（冶金工程专业论文）新型阳极焙烧系统的开发与应用.pdf

工程硕士学位论文摘要 摘要 我国的敞开式环式焙烧炉是在消化8 0 年代初引进的日本轻金属 公司焙烧技术的基础上发展起来的。二十年来，国内仅在燃料选取、 火道挡板、耐火材料、装炉层数等方面作了少量改进，尚无焙烧自动 控制的设计、制造能力，只能依赖进口。在消化国外先进技术的基础 上，本文开发了一套新型阳极焙烧系统，主要研究内容与成果如下： ( 1 ) 工艺技术方面，研究并确定了焙烧炉产能、装炉方式、系 统配置和焙烧工艺参数。优化的火道墙设计减小了料箱上下温差，炉 室垂直温差仅为2 8 。c ，解决了产品质量的均一性问题；优化了焙烧 工艺，使沥青挥发分被控制在2 p 一3 p 燃烧，减少了沥青烟气的排放 量，产品能耗低，合格率达到了9 9 。铝电解槽上的应用表明，阳极 毛耗仅5 0 0 k g t a i ，比国内其它铝厂一般要低2 0 5 0 k g t - a l 。 ( 2 ) 装备方面，完成了焙烧炉和火焰系统设备的设计和设备国 产化，与引进相比可节约投资4 2 7 4 万元。线状给油技术保证了燃料 不会射到炉墙上，延长了焙烧炉的寿命。先进的燃烧手段使实际升温 曲线能够满足要求，火焰移动周期从3 6 小时缩短到2 7 小时，产量提 高3 3 。 ( 3 ) 控制方面采用了分布式控制系统，编制软件对设备进行自 动控制，能精确控制所有火道的能量输入和负压，提高了温度分布的 均匀性，高温段控制误差不超过2 。 关键词：预焙阳极，焙烧系统，工艺，控制，装备 i ：程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c i t h er i n g - t y p ea n o d eb a k i n gf u m a c ei no u rc o u n t r yw a sd e v e l o p e do n t h eb a s i so fj a p a nl i g h tm e t a lc o m p a n y sb a k i n gt e c h n o l o g yi m p o r t e da t t h eb e g i n n i n go ft h e1 9 8 0 s f r o mt h e no n ，t h e r eh a sb e e nal i t t l e i n n o v a t i o no nf l u ec h o o s i n g ，f l u eb a f f l e ，r e f r a c t o r ya n da n o d el o a d i n g ，b u t l i t t l ei m p r o v e m e n to nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m b a s e do ns t u d y i n ga d v a n c e df o r e i g nt e c h n o l o g i e s ，an e w t y p e b a k i n ga n o d es y s t e mw a sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s m a i nr e s e a r c hw o r k a n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i nt h ea s p e c to fp r o c e s st e c h n o l o g i e s ，p r o d u c t i o nc a p a c i t y , l o a d i n gm o d e ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so f t h eb a k i n gp r o c e s s w e r ed e t e r m i n e d t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h ep i t sw a ss h o r t e n e dt o o n l y2 8 。