可长达两年以上。另外，耐火材料受潮、过期等都会缩短内衬使用寿命。 表3 1 浇注料养生时间和强度的关系 时间( d ) l371 42 l2 8 强度( m p a ) 6 1 0 21 4 2 42 0 3 62 8 4 83 4 5 44 0 6 0 3 1 1 2 、施工质量 每种浇注料的加水量都有一定要求，过多过少都会影响浇注质量。搅拌是 否均匀，搅拌后到浇注完所用的时间是否超过限制，都会对内衬产生影响。另 外，浇注时的振实时间也很重要，振动时间短，浇注料未能充分振实，内衬结 构相对疏松，内衬寿命短。如果振动时间过长，则浇注料产生偏析，表面层颗 粒料减少，内衬使用过程中易产生剥落，影响内衬寿命。浇注料的养生时间也 硕士学位论文 第三章回转窑煅烧石油焦工艺分析 是影响内衬寿命的一个重要因素。轻质保温料应养生三天以充分排出水分和提 高强度。浇注料养生时间和强度的关系如表3 1 1 1 7 】。由此可见养生时间越长越 好。 3 1 1 3 、爪钉焊接强度及密度 内衬浇注前，要在窑筒体内焊接爪钉。爪钉的作用是使简体和内衬牢固连 接成一体，防止内衬脱落。爪钉相互错开，相距3 0 0 m m 。如果密度过稀，则筒 体和内衬连接强度减弱，爪钉焊接强度不够，同样减弱筒体和内树的连接强度， 增大了内衬脱落的可能性，缩短了内衬的使用寿命。另外，爪钉本身的强度及 材质对内衬也有影响，爪钉应使用耐热性好，热膨胀率小，强度高的材料。 3 1 1 4 、烘窑升温曲线对内衬的影响 新内衬养生后必须对其进行烘干、烧结逐步提高温度以进入生产状态，这 一过程称为烘窑【l 引。烘窑对内衬寿命而言是一个重要环节，如果烘窑时升温过 快，内衬中水分急剧排出，就会使内衬产生裂纹。如果达不到烧结温度，则内 衬强度不够。烘窑结束时，窑尾烟气温度即烘窑曲线基准温度不能过低，否则 投料后，窑尾温度迅速上升，对内衬的热冲击加大，不利于延长内衬寿命。 3 1 1 5 、内衬温度及稳定性 内衬在生产过程中承受的温度不能大于其使用温度，否则将使内衬材料发生 变质，影响使用寿命。也不要忽高忽低，因为过大的温度波动势必造成内衬中热 应力的变动，如此长期往复，会使内衬受到损伤。 3 1 1 6 、施工缝的涮料 内衬是间断施工的，每天由窑头到窑尾打一条，整个内衬共二十条。 条与条之间存在着施工缝，由于高温作用使耐火浇注料产生收缩，施工缝变大。 而筒体与浇注料之间的轻质保温料层经长期运转、振动已变得酥松。当某一条 旅工缝转到下面时，石油焦中的粉焦进入施工缝中，当该施工缝转到上面时， 保温层中的散料随同石油焦粉料一起洒落下来，这一过程称为涮料。长期如此 往复，会造成保温料层松空，导致爪钉被烟气腐蚀耗损，严重时可导致内衬脱 落。 3 1 1 7 、窑体的变形与振动 回转窑停运时间过长，托轮调整不当，高温等都可以使窑体( 即回转窑简 体) 产生变形。上窜力( 由托轮与窑体中心线不平行而产生的使窑体沿轴线向 上窜动的力) 、下滑力过大，传动部位小齿轮和大齿圈的齿顶间隙调整的过大或 过小等都会使窑体产生振动。窑体的变形和振动无疑会伤及内衬，降低其使用 寿命。 3 1 2 、提高内衬寿命的措施 硕士学位论文第三章回转窑煅烧石油焦工艺分析 通过上述分析，要延长回转窑内衬使用寿命应采取以下措施： 3 1 2 1 、使用质量优良的不定形耐火材料。 在窑尾部分温度相对较低处使用粘土耐火浇注料，位置从窑尾到距大齿圈 两米处。其余部分使用高铝耐火浇注料，要求其使用温度不小于1 4 0 0 c 。注意 不能使耐火材料受潮，也不能使用过期的耐火材料。 