石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析.docx

石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析何 斌，陈 阳（中国铝业贵州分公司，贵州贵阳550014）摘要通过对石油焦煅烧回 转窑进行热平衡测试与计算,掌握了该炉窑的能量利用情况,分 析 了 窑 头温 度 、煅 烧 焦 实 收 率 、窑 头 负 压 、供风位置和供风量以及石油焦中水分和挥发分的含量等参数对热效率的影 响，结果表明该回转窑的热效率只有 14.72%,具有很大的节能潜力,提出了提高该炉窑能量利用率的措施 。关键词石油焦 ；回转窑 ；热平衡 ；测试分析中图分类号：tf806.1文献标识码：b文章编号：1004-4345(2011)06-0020-03thermal balance test and analysis of rotary kiln for petroleum coke calcinationhe bin,chen yang(chalco guizhou branch, guiyang，guizhou 550014, china)abstract heat condition and energy utilization condition of petroleum coke calcination rotary kiln are mastered by means of thermal balance test and calculation. through the analysis of the influence of parameters on heat efficiency, including the parameters of kiln discharge end temperature, coke recovery, negative kiln pressure, air feed position, air feed rate and moisture & volatile content in petroleum coke, it is shown that the thermal efficiency of this equipment is only 14.72% , which has great potential for energy saving. therefore some suggestions about energy saving were proposed in the article.keywordspetroleum coke; rotary kiln; thermal balance; test and analysis率和煅烧质量。引言0煅烧回转窑热平衡测试方案1回转窑煅烧石油焦生产工艺是目前国内广泛采用的煅烧石油焦生产工艺，据不完全统计，我国已有 回转窑煅烧焦厂 43 家，年产量约 450 万 t，占国内总 产量的 56%1。但在生产过程中，普遍存在能源消耗 量大、烧损较大和产品质量不稳定等问题。随着国家 节能减排工作的推进，对煅烧回转窑进行节能评价 和技术改造已经刻不容缓。中国铝业贵州分公司一台规格为 2.2 m45 m 的煅烧回转窑，设计生产能力为 6 t/h，本文针对该 设备存在的问题进行了热平衡测试，以期了解煅烧 回转窑目前生产情况和热工制度，掌握该回转窑的 能源消耗分布、能量利用水平和热效率情况，并且能 够评价当前工艺控制制度的合理性和有效性，再结 合该炉窑的热工操作、窑体结构和生产管理方面的具 体情况，提出节能措施，从而提高该炉窑的能量利用测试方法采用正平衡（直接测量设备的工质参数、燃烧消耗量和发热量，按一定的公式求出设备的 效率）和反平衡（测量设备各项热损失来确定设备效率的方法）相结合的方法测定设备各种参数。1.1 热平衡计算基准和测定范围1)基准温度规定为环境平均空气温度，在距离 被测定体系设备外壁 1.0 m 处，用水银温度计测量， 体系设备周围均匀测量不少于 8 个点，然后取算术 平均值。2)热平衡测定与计算规定以 1 个标准大气压， 即 101 325 pa 为计算基准。