cb yo p t i m i z i n gt h ef l u e w a l l ，w h i c ha v o i d e dt h eu n u n i f o r m i t y o ft h ep r o d u c tq u a l i t y w i t ht h eo p t i m i z a t i o no ft h eb a k i n gt e c h n o l o g y ， t h ep i t c hv o l a t i l ew a sb u r n e dd u r i n g2 p 一3 pa n d ，t h e r e f o r e ，t h ee x h a u s t c o n t a m i n a n to f p i t c h a n dh e a t c o n s u m p t i o n w e r e r e d u c e d ，t h e q u a l i f i c a t i o nr a t eo ft h ep r o d u c t sr e a c h e dt o9 9 a n da n o d ec o n s u m p t i o n w a s o n l y5 0 0 k g t - a l ，2 0 5 0 k g t - a ll o w e rt h a n t h a to fa n yo t h e ra l u m i n u m f a c t o r yi nc h i n a ( 2 ) i nt h ea s p e c to fe q u i p m e n t t h ed e s i g no ft h ea n o d eb a k i n g f u m a c ea n dh e a t i n ge q u i p m e n tw a sa c h i e v e da n dd o m e s t i cm a n u f a c t u r e o ft h e e q u i p i m e n t w a sr e a l i z e d ，w h i c hl e a d e dt ot h er e d u c t i o no f i n v e s t m e n ta b o u t ￥4 2 ，7 4 0 ，0 0 0 o i ll i n e f e e d i n gt e c h n o l o g yc o u l da s s u r e t h a tt h ef u e lw a ss h o o t e di nt h ef l u ei n s t e a do ft ot h ef l u ew a l ls ot h a tt h e l i f eo ft h ef u m a c ec o u l db e g r e a t l yp r o l o n g e d t h ep r a c t i c a l t e m p e r a t u r e r i s i n gc h r v ec o u l d b ek e p tw i t ht h ee x p e c t e do n eb yu s i n gt h e a d v a n c e d b u m i n gt e c h n o l o g y t h ec y c l e o ff i r er e m o v a lc o u l db e s h o r t e n e df r o m3 6h o u r st o2 7h o u r s ，w i t hp r o d u c t i o no u t p u ti n c r e a s i n g 【 、 工程硕士学位论文 a b s t r a c t b ya b o u t3 3 ( 3 ) i nt h ea s p e c to fa u t o m a t i o n ad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw i t h p r o g r a m m a b l es o f t w a r ew a