（机械设计及理论专业论文）环式焙烧炉控制系统设计与研究.pdf

硕士学位论文 摘要 炭素阳极焙烧是铝工业的重要工序之一。随着铝工业的发展，对炭素阳极需 求量越来越大，对其质量要求也越来越高。阳极焙烧质量的好坏将直接影响到铝 电解生产的电流效率和能耗。因此，如何改进阳极质量，如何提高阳极焙烧技术 就成为开发具有自主知识产权铝电解工业的重要课题! 由于铝电解阳极技术在许 多方面涉及石油化工、煤焦油化工、炭素工艺、热工炉窑和铝电解技术等许多边 缘学科，因此对阳极焙烧的工艺、控制等各个方面的深入研究任重而道远! 本文对兰州铝业有限公司焙烧车间3 6 室环式焙烧炉进行研究。本项目为该 厂二期扩建项目，本人有幸参与并对其自动化控制系统做些研究工作。该项目由 法国s c t a r a m 公司与兰州理工大学共同承建，扩建后的设备装备水平高、操作控 制周期短、产品质量高、耗能低、产量高，增强了企业竞争力。 本文首先详细介绍了阳极焙烧的意义和国内外的发展动态，阐述了国内生产 阳极技术和国际先进水平的差距。然后介绍了焙烧过程中的影响因数，也就是如 何提高焙烧阳极质量。提高阳极质量的直接效果就是减少电解过程中的阳极净消 耗量。接着介绍了焙烧原理和工艺要求，整个焙烧过程包括粘结的分解、挥发分 排出和焦化。还介绍了几种控制原理主要是对温度和压力进行有效控制。由于实 际生产中主要采用p i d 控制并且控制效果很好，因此本文对p i d 控制进行了研 究，同时提出一种新型模糊p i d 控制方法。最后结合实际对焙烧一级设备和二 级设备( 中央设备) 的具体配置，整体系统的软硬件组成及运行状况，如何进行 通信和控制等进行了较为详细的研究。 本文主要研究工作： 1 由于p i d 控制方法比较成熟，在实际工程中使用广泛，兰铝二期扩建项 目亦采用p i d 控制方法，实际表明控制效果良好。但是，由于自然条件等诸多 不确定因数影响，使气压差、温差变化较大，将影响焙烧炭阳极质量。因此本文 提出一种新型模糊p i d 控制算法，从理论上进行研究。 2 中铝公司青海分厂近期准备进行阴极车间二期工程的招标，并邀请我们 公司竞标。因此本文对焙烧一级设备和二级设备进行了详细的研究，作为竞标的 初步方案。2 0 0 3 年由兰州理工大学数控加工中心和电信学院承建的白银铝厂环 式阳极焙烧控制系统项目得到了甲方的认可和表扬，设计出具有自主知识产权的 控制系统和软件。本文对此进行借鉴、研究，并在此基础上对兰州二期焙烧项目 进行深入研究。 环式焙烧炉控制系统设计与研究 关键词：阳极焙烧炉；炭素阳极；p i d 控制；p l c ；自动控制；燃烧技术；火焰 系统 n 硕十学位论文 a b s t r a c t c a r b o na n o d eb a k i n gi so n eo fi m p o r t a n tw o r k i n gp r o c e d u r e si na l u m i n i u m i n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa l u m i n i u mi n d u s t r y , m o r ec a r b o na n o d e sa n d h i g h e rq u a l i t ya r eb o t hr e q u i r e d t h eq u a l i t yo fc a r b o na n o d e sw i l lh a v ed i r e c t i m p a c to nc u r r e n te f f i c i e n c ya n de n e r g yc o n s u m p t i o nt oa l u m i n i u me l e c t r o l y s i s p r o d u c t i o n s o ，h o wt oi m p r o v ec a r b o na n o d eq u a l i t y , h o wt oi m p r o v ea n o d eb a k i n g t e c h n o l o g yb e c o m ei m p o r t a n tt a s k sf o rd e v e l o p i n gi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i na l u m i n i u m e l e c t r o l y s i si n d u s t r y s i n c et h ea l u m i n i u me l e c t r o l y s i si n d u s t r y i n v o l v e s m a n y o t h e rf i e l d s i n c l u d i n