（工程热物理专业论文）炭素企业能量综合利用的研究.pdf

ad i s s e n a t i o ni ne n 百n e e 渤gt i l e n n o p h y s i c s t h es t u d yo ft h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f e n e 略y i nc a i b o np r o d u c t e n t e 印r i s e s b y z u oc h u l l y o u s u p e i s o r ：p r o f e s s o rc h e nw | e n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n “e r s i 蚵 j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 电 思。 学位论文作者签名：讫磊友 日期： 如哆勺。v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年留 学位论文作者虢铙友聊虢仍0 彳 签字吼如p 狮吧签字吼d 夕t 夕 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文 摘要 炭素企业能量综合利用的研究 摘要 国家节能政策影响、生产成本激增等因素促使节能降耗成为炭素企业发展的前提， 最大限度地实现炭素生产过程中的能量回收利用，降低炭素生产能耗成为重要研究课 题。 本文首先分析了有关炭素工业节能研究的现状，提出了将炭素企业作为整体开展 节能工作的思路，根据此思路，以海城某炭素公司为对象进行了相应的研究工作。根 据该公司的实际情况，首先对公司内部的能源流向进行分析，并计算出主要产品的单 位产品综合能耗。通过对公司能源流向及能耗的分析确定混捏成型工序和焙烧工序是 该公司的主要耗能工序，这两个工序消耗的主要能源是煤炭；然后对公司的主要能源 消耗设备、转化设备进行了热平衡测试分析，通过对重点设备的热平衡测试发现，该 公司导热油锅炉、焙烧炉热效率低，罐式煅烧炉排出的高温烟气具有回收利用潜力， 通过改善操作管理能够提高锅炉的热效率，而提高焙烧炉的热效率则需改进焙烧工艺。 根据公司能源利用情况、主要设备测试结果、发展计划制定了符合公司发展的节能方 案： ( 1 ) 配置余热导热油锅炉，充分利用罐式煅烧炉高温烟气余热，取代燃煤导热油 锅炉。 ( 2 ) 公司计划于2 0 0 9 年投产连续石墨化炉，利用该炉尾气作为焙烧炉燃料取代 煤气发生炉或者将尾气用于发电，待产能继续扩大后可以将部分尾气用作焙烧炉燃料， 其余部分尾气用于发电。 ( 3 ) 公司能源管理水平落后，缺乏节能意识，应根据公司具体用能情况制定并实 施严格的能源管理措施，提高公司的能源管理水平。 关键词：炭素制品；节能；煅烧炉；焙烧炉；导热油炉；余热 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文abstract t h es t i l d yo ft 1 1 ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no fe n e 唱yi nc a r b o n p r o d u c te n t e 叩r i s e s a b s 仃a c t 1 1 1 n u e n c e db yt h ef a c t o r ss u c ha sn a t i o n a le n 贸g yc o n s e r v a t i o np o l i c i e sa i l dt h e r o c k e t e dc o s t se t c ，e n e r g yc o n s e r v a t i o nh a sb e c o m eap r e i e q u i s i t et om ed e v e l o p m e n to f c a r b o np r o d u c te n t e 印r i s e s 1 1 1 e r e f o r e ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a i l tr e s e a r c ht o p i ct o m a ) 【i m i z et h ee n e r g yr e c o v e 巧a n dr e d u c em ee n e 唱yc o n s u i 】叩t i o ni nc a r b o np r o d u c t i o n t h ep a p e ra l l a l y z e sm ep r e s e n tr e s e a r c h e so nm