sa p p l i e dt oc o n t r o l t h ee q u i p m e n t e n e r g y i n p u ta n dn e g a t i v ep r e s s u r eo fe v e r yf l u ew e r ee x a c t l yc o n t r o l l e d t h e u n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a si m p r o v e da n dt h ec o n t r o le r r o r i nt h eh i g ht e m p e r a t u r ez o n ew a sl e s st h a n 2 k e yw o r d s ：a n o d ec a r b o n ；b a k i n gs y s t e m ；p r o c e s s ；c o n t r o l ； e q u i p m e n t 、 ：i ：程硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 预焙阳极作为铝电解槽的“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、产品等级等经济技术指标影响十分巨大，均匀的高质 量的阳极产生两个效果：第一是吨铝的阳极消耗降低了：第二是增强了电解生产 的稳定性。 制造高质量的预焙阳极包括许多方面。显然，选择原材料石油焦和煤沥青是 重要的，对两种原材料的物理化学性质必须有严格的要求。但是，在原材料质量 一定的情况下，实施现代化的阳极制造技术和采用严格的制造阳极过程控制显得 更为重要，优化设计阳极焙烧炉和采用计算机过程控制系统自动调节焙烧控制参 数，可实现焙烧炉动态优化控制，生产出质量均一的优质阳极，并能降低阳极焙 烧能耗。 1 1 铝用炭素材料简介 铝用炭素材料是铝电解工业的支柱材料之一，主要作用为：用作电解槽的阳 极，把电流导入电解槽，并参与电化学反应：用作电解槽的阴极内衬，盛装铝液 和电解质，并把电流导出电解槽外。根据在电解槽中的位置和作用不同，可分为 阳极材料和阴极材料两大类( 包括糊类和块类制品) 2 1 。 铝 用 炭 素 材 料 阳极糊：用在侧插和上插自焙阳极电解槽上 阳极炭块：_ l = j 在预焙阳极电解槽 残极：阳极炭块使用以后的残余部分 阴极炭块( 底块) ：用于砌筑电解槽的底部 侧部炭块：用于砌筑电解槽的侧部 阴极糊：用于阴极炭块、侧部炭块的接缝等处 图卜1 铝用炭素材料的分类 铝电解工业采用炭素材料的历史、电解法制铝的发明和每一次大的技术进步 都是和炭素材料的发明和技术发展分不开的。1 9 世纪7 0 年代，已能生产炭质电 极和炭质耐腐蚀材料。1 8 8 8 年，美国人霍尔( h a i l c m ) 和法国人埃鲁( h e r o u l t p l t l 分别申请了冰晶石氧化铝熔盐体系以炭电极为阳极、以石墨坩埚为容器和阴极， 电解生产金属铝的专利。这种工业炼铝方法，简称霍尔埃鲁法，到2 0 世纪9 0 年 代，仍是唯一可以适于大规模工业生产金属铝的方法 3 4 1o 由于冰晶石一氧化铝体 t t 料 料 用材 用材 铝极 铝极 阳 阴 一 一 工程硕士学位论文第一章文献综述 系具有强烈的腐蚀作用，要求电解槽的阳极和阴极材料具有耐高温、导电性能良 好、抗腐蚀、杂质少等性能，一百多年的科学试验和生产实践表明，炭素材料是 唯一能选作阳极和阴极的廉价的工业材料。铝电解生产初期，采用小型预焙阳极。 1 8 8 7 1 8 8 8 年间，美国匹兹堡r e d u c t i o n 公司( a i c o a 公司的前身) ，瑞士冶金公 司( a t a g 和a l u o a i s s e 的前身) 依据霍尔埃鲁法，分别兴建铝电解槽，当时的电流 1 3 0 0 1 8 0 0 a 。这种槽阳极横截面积小( 8 l o c m 2 ) ，电流密度高( 2 a c m 2 ) ，阳极 消耗量大( 约2 k g k g ) ，电流效率低( 5 0 6 0 ) 。