gp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , t a ro i lc h e m i c a l i n d u s t r y , c a r b o nt e c h n i c s ，h e a tf u r n a c ea n da l u m i n i u me l e c t r o l y s i sw h i c ha r ef r o n t i e r b r a n c h e so fs c i e n c e s ot h es t u d yi nm a n ya s p e c t si n c l u d ea n o d eb a k i n gp r o c e s sa n d c o n t r o ls t i l lh a sal o n gw a yt ow a l k t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to f3 6c i r c l ea n o d eb a k i n gf u r n a c ei nl a n z h o u a l u m i n i u ml t d t h i si st h ee x p a n d e dp r o j e c t ，a n dia mf o r t u n a t et h a tip a r t i c i p a t e d a n dd i ds t u d yo na u t oc o n t r o ls y s t e m t h ep r o j e c tw a sc o m p l e t e db yb o t hs e t a r a mo f f r a n c ea n dl a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a f t e rf i n i s h e d ，t h e yh a v eh i g h e r e q u i p m e n tl e v e l ，s h o r t e rp e r i o do fo p e r a t i o na n dc o n t r o l ，h i g h e rp r o d u c t i o nq u a l i t y , l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g h e ro u t p u t ，a n ds t r e n g t h e ne n t e r p r i s ec o m p e t i t i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l ya n o d eb a k i n gf u r n a c es i g n i f i c a n c ea n di t sd e v e l o p m e n to f h o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，i te x p a t i a t e st h eg a pb e t w e e ni n t e r n a la n d i n t e r n a t i o n a ll e v e li nl l r o d u c i n ga n o d et e c h n o l o g y t h e ni ti n t r o d u c e st h 6i n f l u e n c e d f a c t sd u r i n gb a k i n gp r o c e s s ，i no t h e rw o r d s ，w es h o u l dt r yt oi m p r o v et h ea n o d e b l o c kq u a l i t y t h ed i r e c te f f e c to fi m p r o v i n ga n o d eb l o c kq u a l i t yi st oc u td o w nt h e a n o d ec o n s u m p t i o nd u r i n g e l e c t r o l y z i n gp r o c e s s t h e n i ti n t r o d u c e d b a k i n g p r i n c i p l e sa n dc r a f t w o r kr e q u i r e m e n t t h ee n t i r eb a k i n gp r o c e s si n c l u d e st h ec o h e r e d e c o m p o s i