ee n e r g yc o n s e r v a t i o ni nc a r b o n p r o d u c te n t e 印r i s e sf i r s t ，a i 】l dp r o p o s e sa ne n e r g yc o n s e r v a t i o nm e m o do fr e g a r d i n gac a r b o n p r o d u c te i l t e 印r i s ea saw h o l e i l la c c o r d a i l c ew i t h 蚰sm e t l l o d ac o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hh a s b e e nd o n ei nac a r b o np r o d u c tc o m p a n yi nh a i c h e n g t os t a nw i t h ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h ec o m p a n y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ee n e r g ) rd i s t r i b u t i o ni n s i d em ec o m p a n ya n d c a l c u l a t e st h ec o m p r e h e n s i v ee n e 唱yc o n s u m p t i o np e ru n i tp r o d u c to fm em a i nc a r b o n p r o d u c t s b a s e do nt h ea 1 1 a l y s i so fm ee n e r g yd i s t r i b u t i o ni n s i d et h ec o m p a n ya 1 1 dt h e a j l a l y s i so ft h ee n e f g yc o n s u n l p t i o n ，i ti so b v i o u st h a tl ( 1 l e a d i n ga i l db a l ( i n gw h i c hm a i n l y c o n s u m ec o a la r et h ep r i m a 巧e n e 唱y c o n s u m i n gp r o c e s s e s n e x t ，t h ep a p e rt e s t sa 1 1 d a 1 1 a l y z e st h et h e r m a le q u i l i b r i u mo ft h em a i ne n e r g yc o n s 硼叩t i o ne q u i p m e n ta i l dm ee n e 玛y t r a j l s f o n m t i o ne q u i p m e n t t h et e s ta 1 1 d 柚a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tm et h e n m le 衢c i e n c i e so f t h eh e a tc o n d u c t i o no 订b o i l e ra n db a k i n gm m a c ea r el o wa n dt h eh i g ht e l l l p e m t l l r ef u m eo f c a l c i n i n gm m a c e i sw o n h r e c o v e d n g t h et h e n m le 伍c i e n c yo ft h eb o i l e rc a l lb ee n h a i l c e d b yi m p r o v i n gt h eo p e r a t i o nm a n a g 锄e n t t h et h e 姗a le f f i c i e n c yo ft h eb o i l e r c a nb e e n h a n c e db yi m p r o v i n gm eo p e r a t i o nm a n a g e m e n t f i n a l l y ，b a s e do nt h eu t i l i z a t i o no f e n e r g yi n s i d et h ec o m p a n y ，t h et e s tr e s u l t so ft h em a i ne q u i p m e n t ，a n dm ed