由于当时炭素技术水平不高阳极 质量差，规格小，使电解槽的容量受到限制2 0 世纪2 0 年代，按照当时铁合金炉 上连续自焙电极形式，在铝电解槽上使用了连续自焙阳极，阳极导电棒采用侧插 式( 1 9 2 4 年，挪威的o d e r b e r g 研制成功连续自焙阳极) 。这种槽型在世界范围推广 使用，阳极由圆形改为矩形，面积逐渐扩大，电解槽容量随之提高，侧插槽容量 可达6 0 k a 以上。为了提高操作机械化程度和进一步扩大电解槽容量，1 9 3 4 年， 法国彼施涅铝业公司( p e c h i n e r y ) 研制成功上插自焙阳极，随后又实现多功能天车 进行阳极操作。上插阳极的发展，使单槽电流容量达1 0 0 1 5 0 k a 以上。2 0 世纪 8 0 年代，新型自焙阳极电解槽，以炭材料为主体构成的自焙阳极每个重达6 0 1 0 0 t ，吨铝消耗阳极糊降至6 0 0 k g 以下。但自焙阳极在使用过程中产生大量有害 气体，不利于实现机械化、自动化。 2 0 世纪5 0 年代，由于炭素电极质量的提高以及振动成型制造大规模预焙阳 极炭块的成功，由预焙阳极炭块组装而成预焙阳极电解槽被广泛采用。2 0 世纪 8 0 年代后期世界最新式的预焙阳极电解槽，预焙阳极由4 0 余块阳极炭块组成， 整个阳极重达5 0 余吨，电解槽电流容量己达2 3 0 k a 以上。大型预焙阳极电解槽 的电流效率可达9 3 以上，吨铝消耗阳极炭块降至5 0 0 k g 以下。炭素材料生产技 术的发展促进了铝电解工业的发展，从而使铝电解工业成为炭素制品的最大消费 部门。 我国9 0 年代初，大多数中小电解铝厂采用侧插自焙阳极( 3 0 5 0 k a 电解槽) 和上插自焙阳极( 8 0 1 0 0 k a 电解槽) ，大型电解铝厂多采用预焙阳极( 7 5 ，1 3 5 ， 1 4 0 ，1 5 5 ，1 6 0 k a ，2 8 0 k a ，3 2 0 k a 电解槽1 。1 。 现在，由于环保政策和铝生产厂家自身发展的要求，已基本上全部使用了预 焙阳极。 1 2 铝电解工业对铝用炭素制品的质量要求 炭素材料在铝电解槽中参与导电和电化学反应，并直接与具有强腐蚀性的氟 化物熔盐接触，因而，铝电解工业对炭素材料提出如下要求： 电阻率：电阻率低有利于降低电能消耗，炭块电阻率一般小于6 0 uq m 。 ：l ：程硕士学位论文第一章文献综述 体积密度：较高的体积密度有利于抵抗熔盐的侵蚀，降低气体渗透、减少 与c 0 2 和空气的反应消耗。炭块体积密度一般不小于1 5 9 c m 3 。 机械强度：以炭素材料为主体构成的电解槽阳极重达几十吨，在电、热冲 击下承重负荷，因此其机械强度要求比一般的炭素材料要高。炭块的耐压强度约 为2 9 3 7 m p a 。 真密度：阳极材料的真密度约为1 9 8 2 0 6g c m 3 ，阴极材料的真密度为 1 8 4 1 9 0g c m 3 。 杂质含量：阳极材料消耗以后，其中的杂质直接进入电解质和金属铝中， 因此，要求阳极材料的杂质含量低，一般不超过1 ；阴极材料的杂质含量一般 不超过l o 。 与c 0 2 气体的反应性能：炭素材料在9 5 0 c 左右的高温下使用，处于电解 反应所产生的c 0 2 气体包围之中，因此，抵抗c o z 气体渗透和降低其反应性，成 为铝用炭素材料的一项特殊性能要求。铝用炭素材料c 0 2 反应性能指标为：与 c 0 2 的反应总消耗率，炭块类小于4 5 m g ( c m 2 h ) ；气化率小于2 0 ；脱落度小 于l o 。， 电解膨胀率：阴极材料长期受到电解质的化学腐蚀而被破坏，电解膨胀率 ( 或破损系数) 表示阴极材料在电解过程中抵抗电解质腐蚀的能力。阴极材料的电 解膨胀率小于1 4 ，破损系数小于1 5 哺7 1 。 1 3 罔极质量的影响因素和提高途径 1 3 1 原材料对阳极质量的影响 目前我国对原材料方面的研究较少。就国内铝用炭素生产企业来讲，对原材 料的控制只限于灰分、挥发分、真比重和电阻率。但是，近年来的国内外越来越 多的研究表明，原料性能对焙烧阳极的性能影响非常大，石油焦、阳极的微量 元素、强度、c 0 2 反应性、空气反应性都与原料有关。 1 3 1 1 石油焦对预焙炭阳极质量的影响 石油焦在炭阳极中占6 5 ，是炭阳极的主体原料，其杂质含量和孔隙率直接 影响炭阳极的质量。