t i o n ，v o l a t i l i t y e x h a u s ta n dc o k i n g i ta l s oi n t r o d u c e ds o m ec o n t r o l m e t h o d sm a i n l yt oc o n t r o l t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ee f f e c t i v e l y b e c a u s ep i d r e g u l a t i o nm e t h o di sm a i n l yu s e di nr e a lp r o d u c t i o na n dw e l ld o n e ，id ot h es t u d yo f p i d r e g u l a t i o n f i n a l l y ，id od e t a i l e ds t u d yo nc o n f i g u r a t i o no fl e v e l1a n dl e v e l2 e q u i p m e n t s ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dr u n n i n gs t a t u so ft h ew h o l ef i r es y s t e m ， a n dh o wt h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l l i n ga r ec a r r y i n go u ta c c o r d i n gt ot h er e a l p r o d u c t i o na n dp r o j e c t m 环式焙烧炉控制系统设计与研究 t h cm a i nw o r ka sf o l l o w s ： 1 b e c a u s ep i dc o n t r o lm e t h o di sv e r ym a t u r ea n du s e dw i d e l yi nr e a lp r o j e c t i t w a sa l s ou s e di ne x p a n d e dp r o j e c ta n di n d i c a t e dt h a ti t sc o n t r o le f f e c tw a sg o o d b u t b e c a u s eo ft h en a t u r a lc o n d i t i o na n dm a n yi n d e f i n i t ef a c t o r s ，t h ea i rp r e s s u r e d i f f e r e n c ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sb i g ，w h i c hw i l li n f l u e n c et h eq u a l i t yo f c a r b o na n o d e s oib r i n gf o r w a r do n ef u z z yp i dr e g u l a t i o nm e t h o da n ds t u d yi ti n t h e o r y 2 r e c e n t l y , t h ec h a l c oq i n g h a ic o m p a n yi sp r e p a r i n gf o re x p a n d e dp r o j e c tf o r c a t h o d ep l a n t t h e yi n v i t e du st oj o i nt h ep u b l i cb i d d i n g 1d i dd e t a i l e ds t u d yo n l e v e l la n dl e v e l2i nt h i sp a p e rw h i c hw i l lb eu s e dt ob i d d i n ga se l e m e n t a r ys c h e m e t h ep r o j e c to fa n o d eb a k i n gf u r n a c eo fb a i y i na l u m i n i u mc o m p a n yw h i c hw a s c o m p l e t e db yn u m e r i c a lc o n t r o lc e n t e ra n dt e l e c o mc o l l e g eo fl a n z h o