e v e l o p m e n tp l a n o ft h ec o m p a n y t h ep a p e rp r o p o s e sa ne n e r g yc o n s e r v a t i o np l a j lw h i c hc o r r e s p o n d sw i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h ec o m p a n y ( 1 ) t h ec o m p a l l yn e e di n s t a l law a s t eh e a tc o n d u c t i o no 订b o i l e rt or e c o v e ra n dm a k e v 一 东北大学硕士学位论文a b s t 豫c t m o s to fm ee n q g yo fm e1 1 i g ht e i 】叩e 咖r e 如m eo fm e c a l c i l l i n g 凡m a c ea n d t 0r 印l a c et l l e c o a l - c o n 鲫【n i n gh e a tc 0 n d u 出o no i lb o i l 既 ( 2 ) t h ec o m p 觚yp l a l l st ob u i l dac o n t i n u o u s 黟a p h i t i z a t i o ne l e c t r i cf u m a c e t h e 缸n e o fm i sc o n t i n u o u s 黟印l l i t i z a t i o ne l e c t r i c 向m a c ec a i lb eu s e da st h e 如e 1o fr o a s t i n g 如1 l a c e o rb eu s e dt og e l l e f a t ee l e c t r i c i 够i ft h e 如m ei su s e da st l l e 如e 1o f r o a s t i n g 向m a c e ，m eg a s p r o d u c e rc a i lb eg u b s t i n l t e d a sm eo u 印u ti n c r e a s e s ，s o m eo fm e 向m ec a i lb eu s e da s 如e 1 ， a 1 1 dm er e s tc a i lb eu s e dt og e n e r a t ee l e c t r i c i 吼 ( 3 ) t h ee n e 嘲，m a l l a g 锄e n to ft h ec o m p a n yh a sf a l l e nb e h i n d ，a 1 1 dt 1 1 ec o m p a l l yl a c k s t h ea w a r e n e s so fe n 鹕yc o n s e a t i o n 1 1 m s ，t l l ec o n l p a i l ys h o u l dm a k es t r i c tp o l i c i e sa i l d t a l ( ee 疏c t i v em e a s u r e st oi m p r o v ei t se n g ym a n a g 锄e n ta c c o r d i n gt oi t sa c t u a le n e 玛y c o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：c a r b o np m d u c t ，e n e q g yc o n s e r v a t i o n ，c a l c i n i n g 缸m c e ，b a l ( i n g 缸a 1 1 c e ， h e a tc o n d u c t i o no i lb o i l e r w a s t eh e a t v i 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s l 腧t v 目录v i i 第一章绪论1 1 1 炭素工业的发展1 1 2 中国炭素工业的发展2 1 3 研究背景5 1 3 1 研究背景概述5 1 3 2 炭素工业节能工作状况6 1 4 课题的研究内容和目的9 1 4 1 课题的研究内容9 1 4 2 课题的研究目的9 第二章公司概况与用能分析1 1 2 1 公司概况：1 l 2 1 1 公司基本概况1 1 2 1 2 公司2 0 0 7 年生产经营概况1 1 2 2 主要生产工艺概况1 2 2 2 1 破碎筛分车间工艺流程1 4 2 2 2 煅烧车间工艺流程1 6 2 2 