石油焦中的杂质n a 对炭阳极的c 0 2 反应性和空气反应性有 催化氧化作用；石油焦中的s 可抑制炭阳极的c 0 2 反应性和空气反应性，但s 含 量高增大了炭阳极的热脆性；石油焦中的v 含量和孔隙率对炭阳极的空气反应性 有影响。 其主要成分为冰晶石n a 3 a i f 6 ，还有一些钙盐等杂质，如处理不当，很容易引进 大量的n a 、c a 杂质元素。 原料中的杂质元素直接影响未来阳极的质量，而且在整个阳极的生产过程中 不会轻易改变，它会全部带入阳极炭块中，进而影响到电解槽中阳极的行为和铝 液的质量。其中s 、f e 、t i 、p b 、n i 、v 等杂质元素直接影响铝液的品位，n i 、 v 、n a 、k 、c a 等元素对炭耗有较大的影响，v 、p 、s 、h 、p b 等杂质元素则对 电流效率和环境有较大的影响。其中v 被认为是影响空气反应性最大的一种元 素，n a 被认为是影响c 0 2 反应性最大的一种元素。 1 3 1 3 骨料强度对阳极炭块的影响 一般而言，石油焦的强度越大，未来阳极的强度也会大。因此在选择原料时， 国外有一项测定石油焦和残极强度的指标，即粉焦量。在预焙阳极配料中都会添 加一部分残极。从电解槽返回的残极根据其硬度大小可分为两类：硬残极与软残 极。硬残极受电解质侵蚀较少，强度高、假比重大、比电阻较小，而软残极受电 解质侵蚀较严重，各项性能次之。由于硬残极的强度、假比重较大，添加硬残极 块作骨料时对未来阳极有好的影响，而且其加入的量越大，阳极的强度、假比重 也越大。添加软残极则对强度及假比重无明显的影响，反而因它容易被氧化性气 体所侵蚀，使阳极炭块更加疏松。 增大硬残极的添加量，还可降低预焙阳极的空气渗透率。这个效果在石油焦 强度不高时更为明显。 4 ：c 程硕士学位论文第一章文献综述 1 3 1 4 原料对预焙阳极c 0 。反应性和空气反应性的影响 石油焦的c 0 2 反应性和空气反应性直接影响着预焙阳极的c 0 2 的反应性和空 气反应性。石油焦的c 0 2 反应性越大，预焙阳极的c 0 2 反应性也越大，反之，预 焙阳极的c 0 2 反应性就越小。预焙阳极与石油焦空气反应性的关系与上述相似。 残极的点火温度对预焙阳极的c 0 2 反应性和空气反应性的影响也很大，残极的点 火温度越高，预焙阳极的c 0 2 反应性和空气反应性越好。硬残极点火温度高，因 此，使用硬残极比使用软残极可以制成性能更好的预焙阳极。预焙阳极中添加软 残极，将进一步导致预焙阳极的点火温度更低，遇到这种情况最好停用残极一段 时间。 1 3 1 5 残极返回置和清洁度也影响阳极质量 一般说来，残极返回除降低产品成本外，对阳极质量而言，残极能保证阳极 配方中的大颗粒骨料，增加阳极机械强度，降低阳极电阻率，降低c 0 2 反应速度。 如果没有残极返回，阳极的机械强度会受到影响，炭渣脱落增加，吨铝阳极 消耗也会显著增加。当然，成本也会提高。然而，返回的残极含有一定的f ( 当残 极返回2 2 ，残极在生阳极中配入量为1 7 时，每吨阳极含f 为1 0 2 1 k g ，给环 境带来一定影响。所以在设置烟气净化系统时，要考虑烟气中f 的捕集。 预焙阳极含1 5 3 0 的残极。残极返回的数量、质量和清洁度也将影响阳 极的体积密度、透气性、机械强度、c 0 2 反应性及电阻率。国外铝工业厂家做了 大量的试验，一致认为清洁的高质量的残极，对提高阳极质量是有利的。所以， 设置残极清理系统是必要的。 1 3 1 6 粘结剂的质量和合理配入量对提高阳极质量有重要影响 预焙阳极中的粘结剂需要量与焦炭粒度组成、焦炭的干骨料的体积密度和真 密度、沥青的喹啉不溶物含量和残极的配入量有关。最佳粘结剂含量的阳极具有 透气性低，焙烧品密度高，填充料粘结性低，阳极不变形等特点。优质粘结剂( 优 质沥青1 应喹啉不溶物含量较低，这样的沥青浸润性好，结焦率高。 1 3 2 工艺条件对阳极质量的影响 煅烧焦，沥青及含量，粉料细度，混捏温度及时间，最终焙烧温度及升温速 度对未来预焙阳极都会造成很大的影响。 积不断收缩。体积收缩的结果增大了原料的密度及机械强度。煅烧后的石油焦， 无论是真密度、假密度和颗粒机械强度都有显著提高。原料煅烧排出挥发分，分 子结构发生变化，石油焦微晶尺寸趋于稳定，电阻率降低。