uu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g yw a sr e c o g n i z e da n dp r a i s e db yp a r ta t h ec o n t r o ls y s t e ma n d s o f t w a r ew e r ed e s i g n e db yu si n d e p e n d e n t l y iu s e di tf o rr e f e r e n c e ，a n dd i df u r t h e r s t u d yo nl a n z h o ua l u m i n i u mc o m p a n ye x p a n d e da n o d eb a k i n gp r o j e c t k e yw o r d s ： a n o d eb a k i n gt u r n a c e ；c a r b o na n o d e ；p i dc o n t r o l ；p r o g r a m l o g i cc o n t r o l l e r ； a u t oc o n t r o l ；b u r n i n gt e c h n o l o g y ； f i r es y s t e m ； 硕七学位论文 插图索引 图1 1 国外焙烧炉燃烧控制基本框图5 图1 2 焙烧炉烟道结构、喷油( 气) 及电偶测温配置图6 图1 3 火焰系统内炉室及加热架分布7 图2 1 阳极消耗量1 0 图2 2 炉室整体分布图1 4 图2 3焙烧炉的焙烧曲线图1 5 图3 1 积分近似计算1 9 图3 2 死区非线性。2 0 图3 3p i d 控制算法总体框图2 0 图3 4 被控对象的阶跃响应曲线。2 2 图3 5 模糊控制系统框图2 3 图3 6 模糊p i d 控制系统框图2 7 图3 7 ( a )e ，卵隶属度函数分布图( 非均匀) 2 9 图3 7 ( b ) j ，k 隶属度函数分布图( 均匀) 。2 9 图4 1 焙烧布置分区图3 2 图4 2s 7 - 3 控制系统示意图3 4 图4 3p l c 模拟量闭环控制系统方框图3 5 图4 4 一级设备通信框图3 6 图4 5 总体控制系统框图 4 0 图4 6 总体数据流程图4 1 图4 7 应用数据流程图总体结构图4 3 图4 8 再分配管理数据流程图4 4 图4 9 事件控制器数据流程图4 5 图4 1 0 火焰移动图4 5 图4 1 1 输入过滤器4 7 图4 1 2p i d 调节器4 8 图4 1 3 设置点计算数据流程图4 8 图4 1 4p i d 控制器数据流程图4 9 图4 1 5 调节输出量计算数据流程图5 0 图4 1 6 输出过滤器数据流程图5 0 图4 1 7 接口层次框图5 1 v 环式焙烧炉控制系统设计与研究 附表索引 表1 1国内外应用法国s e t a r a m 公司燃烧架情况4 表2 1 阳极质量对其消耗量的影响1 1 表2 2 焙烧炉6 室1 8 0 h 升温制度。1 5 表2 3 不同升温速度对阳极物理性能的影响1 6 表3 1 采样周期的经验数据2 1 表3 2 扩充响应曲线法参数整定表2 2 表3 3 模糊控制表：2 7 表3 4 的模糊整定规则2 9 表3 5 厨的模糊整定规则3 0 表4 1 鼓风架出错表3 8 表4 2 鼓风架警报表3 8 表4 3 烟道错误表3 9 表4 4 调节方法4 3 、，i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：饼韦 日期：山口声r 月a 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名新串 导师签名。夕参g - 耐 zc 葡_ ) c 日期：t 卯_ 7 年厂月毋弓日 嗍。哆钞月，2 尹 硕十学位论文 1 1 选题 第1 章绪论 随着铝的使用越来越广泛，其发展前景巨大，各国纷纷开始大力发展本国铝 工业。而炭阳极作为铝电解的心脏，其质量的好坏和工作状况对铝电解生产相关 的诸多经济指标影响很大，所以生产高质量的炭阳极成为铝行业有力的竞争因数 之一。而焙烧生产又是炭素制品生产过程中非常重要的因数之一，如何减少焙烧 周期时间，大幅度提高产量，节省天然气等燃料能源，减少生产成本，其主要的 一方面是改善焙烧工艺，但更重要的是在焙烧控制系统方面取得突破的进展。现 在该领域法国s e t a r a m 公司和瑞士r & d 公司的炭阳极焙烧设备及其自动化控制 技术代表着世界领先水平。国外很多企业已引进其先进控制系统，我国近些年来 也开始引进，但是价格昂贵，且不转让关键技术。因此我国一些单位和研究人员 也一直在努力设计具有自主知识产权的自动化控制系统及软件。国内贵阳铝镁设 计院，沈阳铝镁设计院等一些单位都取得了一定的成绩。