3)燃料及物料的发热量采用收到基低(位)发热 量直接测定。4)测定区域内的环境风速规定在距离测定设备收稿日期：2011-07-14作者简介：何斌(1970)，男，工程师，主要从事热能工程及节能的设计管理工作。第 6 期石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析21外壁 1.0 m 处，用风速仪测定空气的风速。5)物料平衡与热平衡均以 1 t 煅前石油焦（即 1 t下料量）为基准计算单位。6)回转窑热平衡测定与计算方法体系包括窑身、窑头罩、窑尾罩和焚烧沉降室，不包括冷却机。1.2 测定项目和方法本次测试是在设备生产稳定正常的情况下进 行，选取 3 个白班，每个白班为一个热平衡测试工况。 热平衡测试数据以现场测试为主，主控室数据为辅， 现场无法获得测试数据时，使用主控室数据。测试方 法和计算参照 ys/t124-1-94、ys/t124-1.1-94、gb/t 2587-81 和 gb/t 2588-81 标准执行。具体测试项 目及方法如下：1)使用水银温度计、大气压力表和干湿球温度计测量基准环境的温度、压力和相对湿度；2)使用电子秤、铠装 k 分度热电偶测量入窑石油焦 的质量和温度，取样化验石油焦的成分和低位发热 量；3)使用电子皮带秤、铠装 k 分度热电偶测量煅烧 焦的质量和温度，取样化验煅烧焦的成分和低位发 热量；4)使用平行烟气分析仪测量沉灰室出口烟气 温度、烟气量和烟气成分，并查表计算烟气的比热和密 度；5)使用平行烟气分析仪测量烟气含尘量，并查表 计算烟尘的比热；6)通过现场流量计读取入炉的空 气量；7)选取炉体外壁测量点，采用表面热电偶或红 外温度计测量壁面温度。表 2煅烧回转窑平衡热收入热支出项目项目kj/t%kj/t%煅烧焦带走的物理热 1 051.07烟气带走的物理热7 328.5910.2171.2210.860.172.375.120.05原 料 化 学 反 应 热烟气带走的化学热烟尘带走的物理热1 117.3110 289.56 100.0017.79冷却水带走的物理热 243.57测定体系的表面散热 526.59其他热损失4.63总收入总支出热量10 289.56 100.0010 289.56100.00经过计算，该煅烧回转窑的热效率只有14.72%，根据 ys/t131-1-94 回转窑等级标准，煅烧回转窑热 效率:一等为 19%;二等为 17.3%;三等为 15.8%，由此可知，该回转窑的热效率等级低于三等，能源利用率水平很低。经分析主要原因如下：1)烟气带走的热损失是碳素回转窑最主要的热 损失，约占总支出热量的 82%。排烟温度过高、烟气 量大，使烟气带走了大量的物理热，降低了回转窑的 热效率。2)在现场测试中发现，窑表面温度大部分居于150200之间，部分区域高达 230，由计算结果可 知回转窑表面散热损失所占比例高达 5.12%。而按 照热工设备设计规范，其表面温度应当低于 100，表面温度过高不仅恶化了操作环境，而且也造成了能量的浪费，增大了散热损失，降低了回转窑的热效率。3)煅烧焦的实收率约为 69%，而先进的碳素回 转窑的实收率在 75%以上，烧损的碳及挥发物在燃 烧过程中产生大量的热量约占总供给热量的89%以 上，实收率低，将增大碳素回转窑的总供给热量，因 此，较低的实收率导致煅烧回转窑的热效率降低。物料平衡和热平衡计算结果与分析2煅烧回转窑物料平衡示意如图 1 所示，物料平衡如表 1 所示。计算结果分析与节能措施3由上述可知，该炉窑的热效率只有 14.72%，还有很大的节能潜力，下面将通过分析窑头温度、煅烧焦 实收率、窑头负压、供风位置和供风量以及石油焦中水分和挥发分的含量等参数对热效率的影响，提出提 高该炉窑能量利用率的措施。3.1 降低窑头温度回转窑煅烧石油焦工艺技术标准要求的窑头温 度9002，而本回转窑窑头温度约为 1 200左 右，过高的窑头温度既增加碳质的烧损，又不利于 焦炭的冷却，同时也会增加窑头的散热量。影响窑 头温度的主要因素是窑头的负压，当窑头负压增大时， 吸风量会增加，致使碳质烧损增加。烧损放出的热量 会使窑头温度提高，导致窑头工作环境恶化，同时使 窑头的结构发生变形。