另外，保证煅烧质量 也会提高原料的化学稳定性，降低其氧化反应能力。焦炭在c 0 2 气流中的氧化反 应能力随原料煅烧温度升高而降低。煅烧温度越高，开始氧化温度也相应提高。 综上所述，原料煅烧温度提高，抗氧化性能就增强。煅烧质量的衡量指标有 真密度、电阻率、晶体结构( 面间距和晶体厚度) 。随着煅烧温度的提高，真密度 提高，电阻率下降。因为随着温度的升高，焦子的石墨化程度提高。在实际生产 中，煅烧温度保持在1 2 5 0 1 3 0 0 ，焦子煅烧质量足以满足生产需要。若再提高 温度，煅烧设备一般难以承受”，。 目前我国各企业对煅烧焦质量一般用真密度和粉末电阻率两项指标衡量。阳 极生产用的煅烧焦真密度不小于2 0 4g c m 3 ，粉末比电阻不大于6 0 0 l aq f f l 。笔 者认为，只有真密度控制在2 0 6g c m 3 以上，粉末比电阻控制在5 5 0 i tq m 以 下才能保证获得高质量的预焙阳极。 1 3 2 2 混捏参数对阳极炭块的影响 适当的提高混捏温度会增加沥青的流动性，加深对骨料颗粒的浸润深度，对 假比重、强度、断裂能量都有显著提高。混捏时间的长短对混捏质量也有影响， 在一定温度下适当延长混捏时间，可以改善混捏的效果。 6 ： 程硕士学位论文第一章文献综述 1 3 2 3 焙烧温度对阳极质量的影响 影响焙烧阳极质量的主要因素是焙烧炉温度的均一性，合理的升温曲线和最 终温度。优化的焙烧炉结构设计、烟道设计、性能优良的耐火材料以及认真地砌 筑和先进的燃烧装置是获得均匀的焙烧温度的保证。国外先进的焙烧炉上下温差 仅5 0 左右，而我国大多数厂家焙烧炉上下温差达2 0 0 以上，这就需要提高焙 烧温度，以达到阳极制品在焙烧过程中所需要的温度，这既浪费热能，又使阳极 质量不均匀。合理的升温曲线也是阳极质量的保证。升温曲线过快会使阳极产生 裂纹，增大电阻率，也会使抗弯强度恶化。焙烧时产生的阳极裂纹会使阳极电解 时发生开裂，影响生产。 最终温度也是非常重要的，如果焙烧温度没达到或过高，阳极性能就会产生 偏差，机械性能变坏，透气性升高，尤其在阳极焙烧过程中温度没达到，在电解 过程中炭渣脱落将很明显，从而使电解质粘度增大，电解过程的阳极消耗增加。 由于焙烧不充分，机械强度过低，电阻率也较大。据国外有关资料介绍，在焙烧 温度1 1 5 0 时，每减少1 0 0 ，电阻率就会增加51 1q m 。焙烧温度从1 1 5 0 增加到1 2 5 0 时，电阻率变化很小。焙烧温度对粘结剂中那些焦桥键性能有影响， 焦粉粒度组成和粘结剂含量对阳极密度有影响。煅烧焦温度1 1 5 0 时对焙烧的 阳极电阻率影响不大，而焙烧温度 1 1 5 0 时电阻率增大 8 一”1 。 在8 5 0 到1 3 0 0 的温度范围内，阳极的焙烧温度每提高1 0 0 ，阳极的消 耗就可以减少几个百分点，许多研究表明它们之间成近似线性关系。但是，也有 研究发现，当焙烧温度升高到1 0 0 0 到1 1 0 0 范围的时候，已经偏离了这种关 系，也就是说，焙烧温度再升高时阳极的抗氧化性将会有更大的改善“o2 。 同样，提高阳极的焙烧温度也有利于降低阳极的空气反应活性。d r e y e r 1 认 为，当阳极的焙烧温度提高到1 5 0 0 的时候，阳极空气反应活性几乎为零。 f a r r - w h a t o n 等。”发现将焙烧温度从8 5 0 提高到1 1 5 0 。c 之后，阳极的抗氧化性 能得到了很大改善，且粘结焦的表面积降低了5 0 。b r a n d t z a g 等。”发现，当阳极 焙烧温度从9 5 0 提高到1 2 0 0 时，阳极炭耗缓慢的减少。但是，也不见得温度 越高越有利。r h e d e y 等0 7 1 发现，当阳极的焙烧温度提高到1 5 0 0 2 0 0 0 的时 候，阳极电阻率和空气反应活性降低，但是导热性能也大大地提高，使得阳极表 面温度比普通阳极平均高出1 0 0 ，尽管阳极的抗氧化能力得到了提高，但是空 气燃烧的速率却因阳极表面温度的提高而提高了。 1 4 炭素制品焙烧炉的技术进展 崔i 内外目前在焙烧工序所使用的环式焙烧炉的炉型基本有两种：一种是带盖 ：i ：鞋硕士学位论文第一章文献综述 式环式焙烧炉( 简称密闭炉) ，另一种是敞开式环式焙烧炉( 简称敞开炉) 。 