前几年，兰州理工大学 也为白银铝厂设计控制系统，根据这几年使用效果来看，运行良好，但是依然存 在不少问题。我国的预焙阳极质量与国际先进水平相比，仍存在一定差距，这必 然会影响着预焙铝电解槽生产的电流效率、电耗、阳极消耗等指标。目前，我国 预焙阳极消耗平均在4 5 0 - - 4 9 0 培t a 1 ，与国际先进水平的3 9 0 堙t a i 相比，相 差很大，若按全国预焙铝电解槽年产3 0 0 万吨计算，相当于一年多消耗近3 0 万 吨阳极，价值约1 0 亿元左右，同时增加了对环境的污染1 1 1 。因此，加紧对阳极 焙烧技术进行研究，提高我国电解铝在国际上的竞争能力成为科研工作者的当务 之急。如果我国能设计出世界先进水平的自动化控制系统，将使我国的炭与石墨 制品焙烧技术取得突破性进步，并产生巨大的经济与社会效益! 因此我选择“环式焙烧炉控制系统设计与研究”作为我的研究课题，希望能 为国内铝行业发展和研究做一点工作。本课题来源于兰州铝业有限公司二期扩建 项目中的阳极焙烧炉天然气系统项目。 1 2 炭阳极质量标准及影响 1 2 1 炭阳极对铝电解的影响 炭阳极是铝电解槽的主体部件，它由炭素阳极本体、阳极导电金属棒、升降 装置及其附件构成。铝电解槽炭阳极分为连续自焙阳极和预焙阳极两种。从上个 世纪8 0 年代之后，国内外新建大型铝厂多已不采用自焙式电解，主要采用预焙 环式焙烧炉控制系统设计与研究 式电解方式。自焙阳极按导电金属棒从上部或侧部插入，分为上插自焙阳极和侧 插自焙阳极。 炭阳极通常安装在电解槽上部，强大的直流电流6 0 - - 3 0 0 k a 通过炭阳极， 倒入电解液。炭阳极的欧姆电阻率为5 0 一7 0 廊嗍，加上导杆与接点电阻，正常 铝电解生产时，消耗在炭阳极上的欧姆电压降4 0 0 6 0 0 m a ，占电解槽电压降的 1 0 一1 5 【甜在炭阳极底部接触熔融电解液的部位，发生分解氧化铝的复杂电 化学反应( 阳极反应) 。在理论上讲，铝电解生产中，阴极产生铝，阳极产生氧 气。实际上，在炭的参加下，阳极最终产物是c o 和c 0 2 ，其反应方程式为： 2 a 1 3 0 3 + 3 c 一4 a 1 + 3 c 0 2 ( 1 1 ) 一q + 3 c 1 2 a l + 3 ( 7 0 ( 1 2 ) 铝电解对炭阳极的要求是耐高温、耐熔盐侵蚀。有较高的导电率和纯度，有 足够的机械强度和热稳定性，透气率低和抗c 0 2 及空气的氧化性能好。炭阳极作 为铝电解的心脏，其质量和工作状况对铝电解生产是否正常及电流效率、电能消 耗、产品等级等经济指标影响十分巨大。可以举例说明，工业电解槽，优者电流 效率为9 5 时，直流电单耗每吨铝在1 3 0 0 k w h 左右，劣者电流效率为8 5 时， 直流电单耗每吨铝在2 0 0 0 k w h 以上，电耗能的增加是炭阳极质量引起的直接损 失，而间接损失目前尚无法衡量1 3 4 】。 1 2 2 炭阳极的质量标准 国内外公认的预焙阳极技术性能质量标准为【5 _ 7 1 ： 1 体积密度：1 5 1 6g o n 3 ； 2 电阻率：5 0 7 5 廊州； 3 抗压强度：3 5 5 0 m p a ： 4 抗弯强度：6 - - 8 m p a ： 5 杨式模量是抗弯强度的3 0 1 0 0 倍； 6 热导率：3 5 - - 5 5 w m 7 热膨胀率：0 4 5 ； 8 抗热震性：t s r i 5 ； 9 总气孔率小于3 0 ，且应有这样的孔结构：能降低透气率和减少氧化剂 进入表面积，空气渗透率指标用n p m 表示，是衡量阳极质量的又一指标； 1 0 柱状c 0 2 的化学反应性在没有氧化剂扩散的情况下为2 0 - - 4 0 重量损 失，以反应损失率表示；9 5 0 c 的c 0 2 氧化小于等于1 0 m g c m 2 h 为优良， 大于等于8 0 m g c m 2 h 为次劣； 1 1 5 5 0 1 2 的空气燃烧试验，损失小于等于2 0 m g c m 2 h 为优良，大于等于 硕士学位论文 8 0 r a g e r a 2 h 为次劣； 1 2 阳极试样的电解消耗率为1 1 0 1 1 5 为优质预焙阳极； 1 3 空气反应残量( a r r ) 6 0 9 0 ； 1 3 背景及意义 金属铝广泛应用于建筑，电力、航空航天、交通、包装、日用炊具等领域， 是保障国民经济持续发展的重要原材料之一。随着国家加强对铝电解生产的环保 要求，以阳极糊为阳极原料的白焙式铝电解槽逐步淘汰，被低能耗、低污染、高 效率的预焙式铝电解槽取代。在预焙式铝电解槽生产过程中，阳极质量的好坏直 接影响到电解铝生产的质量、成本、效率。在铝电解过程中阳极的质量不好，如 密度小、孔隙度大、机械强度低等，会造成阳极在铝电解过程中过量消耗、阳极 空气氧化率、铝电解副反应和粉尘率增大，还会使阳极导电面积减少、阳极电流 密度增大、阳极发热量增加，电解质导电率下降、阳极和电解质压降增加，电耗 增加。