为了保证窑头温度不超过合表 1物料平衡物料收入物料支出项目项目kg/t%kg/t%原料焦量系统风量煅烧焦量烟气量 烟尘量总支出1 000.004 665.4417.0582.95718.934 852.8610.005 581.7912.8886.940.18100.00总收入5 665.44100.00热收入项为石油焦带进的化学反应热，热支出项包括煅烧焦带走的物理热、烟气带走的物理热、烟气 带走的化学热、烟尘带走的物理热、热窑体表面散失总热量、冷却水带走的物理热和其他热损失。煅烧回转窑热平衡如表 2 所示。第 32 卷有色冶金设计与研究22理数值，必须降低窑头负压。3.2 优化窑的内衬设计减少壳体散热损失由测试可知，窑壳体温度大部分居于 150200 之间，部分区域高达 230，造成工人操作环境恶劣， 散热损失大。解决的办法是在内衬总厚度不变的情 况下，将其改为 3 层，从内到外分别为钢纤维浇注料、 高铝浇注料和轻质浇注料，以降低窑皮表面温度。3.3 提高煅烧焦实收率由测试数据可知，该回转窑的实收率约为 69%， 低于先进水平。根据热平衡测试期间石油焦及煅烧 焦化验结果，石油焦煅烧产生的热量高于 9.60 kj/t， 而据相关资料显示，煅烧热量仅需 2.78 kj/t3，碳质 烧损大是导致实收率低的重要原因之一。碳质烧损 是碳质在高温环境下被氧化造成的，减少碳质的烧损 必须减少高温焦炭与氧气的接触，采取提高窑头密 封、减少一次风的供给量和减少生焦中粉料含量等 方法解决。如果进入窑内的生焦粉料太多，不仅由于 其表面积大，会增加碳质烧损，而且会造成煅烧带的 波动，同时粉料极易被气流带入燃烧室，增加了燃烧 室的负荷。在维持正常煅烧条件下，尽量降低窑尾烟 气流速和温度，使窑尾负压不要太大，这样可以使焦 粉抽走量减少。另一有效措施是减少石油焦中粉尘 的含量，为此，物料在入窑前应进行筛分，过大颗粒 应进行破碎，较小的颗粒应进行球团化处理，一般保 持粒径在 3040 mm 之间4。3.4 降低窑头负压由测试结果可知，焚烧室出口含氧量约为 6%， co 含量在 2%左右，沉灰室进口温度 980左右，出 口 1 250左右，这说明还有一部分挥发分在窑内没 有完全燃烧。由于窑尾存在较大的负压，这些可燃气 体被抽入沉降室上方的燃烧室内继续燃烧，从而造 成能源的极大浪费。3.5 改变供风位置及供风量回转窑的二次风、三次风供风位置及供风量对 窑内的燃烧状况及温度分布有很大影响，进而对石 油焦的成品质量起着决定性的作用。最佳的供风位 置及供风量应保证析出的挥发分能够尽快完全燃 烧，使煅烧带维持一定的温度水平，同时也应保证空气系数合理，不至于石油焦氧化烧损过大。挥发分的 逸出位置和逸出速率以及二次风的供风位置是影响 挥发分在窑内的燃尽程度的主要因素。3.6 减少石油焦中水分和挥发分的含量从石油焦的化验分析可知，石油焦中水分和挥 发分含量明显偏高。石油焦经高温煅烧，水分含量应保持在 0.3%以下。资料表明石油焦水分含量增大5%，煅烧实收率将下降 1.38%5，同时，石油焦中的 水分在高温下被快速汽化成过热蒸汽，不仅造成物料孔隙度增大，而且也增加了窑尾总排烟量，增大了排 烟热损失。原料进厂后，应使原料在仓库内的贮存周 期适当延长，通过静置脱水和自然干燥的方法，去掉一部分水分;也可以配置石油焦干燥工段，对进厂的 石油焦进行干燥，保证石油焦的含水率降到 3%以下。一般石油焦挥发分含量控制在 10 %左右较为 理想。若石油焦挥发分含量偏大，大量挥发分在排出过程中会吸收窑内大量的热，部分挥发分还会被抽 到窑尾燃烧，造成窑尾温度过高。若石油焦挥发分含 量偏小，则会导致煅烧带热量供应不足，煅烧温度达不到工艺要求，操作上不得不采用增加空气和煤气 用量、降低窑速、提高窑头窑尾负压等方法以满足工 艺要求，进而造成物料在窑内停留时间延长、碳质烧 损加剧和粉焦抽出量增大等情况，严重降低了实收 率，增加了灰分含量，而且也降低了煅烧焦的质量和产量。在实际生产中，同一厂家在不同时期的石油焦 挥发分含量都有一定的波动，因此，应切合企业生产 实际，对不同批次石油焦及时取样化验，依据化验结 果进行合理配料后，再堆料或上线煅烧。结论41)通过对煅烧回转窑进行热平衡测试，得到了该设备能量分布和利用情况，结果表明：该炉窑的排烟热损失是主要的热损失，约占总支出热量的 82%。 热效率只有 14.72%，能量利用效率低，还有很大的