3 混捏成型车间工艺流程1 7 2 2 4 焙烧车间工艺流程1 9 2 3 公司用能系统概况2 0 2 3 1 公司用能系统2 0 2 3 2 公司能源消费结构2 0 2 3 3 公司能源流向2 3 一v ；i 一 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 4 公司单位产品能耗2 3 第三章主要设备测试与分析2 5 3 1 导热油锅炉测试分析2 5 3 1 1 设备概况2 5 3 1 2 煤取样分析2 5 3 1 3 锅炉热平衡2 6 3 1 4 锅炉经济运行指标2 9 3 2 煤气发生炉测试2 9 3 2 1 煤的取样分析3 0 3 2 2 煤气成分表3 0 3 2 3 煤气发生炉物料平衡计算3 0 3 2 4 煤气发生炉热平衡3 1 3 2 5 煤气发生炉主要指标3 3 3 3 焙烧炉测试3 4 3 3 1 设备概况3 4 3 3 2 焙烧炉热平衡测试内容与方法3 5 3 3 3 焙烧炉热工测试主要数据汇总3 9 3 3 4 焙烧炉热平衡4 1 3 3 5 焙烧炉主要指标4 5 3 4 罐式煅烧炉测试4 6 3 4 1 石油焦热参数及烟气成分分析4 6 3 4 2 物料平衡4 7 3 4 3 热平衡计算4 7 3 4 4 罐式炉的主要指标5 0 第四章节能方案制定与分析5 l 4 1 罐式煅烧炉余热资源分析5 1 4 1 1 罐式煅烧炉余热资源量5 1 4 1 2 罐式煅烧炉余热资源利用方案5 2 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 连续石墨化炉余热资源分析5 4 4 2 1 连续石墨化炉工作原理5 4 4 2 2 连续石墨化炉尾气资源量5 5 4 2 3 连续石墨化炉尾气资源利用方案5 6 4 3 节能管理5 8 第五章总结6 1 参考文献6 3 致 射6 5 攻读学位期间发表的论文6 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 炭素制品是指将石油焦、无烟煤、天然石墨等炭素材料经过一系列加工得到的具 有一定形状及物理化学性质的产品【1 1 。 1 1 炭素工业的发展 人类发现和利用炭素材料已经有数千年的历史，但是人类大规模生产炭素制品是 从1 9 世纪开始的。1 8 及1 9 世纪在欧美兴起工业革命，由于炭素材料的特殊性能，首 先被选中作为高炉的内衬及电冶炼的导电材料，就数量而言，炭质或石墨质的炉衬炭 块和导电用石墨电极是近代炭素制品中的两大类产品。2 0 世纪以来，各种炭素新材料 不断涌现，用途越来越广泛，品种越来越多，炭素制品的工业规模也相应扩大，逐渐 形成一个独立的工业部门。 1 8 0 0 年h u m p h r yd a v y 把木头炭化加工成棒，作为电极产生电弧。这种电极质地 酥松也不均匀，后来他用木炭粉加上一些稠焦袖，二者混和后，在0 6 8 9 m p a 压力下 成型，再焙烧制成电极。 f o u c a u l t 是利用煤气发生炉炉壁上热解沉积的炭来制造电极的，这种热解沉积的 炭，强度比木炭大很多。1 8 4 6 年s t a i t e 和e d w a r d s 申请了一个专利，用粉状焦和糖混 和，在压力下成型，再在高温下焙烧，然后将它放入糖溶液中浸渍，使糖填充电极的 孔隙，在经过二次焙烧，使材料更密实。 l e o n o l t 的方法是用两份沉积在煤气发生炉上热解沉积的炭，加两份木炭和一份液 体焦油组成糊状物。经过混捏加压成型，再在成型生制品上涂一层糖或糖浆，然后在 高温下焙烧3 0 小时。 1 8 7 6 年1 月1 5rc a r r e 将一定比例的纯焦炭细粉、煅烧过的灯黑、糖浆放在一起， 经过混捏组成硬的糊状物，然后用液压方法成型，成型后的棒，装入灌中进行焙烧， c 撇在其专利中叙述了煅烧、粉碎、成型( 模压和挤压) 、焙烧的操作情况。 1 8 9 6 年e ga c h e s o n 获得了用电炉生产石墨的专利。1 8 9 7 年6 月，a c h e s o n 用电 炉生产了第一炉石墨电极，电极规格为2 2 3 2 3 8 1 h l l n ，共2 9 0 5 根，总重1 0 4 4 妇。 电炉长4 9 m ，电流为7 8 0 0 a ，产品装炉0 3 m 高，四周用5 0 0 8 1 1 1 i n 厚的填料将产品包 东北大学硕士学位论文第一章绪论 围。1 8 9 7 年全年共成功生产了6 4 4 1 0 蚝的制品。 由上可见，现代炭素生产的主要工序：煅烧、粉碎、配料、混捏、成型、焙烧、 浸渍、再焙烧、石墨化，在1 0 0 年前就基本确立。而这些基本工序的确立，假如从1 8 0 0 年算起，大约用了1 0 0 年左右的时间。若以1 9 0 0 年a c h e s o n 石墨公司开始建厂生产石 墨制品作为现代炭素工业的起始点，那么炭素材料的产业化只有1 0 0 余年的历史【2 1 。 