电解质压降增加的原因是阳极粉尘( 或碳渣) 进入电解质中，炭粒变成有 极性的物质，使电解质粘度增加，导致电解质导电率下降。另一方面，由于阳极 和电解质发热，铝电解温度升高，副反应加速，这些均导致电流效率降低和电耗 增加【8 j 。提高阳极质量，降低阳极消耗，提高电流效率和降低电耗，会提高铝厂 的经济效益。 提高预焙阳极的质量，首先要保证原料的质量，提高煅烧质量和糊料配料质 量以及配入最佳的优质粘结剂。在焙烧工序中，焙烧炉的设计和焙烧的合理升温 曲线，能实现自动控制的先进燃烧装置，是生产高质量阳极的有效保证。提高阳 极的质量，对铝电解生产有着重大的现实意义和经济意义。 1 4 国内外炭阳极焙烧技术发展现状 对阳极焙烧技术的研究，节能技术是较为重要的方面。国外开展的环式炉节 能技术研究早在二十世纪六、七十年代就己开始，试验成功了一系列行之有效的 节能措施。节能技术的研究与开发带动了整个焙烧工艺、筑炉材料以及计算机模 拟软件和自动控制技术的开发与进步。近几年国外的阳极焙烧技术有了很大的发 展，其中以法国彼施涅及瑞士铝业公司为代表的敞开式焙烧炉技术，以法国 s e t a r a m 公司及瑞士r & d 公司的燃烧装置和控制系统代表了国际上阳极焙烧生 产的最高水平。实际上，阳极的生产是一个系统的工程，需要综合考虑诸如原料、 设备、控制等方方面面的诸多因素。有人将阳极的生产称为“进垃圾一产垃圾” 的方法，因为下一道工序无法对上一道工序所造成的失误进行补偿。为保证阳极 的质量，必须对阳极生产的每一道工序都要严格控制。目前国外己经对焙烧技术 3 环式焰烧炉控制系统设计与研究 所涉及的各个方面形成了系列研究。从阳极生产的原材料如石油焦性质、沥青特 性、残极含量以及原料配比等对阳极质量的影响，到生阳极的混捏成型技术、物 理参数的检测，焙烧炉炉墙材料、使用寿命的研究、焙烧工艺的优化与控制、燃 油方式、烟气污染治理等方方面面都进行了较为系统的研究瑞士r & d 公司于 9 0 年代初期成功开发的r d c 工艺代表了当前国际上阳极生产的最高水平。采用 这种新型的阳极生产工艺，其投资与操作成本明显要低于传统工艺。一般传统阳 极厂每吨设计产能的投资成本为1 0 0 0 一1 3 0 0 美元，而按r d c 工艺设计的投资成 本仅为8 0 0 美元，生产成本也要比传统工艺低2 0 一3 0 。同时，r d c 工艺适用 于不同的原料，可生产出质量均匀一致的优质阳极，环境污染小，符合“零排放” 的要求i ”“j 与国外先进水平相比，国内的焙烧炉普遍具有能耗高、生产能力低的特点。 从现有预焙阳极生产厂家的技术装备水平来看，只有较少数的厂家，如兰州铝厂、 青海铝厂、贵州铝厂、白银铝厂、平果铝厂其装备水平相对较高，采用了一系列 先进生产技术，如自动控制配料、连续混捏、密闭的温度稳定且净化效果好的沥 青熔化技术、三维自动振动成型、自动控制水平较高的焙烧技术和烟气净化技术 而绝大多数厂家仍采用我国传统的落后的无计量人工配料、间断式混捏锅、敞开 式沥青熔化、能耗高的人工调节焙烧及无烟气净化措施的生产工艺技术，不仅造 成生产成本的增加，而且很难保证产品质量的稳定，其预焙阳极的性能同国际先 进水平存在较大差距。 目前，国内外碳与石墨制品的焙烧，大多采用美国的环式敞开炉和德国里德 哈默式的密闭炉。由于受设计、生产、操作控制几方面因素的影响，炉的性能、 使用效果上存在着较大的差异。特别是国外铝业公司焙烧炉，早已采用法国 s e t a r a m 公司及其他公司的自动控温燃烧装置，其使用情况如表1 1 所示。 表1 1茸内外应用法国s e t a r a l 公司燃烧架倩况 单耗 性能燃料使用燃烧架年份燃烧架个数焙烧周期，h 堙t h 4 原苏联天然气 1 9 7 52 52 4 法国彼斯涅公司油1 9 7 932 0 8 0 印度联合铝业公司油 1 9 8 74 2 0 6 0 中国贵铝日轻炉油 1 9 8 723 21 1 1 中国贵铝法“a p ”炉油 1 9 9 932 87 0 中国平果铝厂煤气 1 9 9 82 3 6 其焙烧炉产能、焙烧制品的均匀性能、能耗及烟道寿命等优点充分体现出来。 硕十学位论文 我国贵州铝厂从1 9 8 7 年开始，设想对原“日轻炉”进行改造以达到提产降耗的 目的，与法国s e t a r a m 公司进行技术交流，并且从日本购进该种燃烧装置旧设备， 进行研究、改造、试验，取得一定的成绩。数年后贵铝也结合法国彼斯涅铝业公 司引进的“a p ”焙烧炉技术，引进了s e t a r a m 公司先进的成套自动控温装置。 1 4 1 焙烧炉自动控制设备 到目前为止，我国绝大多数炭素厂焙烧炉采用管道加阀门、油泵等组合件式 焙烧架，并用人工调节方式控制燃料燃烧及温度。应用这种方式控制的弊端是控 温能力低、温差大、制品均匀性不好、烟道寿命短、燃料能耗高。