3 1 2 2 、爪钉加固 在煅烧带部位温度相对较高处，将爪钉由0 1 2 m m 改为0 1 4 m m ，密度由 3 0 0 m m 提高到2 5 0 m m 并焊接牢固，以增大窑体和内衬的连接强度。具体部位可 根据生产中内衬易破损部位而定，一般为从窑头5 m 到1 8 m 处即可。 3 1 2 3 、严格按施工技术操作规程( 标准) 进行施工，确保施工质量。 3 1 2 4 、j j t l 强, 内衬养生 保温料施工完成后，应保持3 天以上自然干燥时间、内衬施工完成后，应 保持7 天以上自然养生时间，以使其达到一定的强度。若因生产需要而无法满 足自然养生时间要求时，则应采用蒸汽加热养生。 3 1 2 5 、制定合理的烘窑升温曲线并严格执行。 试验表明：不定型耐火材料内衬( 厚1 5 0 m m ) 达到热平衡的时间只有4 小时【9 j ， 因此，制定烘窑升温曲线时，应遵循“慢升温，短保温”的原则。烘窑结束时的温 度最好控制在6 5 0 c 左右，即内衬的最终烧结温度。以煤气为外加燃料时，往往 达不到上述温度要求，此时可采用少量加料、利用物料挥发分的燃烧热来提高 温度的方法，当然，最好是使用热值更高的燃料。 3 1 2 6 、保持好工艺条件 控制窑内最高温度不要超过内衬的使用温度，并应尽量保持温度平稳和煅 烧带位置的相对稳定。 3 1 2 7 、减小机械影响 适当增加保温层厚度以降低窑体外表面温度，从而减小窑体变形程度。尽 量调整好机械运行状态，减小窑体振动。 3 1 2 8 、改变施工缝形式，防止涮料现象的产生，如图3 1 。 a 图3 一l 施工缝示意图 a 原施工缝b 改变后施工缝 硕士学位论文第三章回转窑煅烧石油焦工艺分析 实际生产过程中，通过采取以上措施，回转窑内衬使用寿命得到很大提高。 3 2 、物料在窑内的停留时间 物料在窑内的停留时间是回转窑煅烧的一个重要参数，它直接关系到产量、 质量及调温操作。它与回转窑规格、物料特性、窑转速、加料量等多种因素有 关。煅烧石油焦的m 1 7 4 x 2 5 m 0 1 9 4 x 2 0 m 回转窑中，物料的停留时间一般为 1 小时左右。时问过短，物料很快通过窑内，煅烧带难以控制，煅烧过程进行的 不完全而影响煅后焦质量。停留时间过长，在给料量一定时，会使料层厚度增 大，影响煅后焦质量均匀性( 夹生) ，还可能出现窑尾返料现象。若要料层符合 要求，只有减小给料量，这样就降低了煅烧的产量，而且停留时间过长还会增 大碳质烧损。因此，物料在窑内的停留时间要控制适当，如此才能既保证煅烧 产量，又保证煅后焦质量。 要确定物料在窑内的停留时间，首先要确定物料在窑内沿轴线方向移动的 速度。由于目前尚未找到类似石油焦特性的实测材料，所以还不能在生产过程 中测量物料移动速度。影响物料移动速度的因素很多，且大多为随煅烧过程的 进行而改变的变量。尽管如此，作为掌握物料移动速度的方法，仍可通过计算 求得。有关资料中已介绍了物料移动速度的计算公式，但笔者从不同观点出发， 推导出一个计算物料移动速度的公式。具体如下： 如图3 - - 2 ，w x y z 是水平面，e f g h 是料层斜面，a b 为窑体断面圆上料 层对应的弦长，a o 为料层倾斜而产生的下滑力，o c 为窑体倾斜而产生的下滑 力，a c 为窑体倾斜和料层倾斜产生的下滑力的合力方向，即物料颗粒沿料层斜 面滑落的方向，n 为窑体倾角，1 3 为料层倾角，y 为a b 和a c 的夹角，b c 为 物料每次随窑体转动由b