1 2 中国炭素工业的发展 中国炭素工业起步较晚，全国解放后由于电炉炼钢及电解铝工业的需要，当时在 山西大同和天津市利用天然石墨生产了少量的天然石墨电极用于电炉炼钢，1 9 5 3 年在 抚顺铝厂利用国产抚顺石油焦试制人造石墨电极及生产电解铝用阳极糊。 1 9 5 5 年引进苏联技术的吉林炭素厂投产，成为中国炭素制品工业的摇篮。2 0 世纪 5 0 6 0 年代，吉林炭素不仅承担了国内各行业对各种炭素制品的需要，而且培养了大 批炭素生产专业技术人才，5 0 年代末至7 0 年代末中国又新建了兰州炭素厂、上海炭 素厂、南通炭素厂，这四个炭素厂成为中国炭素工业的骨干厂。2 0 世纪8 0 年代及9 0 年代，中国各省、市又相继建成了上百个中小型炭素厂，但其中相当一部分设备比较 简陋，技术力量薄弱，生产规模也不大，多数只生产中小规格石墨电极、自焙电极、 电极糊、阳极糊等产品。到2 0 世纪末中国炭素企业有1 0 0 多个( 不包括铝厂的炭素制 品分厂和车间) 。其中安装有不同规格的现代化技术装备( 较精确的配料设备、挤压机、 焙烧炉、石墨化炉、专用加工机床) ，生产比较正规的炭素厂有5 0 个左右。2 0 世纪末 1 0 0 多家炭素厂估计的年生产能力1 0 万t 左右，炭块年生产能力已达到1 5 万t ，矿热 电炉的炭质电极年生产能力达到1 5 万t 左右。另外，电极糊年生产能力已达到3 0 万 t 以上，其中密闭型矿热电炉所需的优质电极糊产量明显增加。铝工业用的阳极糊及 预焙阳极年产能力已达到2 0 0 万t 左右，国内冶金工业急需的连铸用高强高密石墨已 研制成功( 有的使用等静压成型方法生产) ，生物工程用特种石墨，各种炭纤维，航天 用石墨材料等高技术产品也都有所突破。 在2 0 世纪的8 0 年代到9 0 年代期间，列入冶金部统计口径的4 0 多家炭素厂都进 行了不同程度的扩建和技术改造，各地对炭素行业的投资达2 0 亿元人民币以上，增加 了1 0 多台2 0 0 0 3 5 0 0 t 水压机或者油压机，新建了1 8 3 6 室环式焙烧炉1 0 台以上， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 石墨化炉普遍由交流改为直流送电，石墨化炉的生产能力增加了2 倍多，引进了大吨 位挤压机，混捏锅、高压浸渍设备，二次焙烧设备及石墨电极加工，炭块加工专用机 床，炭素制品工业的装备水平有了明显提高。在2 0 世纪9 0 年代，大中规格的高功率 石墨电极已经大批量生产，年产量已经达到1 0 万t 左右，超高功率石墨电极于2 0 世 纪9 0 年代初着手研制，中等规格的超高功率石墨电极已经研制成功并批量生产，大规 格超高功率石墨电极也进入小批量试制及试用阶段，2 0 0 0 年生产超高功率石墨电极2 万t 。 在2 0 世纪8 0 年代，由于中国电冶炼工业发展较快，一度出现了石墨电极供不应 求的紧张局面，从1 9 8 1 年起进口石墨电极，特别是在“七五期间进口了5 6 万t ， 平均每年进口1 1 万t ，其中部分为高功率及超高功率石墨电极，主要从日本进口，也 有少量从西德和美国进口，到2 0 0 0 年国内大规格超高功率石墨电极大多依赖进口，如 当年进口石墨电极1 5 7 2 t ，其中直径5 5 0 7 0 1 i l l 的大规格超高功率石墨电极约占 8 5 ，同时也有石墨电极出口，多数是中小规格的普通功率石墨电极和高功率石墨电 极，出口量逐年递增，到2 0 0 0 年当年出口石墨电极5 2 2 5 3 t ，铝电解槽用阴极炭块、 预焙阳极、电极糊等产品的出口量也在逐年递增【l j 。 “十五”期间我国炭素工业通过深化企业改革、转换经营机制、调整产品结构、 加强企业管理，生产得到了很大发展。随着我国电炉钢产量由2 0 0 0 年的1 4 5 7 万t 迅 速增加到2 0 0 5 年的4 1 7 9 万t ，与此相适应，我国炭素工业2 0 0 5 年生产了4 0 4 8 万t 炼钢用石墨电极，是2 0 0 0 年1 9 6 8 万t 的2 0 6 倍，五年增产2 0 8 万t ，年均增产石墨 电极4 1 6 万t ，年均增长1 5 5 。 据中国炭素行业协会不完全统计，2 0 0 1 年至2 0 0 5 年炭素制品产量情况如表1 1 ( 不 包含铝用炭素制品) 。近年来，我国炭素工业通过加大研发投入、加快科技创新和技术 改造，产品结构不断优化，优质高档电极超高功率石墨电极在石墨电极中所占比 例逐年增大【3 1 。 2 0 0 1 年至2 0 0 5 年我国炭素制品产量不断提高，出口量大增。据不完全统计，主 导产品炼钢用石墨电极2 0 0 5 年出口1 4 7 9 万t ，是2 0 0 0 年出口量5 5 5 万t 的2 6 6 倍， 五年上升9 2 4 万t ，年均出口增长1 8 5 万t ，年均增长2 1 6 5 。