最近几年，国 内平果铝厂及贵州铝厂先后引进了法国s e t a r a m 公司燃烧架，如图1 1 所示。 厂 太 绷l 彭勿勿黝嘭刎例i i 勿黝珍 匡士 ： 蓁匡 ： 臣a 品 “ ： i i 霾 i ： ： 多 口口 口口幽口 c 口 图1 1 国外焙烧炉燃烧控制基本框图 这种加热架的最大特点是控温精度高，烟道中的温度、负压都通过p l c 检 测，控制燃料燃烧处于良好状态。从温度的角度看，同炉室各条烟道水平温差很 小，贵铝三焙烧的法国“a p ”炉测定最高温差为1 1 ，最低与设定目标温度相 等即“0 ”。而炉箱内的各处焙烧制品，其最高温差为4 。每个运转炉室烟道热 冷端温差约6 0 。这充分说明这种自动控加热烧架是当今最合适的，同时也是 最先进的1 1 2 _ 1 引。 自动控温加热架的另一个特点是，烟道温度控制以前一个炉室的“热端”作 为调节该炉烟道的温度基准。另外调节中，采用比例、积分、微分运算使负压定 位在一定范围内实现温度自动调节。这种测定与调节国内外焙烧炉也有所不同， 如图1 2 所示，法国彼斯涅铝业公司与印度铝业公司采用a 类型方式，而前苏联 环式焙烧炉控制系统设计与研究 及。日轻炉”采用d 类型方式。贵铝引进“a p ”焙烧炉使c 类型方式，而国内 如青海铝厂等采用c 类型方式。由于加热架测温控温及位置布置差异，形成焙烧 制度及产品特性也自然产生不同的变化【1 卯。 圈1 2 焙烧炉烟道结构，喷油( 气) 及电偶测温配置图 4 2 焙烧炉系统炉室分布 一个火焰系统由预热、加热、保温、冷却、密封、装出炉室和检修炉室组成。 冷却方式有自然冷却( 如密闭炉) 和强制冷却( 如敝开炉) 两种，炉室分布由产品产 量、产品特性、工艺焙烧制度及操作控制手段等决定。图1 3 列举了较为典型的 国内外焙烧炉一个火焰系统炉室分布形式以美国诺兰达铝业公司( 图a ) 及法国 彼斯涅铝业公司“a p ”炉( 图c ) 为代表的“w ”型火道，采用焙烧周期2 4 0 - - 2 8 0 h ， 应用两排火焰加热架，并且每排架都是双喷嘴，工艺参数( 温度、负压) 自动控 制。 而以贵铝“日轻炉”( 图b ) ”v ”型火道形式或国内大部分密闭炉及敝开炉，无 论炉室火道结构如何，都采用1 4 排火焰架( 喷孔) ，但不同的是每排一个喷嘴。 对于国内外炭素焙烧炉来说，除加热架，喷嘴开度不同外，其配置位置方式也有 所不同。一般国内密闭炉喷嘴分为炉的侧部或炉的顶部位置，而敝开炉都在炉火 道上部。由于国内炭素焙烧炉火焰系统炉室分布，火焰喷射点量及位置，控制手 段与方法上的不同，其同类型炉的产品产量、质量、热耗及炉热效率也有存在 着很大的差距。代表单喷嘴的引进“日轻炉”设计热效率为2 1 9 ，而代表双喷 嘴自动加热架及炉室合理分布的引进法国”a p ”焙烧炉为2 9 5 ，其热效率差为 硕七学位论文 7 6 。这也说明炉的设计特性与燃料燃烧控制及炉室中系统配置也有密切的关 联。从上述系统4 种形式，喷气( 油) 位置，零压炉设定及负压测定位置都有所不 同，这些不同从烟气量分配与控制，热平衡与热传递角度，研究和探讨炉室结构 设计、燃料燃烧控制技术及生产操作管理制度等方面也是一个有益的新课题。 重 u t gl 抖- l 气l i n 喙 lllii i ff f ii ( 圉8 ) i 气t 髯t 簟 甲甲甲 ii l ll illiilili ( 图b ) ( 图c ) t 、生- 量l i - l l l ( 图d ) 图1 3 火焰系统内炉室及加热架分布 ( 图中，a ：美国诺兰达铝业公司；b ：日轻焙烧炉；c ：法国彼斯涅铝业公司； d ：日本电极株式会社密闭炉1 1 4 3 焙烧炉控制系统效果 按照同类型焙烧炉用普通方式调节控制与法国s e t a r a m 公司自动控温加热架控制之 间效果对比，相差是很大的。法国引入“a p ”炉经炉性能考核，同炉室烟道( 热冷端) 前后温差2 0 - - 6 6 ，水平温差4 1 0 ，烟道垂直温差己。4 2 。而贵铝引进的“日轻 炉”其烟道同条前后温差8 0 - - 3 5 0 ，水平温差经试验测定7 0 l ，垂直温差5 0 一 2 。这些不但表明炉火温度分布的均匀性与炉设计、自动控温程度有关，从另一个 角度也反映了为提高焙烧炉性能引进先进燃烧控温设备及相关技术的必要性。特别是烟 道处于最高温度阶段时，局部烟道可能“过热”而导致其寿命大大缩短。由于控温较为 均匀，法国引进的“a p ”炉炭块外观质量合格率为9 8 以上，比“日轻炉”提高3 4 环式焙烧炉控制系统设计与研究 。而温控实现自动控制，燃料( 油) 消耗“a p ”炉为每吨炭块6 7 7 0 k g ，而“日 轻炉”为每吨1 1 0 k g ( 实际消耗为每吨炭块1 2 0 一1 6 0 k g ) 。 硕十学位论文 第2 章阳极焙烧过程及工艺 2 1 阳极焙烧过程原理 阳极的焙烧过程，就是粘结剂沥青炭化变成焦炭的热处理过程。通过焙烧， 炭质颗粒间的沥青转变成固体的焦炭膜，将炭质颗粒连接成具有一定机械强度和 物理、化学性能的整体。因生坯中的固体炭颗粒已超过1 2 0 0 一1 3 0 0 的煅烧处 理，故它们在焙烧过程中结构和组成不再有什么变化，只有其中的沥青发生变化。 沥青变成焦炭的数量和质量，直接影响到炭阳极的性能。焙烧工艺的调节和控制， 就是使沥青尽可能转化为高强度的、在颗粒间起连接作用的焦炭。 2 2 阳极焙烧概述 铝电解生产上，由于采用高温的具有强烈的腐蚀性的冰晶石一氧化铝体系， 要求电解槽的阳极和阴极材料必须能够耐高温、导电性能良好、抗腐蚀等。一百 多年的科学实验和生产实践表明，炭素材料是唯一具备这些性能的廉价的工业材 料。因此铝电解工业上大量采用炭素电极一炭阳极和炭阴极。在电解过程中，炭 阳极参与电化学反应而连续消耗，炭阴极则原则上只破坏而不损耗。 2 2 1 铝电解的阳极消耗 炼铝生产就是对熔融的冰晶石一氧化铝体系的电解过程。炭素阳极材料把电 流导入电解槽并参与电化学反应。炭素阳极底部发生分解氧化铝的复杂电化学反 应( 阳极反应) ，阳极最终产物是c o 和c 0 2 。铝电解生产中，炭阳极参与反应 而逐渐消化，每生产一吨纯铝净耗炭素阳极4 2 0 一6 5 0 k g 。生产时，需定期向电 解槽中更换新阳极块，以保持正常连续工作【1 6 】。 阳极在电解槽中的性能通常用阳极的净耗量来表示由于阳极在电解过程中 直接参与反应，阳极的消耗量将直接影响铝生产成本。因此阳极净耗量的大小就 成为评价阳极质量的重要指标，从这种意义上说，提高阳极质量的直接效果就是 减少电解过程中的阳极净消耗量。 阳极的净消耗量主要包括电解消耗量和非电解消耗量( 或成为多余消耗量) ， 如图2 1 所示【1 7 j 多余消耗量与电解槽的设计、操作参数以及阳极的性质直接相 关。 9 环式焙烧炉控制系统设计与研究 图2 1 阳极消耗量 多余的消耗量与电解槽的设计、操作参数以及阳极的性质直接相关。f i s c h e r 等人经过长期的研究，得出阳极的净消耗公式： ， a n c c + 二：，二+ 1 2 ( b t 一9 6 0 ) 一1 7 c r r + 9 3 a p + 8 t c 一1 5 a r r ( 2 1 ) c e 式中，n c 为阳极的净耗量( k g c t a 1 ) ；c 为电解槽消耗量；c e 为电流效率； b t 为电解液温度( ) ；c r r 为c 0 2 中反应质量剩余率( ) ；a p 为透气率( n p m ) ； t c 为导热系数( w m k ) ；a r r 为空气中反应质量剩余率( ) 。 上式中，等号右边前三项反映的是电解槽操作参数对净耗量的影响，后四项 反应的是阳极质量的影响。 电解时，阳极的底部浸泡在高温( 约9 6 0 ( 2 ) 高c 0 2 浓度的电解液中，很容 易发生反应；c + c 0 2 2 ( d ；而阳极的顶部则暴露在温度不断升高( 4 5 0 8 0 0 ) 的空气中，也会发生反应：c + d ，一c d 。这两种不同机理所反应掉的c 主 要是由粉尘和沥青混合物形成的粘结剂，一般称这种现象为选择性烧损，由于生 阳极焙烧后粘结剂挥发而形成许多的贯穿空隙，使得阳极具有透气性，因此，这 种选择性烧损现象不但会发生在阳极的表面，而且阳极体内也会发生。 电解槽中，若阳极在空气中活性恶化，会导致阳极在空气中的烧损进一步加 重。研究结果表明，阳极质量对其消耗的影响巨大。表2 1 给出了阳极质量对其 消耗量的影响。 可以看出，使用有严重质量问题的阳极，其净耗量增加7 1 k g c t a i ，相当于 3 2 美元t a l 。考虑到由于阳极质量不佳而造成的影响，实际增加的成本为因阳 极净耗量增加成本的3 倍，即9 6 美元t a 1 ，也就是说，对于一个年产能为1 2 万 吨的铝厂，每月的额外成本将高达近1 0 0 万美元。 硕十学t 市论文 表2 1 阳极质量对其消耗量的影响 c eb tc r ra pt ca r r n c n c 1 0 0 k a 电解槽 c ( 计算值) ( 实际值) ( )( )( ) n p m ( w m k 、( ) k g t a i k g ，t a i 标准阳极2 8 89 19 6 29 2 1 2 4 58 24 2 4 4 2 1 有质量问题阳极 2 8 8 8 79 7 48 7 2 o4 0 6 94 8 9 4 9 2 2 2 2 阳极焙烧原理 生产预焙阳极的原料有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极及少量添加剂，粘 结剂为沥青，其含量根据干料配方和成型工艺而有所不同，一般为1 6 一1 8 。 原料经过煅烧、破碎、分级，按一定的配方与沥青混捏，冷却后即成为糊料：混 捏后的糊料经成型、焙烧，成为阳极炭块。其中，焙烧是炭素阳极生产的最重要 工序，这是因为生阳极由焦炭颗粒