石墨电极出口量在2 0 0 7 年达到了1 8 万t ，在占领国际市场、出口创汇方面取得较大进展。具体情况如表1 2 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 近年炼钢用石墨电极进出口情况 t a t ) l e l 2 1 r h em 皿b e ro f o u 咖ta n d 帅u to f m es 妇1 - m 蛐g 鲫h i t ee l e c 仃o d e si nn e a ry e a l l s “十五”期间，为了适应国民经济发展，提高企业的竞争力，大型骨干炭素企业 普遍加大了技术改造步伐，装备水平明显提高：在压型工序，电极挤压机向大吨位发 展，全行业已有2 5 0 0 t 及以上吨位压机4 3 台，大吨位压机的压型产能比2 0 0 0 年增长 约3 0 ；在焙烧工序，以节能环保型环式炉代替落后的倒焰窑和地坑炉已经是企业的 普遍选择，先进的环式炉、车底式炉、隧道窑的产能占焙烧工序产能的比重已从2 0 0 0 年的约7 0 提高到现在的约9 0 ；在石墨化工序，内串石墨化生产线从无到有，目前 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 已建成约4 0 条，1 0 0 0 0 k 、厂a 及以上大型石墨化机组已投产约5 0 台套。吉林炭素、海 龙科技、南通碳素、上海碳素、八三炭素、河南三力炭素、抚顺炭素、辽阳炭素、广 汉士达炭素、长城长电极、晋能炭素、开封炭素等一大批企业的主要生产技术装备已 经达到或者接近国际水平。 虽然我国炭素工业在产量方面不断增加，在出口创汇方面取得了较大进步，但由 于近年来炭素工业用原材料价格连年暴涨( 2 0 0 1 年国产优质石油焦5 0 0 元t ，沥青8 0 0 元t ，进口针状焦4 0 0 美元t ，到2 0 0 7 年1 1 月份三者分别为2 6 0 0 元t 、2 5 0 0 元t 、1 3 0 0 美元t 【4 】) 以及体制、产能过剩等原因，致使全行业在2 0 0 1 年至2 0 0 5 年总共亏损2 8 2 6 1 万元。2 0 0 7 年全行业有一半企业处于亏损状态。 经过多年的努力，中国炭素工业与国内市场需要的矛盾已经不在于数量，而在于 品种和质量。在2 1 世纪的头1 0 年间，无论在石墨电极、石墨阳极、炭块、电极糊从 总量上处于供过于求的状况。以石墨电极来说，主要消耗在电炉炼钢，中国钢厂经过 技术改造，已经有相当一部分炼钢厂采用超高功率炼钢技术，普通功率石墨电极需要 量大幅度减少，而超高功率石墨电极需要量剧增，特别是直径在5 5 0 i i 瑚以上的大规 格超高功率石墨电极。国内大规格超高功率石墨电极产量有限，大多数超高功率石墨 电极依赖进口。尽快增加大规格超高功率石墨电极产量以满足国内电炉钢厂的需要是 当务之急，而高功率石墨电极和普通功率石墨电极生产过剩，因而应扩大出口并限制 产能。 1 3 研究背景 1 3 1 研究背景概述 生产炭素制品需要消耗大量的能源，提高能源利用水平，降低能耗是炭素生产的 必然趋势【5 】。建设资源节约型社会，促进企业丌展节能降耗工作成为“十一五”期间 的工作重点，因此节能降耗成为炭素企业发展的前提，要求炭素企业最大限度地实现 生产过程中资源循环利用，最大限度地减少废弃物排放，使炭素工业成为资源节约型 产业1 3 】。炭素生产用原材料尤其石油焦价格近年来持续暴涨等原因使全行业近一半企 业处于亏损状态，以致成本大增成为制约炭素行业发展瓶颈【6 】，节能降耗成为炭素企 业降低生产成本，提高企业竞争力的重要因素。国家标准g b 2 1 3 7 0 一2 0 0 8 炭素单位产 一一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 品能源消耗限额于2 0 0 8 年6 月颁布实施，对于炭素生产中的能源消耗( 以下简称能 耗) 限额首次以国家标准的形式明确，标准规定了石墨电极( 普通功率石墨电极、高 功率石墨电极、超高功率石墨电极) 、炭电极和炭块( 普通炭块、石墨质炭块、半石墨 质炭块、微孔炭块) 等炭素制品及其主要生产工序单位产品能源消耗限额的技术要求、 统计范围和计算方法、节能管理与措施，该标准的颁布使炭素生产企业对自身生产过 程中的能源消耗量有了参考标准，同时也要求炭素企业必须更加重视节能工作。 炭素制品的生产过程是一个错综复杂的过程，影响能耗水平的因素有许多【5 j ，因 此利用系统节能理论分析炭素生产过程中能源利用方面存在的问题和薄弱环节，挖掘 节能潜力，实现资源循环利用，已成为炭素企业降低生产成本、提高综合经济效益的 重要研究课题。本文以海城某炭素公司为对象，利用系统节能理论分析该公司的能源 利用水平和节能潜力，提出符合公司现状及发展的节能改造方案，同时该方案可供其 它炭素企业参考借鉴。 1 3 2 炭素工业节能工作状况 我国炭素工业的发展已经走过5 0 多个年头，但是国内主要生产企业和科研单位将 精力主要集中于研究如何提高炭素制品的质量，另外因为近年来国家对环保要求的提 高，开始有部分研究机构从事于研究炭素工业的环保，但是很少有机构专门从事炭素 工业的节能研究，数量不多的研究资料显示，仅有的一些研究工作也只是从单体设备 或者单个工序方面进行考虑，而不是把炭素生产的整个工序结合起来、将炭素企业作 为一个整体进行研究。根据笔者收集的研究资料分析，目前国内对于炭素生产节能工 作的研究主要集中于两个工序：焙烧和煅烧。 焙烧工序是炭素制品生产过程的关键工序，目前国内外炭素行业使用的焙烧设备 有：环形焙烧炉( 分带盖和敞开) 、隧道窑、倒焰窑、车底式焙烧炉、回转式焙烧炉、 单式炉等多种形式焙烧设备【7 1 。而专门用于电极焙烧的炉型主要有3 种：带盖式环式 炉、敞开式环式炉、倒焰窑【引。前两种主要区别在于生产周期不同，由于倒焰窑能耗 高、污染大、升温不均匀、升温控制不方便等缺陷己被国家列为淘汰类设备，目前只 有少数规模比较小的炭素企业还在使用。不同规格形式的炭素制品都可以选取环形焙 烧炉作为焙烧设备，主要差异在于焙烧曲线的选取。因为近年来我国电解铝工业的迅 东北大学硕士学位论文第一章绪论 猛发展，铝用阳极焙烧炉成为被研究的重点。我国的阳极焙烧技术是在消化8 0 年代初 引进的日轻焙烧技术的基础上发展起来的。二十多年来，由于各种原因，国内各生产 企业及科研设计单位仅在燃料选取、火道隔板、耐火材料、阳极装炉层数等方面作了 少量改进，总的说来进步不大，基本仍停留在日轻焙烧炉的技术水平上。近几年来随 着国外阳极焙烧技术的飞速发展，我国也通过设备引进的方式适应铝电解技术的发展， 但是，由于知识产权保护等原因的限制，国外往往只提供纯设备的引进，而有关焙烧 的核心技术如炉体的设计计算方法等并不属于引进之列，这样，试图依靠这种设备引 进的方法来提高我国阳极焙烧技术就必然是消极的、间断的和非本质的，势必会使我 国的铝电解工业的发展处于被动的地位。目前，我国的炭素设计院所还没有制订统一 的焙烧炉设计规范标准，对焙烧炉的设计只能是模仿设计或依经验而为，很难做到因 时、因地、因量进行科学合理设计，国内的炭素厂也普遍存在着能耗高、焙烧质量差、 生产能力低、污染大等缺点，焙烧炉的能耗往往是国外同类炉型的1 5 5 2 5 7 倍p j 。 沈阳铝镁设计研究院的王名生【1 0 】在1 9 8 6 年发表文章认为：影响炭素焙烧热耗指标 的因素很多，其中燃料结构是重要因素之一，理论与实践都已证明，在其它条件一定 时，炉子的热耗随燃料热值的提高而降低；在对焙烧炉制定热耗指标和进行焙烧炉热 耗评比时应考虑燃料热值的客观影响并进行炉子热耗的合理折算。中南大学的张平【l l j 等在1 9 9 3 年发表文章认为以青海铝厂的实践经验表明合理改进焙烧曲线使火道温差 减小，控制中温升温速率，适度保持高温能够达到提高和稳定阳极质量的目的，同时 能够实现节能降耗的效果。 煅烧工序是炭素生产的原料预处理工序。在我国生产大型炭素制品的工厂中用于 原料煅烧的设备，除了因制品对煅后料的质量有特殊要求而采用高电耗的电气煅烧炉 之外，一般采用回转窑和罐式煅烧炉【1 2 ，1 3 】。回转窑具有产能大，基建投资省，自动化 水平高的特点，但是明显不足是炭质烧损大，一般为8 鼽1 0 甚至更高，并且其能耗 高，影响了实际工作的理想性【1 4 】；煅烧炉具有产品质量稳定，炭质烧损低，一般为 1 5 5 ，操作简便，维护工作量小，能耗低【1 5 1 6 】等特点。经过多年的研究改进，目 前不论是回转窑还是煅烧炉在正常生产时都是依靠煅烧物料本身排除的挥发分作为燃 料，除了烘炉( 烘窑) 及点火初期外一般不需要外供燃料，依靠挥发分的燃烧就能满 足煅烧热量要求。回转窑和煅烧炉的排烟温度通常高达8 0 0 1 1 0 0 【1 7 1 8 ，1 9 ，2 0 1 ，充分利 东北大学硕士学位论文第一章绪论 用烟气余热成为炭素企业实现节能的重要措施。 目前，回收回转窑烟气余热常用的方法是设置余热锅炉，而设置余热锅炉的方法 有以下两种：设置低压余热锅炉和设置次中压余热锅炉。 在回转窑沉灰室后设置低压余热锅炉，这种余热锅炉的设计压力为1 2 5 m p a ，蒸汽 温度为饱和温度。高温烟气进入余热锅炉，通过热交换将热量传递给对流管束中的水， 使之变成蒸汽。降温后的烟气经过除尘器除尘后，达到排放标准，通过引风机引入烟 囱，进行排空处理。余热锅炉所产的蒸汽供工厂生产、生活用。在炭素厂中，生产用 汽较少，或基本没有，生活用汽也很少，若工厂附近也没有其它热用户则余热锅炉的 蒸汽只有向空中排放，此时余热锅炉实际上只起到了使烟气除尘、降温的作用。在北 方地区、由于冬天需要采暖，还可以季节性的利用余热锅炉的蒸汽；在南方地区，由 于冬天不需要采暖，余热锅炉排汽的现象尤为突出。此方法虽然投资较少，系统简单， 但在没有蒸汽用户的情况下，不能保证余热能够完全有效利用。 在回转窑沉灰室后设置次中压余热锅炉，这种余热锅炉的设计压力为2 4 5 m p a ， 过热蒸汽温度为4 0 0 ，同时还需设置汽轮发电机组，这样余热锅炉所产蒸汽除满足 工厂生产、生活的要求外，剩余蒸汽还可通过汽轮发电机组发电。汽轮发电机组的年 工作时间与回转窑一致，不会有蒸汽排空的现象发生，完全利用了回转窑烟气余热1 2 。 由于回转窑产能大，烟气量大，余热资源丰富，回转窑与次中压余热锅炉相配套，从 而利用烟气余热发电的模式可以被推广。万多稳【冽等在2 0 0 5 年发表文章详细比较了 将回转窑烟气余热直接排放、安装余热锅炉部分回收利用烟气余热、安装余热发电配 套措施的经济效益和环境治理效益，结果显示采用余热发电具有明显的优越性。何艳 丽等在2 0 0 5 年发表文章介绍了宁夏青铜峡铝业集团股份有限公司利用回转窑烟气 余热进行发电的实践经验。胡兴利【2 4 】在2 0 0 7 年发表文章分析了某铝业集团利用回转 窑余热进行发电所带来的经济效益及社会效益，文章还分析计算了利用回转窑余热进 行发电所需要的配套设施，为回转窑余热发电的推广提供了参考依据。燕敦珍【2 5 】等在 2 0 0 8 年发表文章介绍了大屯铝业有限公司炭素煅烧回转窑烟气余热的回收利用情况， 因为该公司炭素阳极设计产能达6 4 万t 年，因此余热资源丰富，经设计改造该公司 的余热资源实现了充分合理利用，该公司将】5 左右的烟气余热用于炭素成型导热油 系统，取代了原来的燃油热媒炉，解决了原来燃油热媒炉运行稳定性差、安全隐患大、 东北大学硕士学位论文第一章绪论 运行成本高等问题，实现了良好的经济效益和社会效益，为回转窑烟气余热的利用开 辟了新的道路；该公司将剩余烟气余热用于厂内采暖以及余热发电，实现了烟气余热 的综合利用，以较小的投资获取了最大收益。 相对回转窑而言，罐式煅烧炉的产能较小，因此余热资源相对较少，如果采用余 热发电的方法，则会因为投资大、占地多、系统复杂、效率低等因素导致经济效益差， 但是罐式煅烧炉在煅烧石油焦的过程中又产生含有丰富的热量资源的高温烟气。将罐 式煅烧炉与导热油余热锅炉配套是最经济合理的方式，导热油余热锅炉系统回收炭素 煅烧炉烟气余热已经成为国家发改委的推广范例。 1 4 课题的研究内容和目的 1 4 1 课题的研究内容 本课题主要分析海城某炭素公司的能源利用状况、能源管理情况、用能情况及能 源流程、能源计量及统计分析、能源消费结构、主要用能设备效率、单位产品综合能 耗、能源成本、节能量、节能技改项目及公司未来的发展规划等与公司用能相关的内 容。 1 4 2 课题的研究目的 根据能量守恒、质量守恒的原理，运用系统节能的理论，对企业生产经营过程中 的投入产出情况进行全方位的调查，通过对海城某炭素公司能源利用的物理过程进行 检验和核查，对主要耗能设备和工艺进行测试计算，分析其能源利用状况，并分析其 能耗、物耗水平，从而查找出存在的问题和漏洞，分析节能潜力，在考虑公司未来发 展规划的基础上，提出切实可行的节能措施和建议，指导该公司提高能源管理、利用 水平，合理使用能源，提高能源利用效率，以达到节能降耗，节约生产成本的目的， 在此基础上提出对炭素行业有指导意义的节能方案。 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文第二章公司概况与用能分析 第二章公司概况与用能分析 2 1 公司概况 2 1 1 公司基本概况 海城某炭素公司始建于1 9 8 7 年，是辽宁省冶金炭素行业生产和出口的骨干企业之 一。 公司主要生产各种炭糊制品、小规格电极制品，所生产的产品畅销全国并远销俄 罗斯、东南亚、南北美、西亚等多个国家和地区。公司正与相关科研单位合作研究连 续石墨化炉的建设，计划于2 0 0 9 年实现石墨化焦的规模化生产。近几年来该公司一直 被评为海城市诚信企业和纳税五十强企业。公司现有职工2 8 0 人。 2 1 2 公司2 0 0 7 年生产经营概况 公司内拥有破碎筛分车间、煅烧车间、混捏成型车间、焙烧车间等炭素产品生产 车间，主要生产设备包括2 4 罐煅烧炉一座、6 罐煅烧炉一座、1 1 座混捏装置、1 5 0 0 吨油压成型生产线、1 6 室环形焙烧炉一座、1 8 室环形焙烧炉一座等炭素产品生产配套 设施。 公司生产的糊类制品主要供给各铁合金厂，国内主要供给辽宁、吉林、黑龙江、 湖南等省，国外主要出口韩国、朝鲜、俄罗斯、马来西亚、古巴等国；电极制品主要 销往省内周边地区，包括：海城、台安、盖县、大石桥等地。2 0 0 7 年共生产各类产品 总共4 6 3 0 7 2 5 吨，其中主要产品为炭糊类产品共3 0 9 6 9 5 9 吨( 包括标准电极糊2 4 5 5 7 8 吨，密闭糊1 7 5 3 1 0 9 吨，阳极糊1 0 9 8 2 7 2 吨) ，炭电极5 0 9 1 2 8 吨，以及少部分冷倒 糊和石墨压