采用环式焙烧炉的优点是可以连续性作业，容量大，产能高。但是这种焙烧 炉结构庞大，焙烧周期长，所以耗能大。以生产铝电解用预焙阳极炭块的敞开式 环式焙烧炉为例，目前发达国家能耗指标为2 9 3 x1 0 8 k j t 炭制品，我国同类型焙 烧炉的能耗指标为8 4 x1 0 8 k j t 炭制品( 抚顺铝厂) ，两者相比较，后者几乎是前者 的3 倍，这意味着，与国际上的较为先进的技术指标相比，我们生产l t 炭制品要多 消耗5 4 1 0 8 k j t 的能量，此直相约于1 4 0 k g 重油的燃料烧值。那么全国按每年7 0 8 0 万t 焙烧电极和炭块制品的产量计算，一年多消耗的能量相当于1 0 万t 以上的重 油燃料。这1 0 万t 的重油燃料完全燃烧，产物进入大气所造成的环境污染又是巨大 的，相当于每年多向大气排入4 0 多亿m 3 的废气。实际上环式炉焙烧电极制品理论 能耗在1 8 x1 0 8 k j t 左右，按发达国家最先进的能耗指标计算，其环式炉的热效率 为6 0 ，这一数值比较高。但这一数值的计算未考虑电极生坯挥发份有效燃烧所 产生的热量，如果把这部分热量计算在内，则目前国际上最好的能耗指标的环式 炉，其热效率也只有3 3 左右 2 8 1 。 1 4 1 密闭炉的发展概况及性能 密闭炉是我国焙烧电极制品普遍采用的主要炉型( 也称v f 炉) 。v f 炉之所以 被称作密闭炉是因为它有炉盖，炉盖由铸铁框架砌以耐火砖而成，加热时，燃烧 气体从设在底部的燃烧室进入炉室上部炉盖的空间，并从料箱壁的垂直砌i l 下 降，然后以水平流动方式进入下一个炉室的燃烧室。 该炉是1 9 2 0 年由德国里哈默炉业公司改进而成的，在世界各目广泛用于焙 烧预焙阳极。我国自5 0 年代初期相继建成并使用，至今密闭炉共经历了两个发 展阶段。 第一阶段：1 9 5 51 9 7 6 年，密闭炉基本按照苏联援建时的炉型模式，只在局 部结构上进行过改进。 第二阶段：1 9 7 7 1 9 8 3 年，我国炭素工业在工艺及技术装备上开始踏进世界 先进水平的行列。这一阶段，a 厂采用从日本引进的先进技术，成功地改进了老 式密闭炉，沈阳、贵阳铝镁设计研究院又为我国几家炭素厂设计了一批具有“日 轻炉”或“里德哈默炉”技术特点的新型密闭炉。从此，我国密闭炉的焙烧技术 登上了一个新台阶。 1 4 2 敞开环式焙烧炉的发展概况及性能 敞开炉是焙烧铝用阳极广泛采用的炉型( 也芬h f 炉) 。h f 炉是相邻接的料箱 工程硕士学位论文第一章文献综述 被横向配置的若干火道所分隔，各炉室之间出横墙隔开构成一单元体系。设在火 道内中部上下不封闭的隔墙是为了提高热效率和使火道内加热均匀而设计的，烟 气在火道内上下四次或二次折流流动后进入下一个炉室。在炉室的顶部不需要 v f 炉那种炉盖，阳极的传热和保护依靠5 1 0 m m 的填充料来实现。 敞开炉以法国被施涅炉为代表，密闭炉以里德哈默炉和美国炉为代表。前者 与后者相比发展历史较短。我国在7 0 年代初之前焙烧炭素电极和铝用阳极几乎 全用密闭炉。 此后，国内各铝厂也学习国内外先进技术，进行技术改造，陆续采用了敞开 式焙烧炉。在几年的生产实践中不断完善和改进，8 0 年代基本达到了机械化操作 的要求。至此，我国铝用炭素焙烧技术已步入国际7 0 年代后半期的先进水平。 敞开炉是我国实行改革开放政策以来，生产铝用阳极的专用炉型，它有以下 突出优点： ( 1 ) 产能大且质量好。从几家大型铝厂几年来预焙槽上使用的阳极情况看， 电流分布均匀，底掌平坦，很少有裂纹和掉块现象，钢爪与炭块结合牢固，各项 理化指标可以完全满足电解工艺的要求。 ( 2 ) 炉子结构简单，实现了装出炉机械化操作，生产效率高。 ( 3 ) 阳极在中温炉室燃烧时，一部分挥发份可在火道内燃烧，节省燃料。 ( 4 ) 炉内作传热介质的填充料基本上不氧化。而密闭炉火焰与填充料直接接 触，造成部分氧化燃烧。 ( 5 ) 敞开炉与改建后的密闭炉焙烧炭块单位热耗几乎相等，但敞开炉的热效 率比密闭炉高8 1 5 。 ( 6 ) 敞开炉结焦少，改善了劳动条件，而密闭炉结焦严重，造成出炉因难。 ( 7 ) 敞开炉一次性投资小且维修方便2 9 刘。 1 4 2 1 焙烧妒的技术进展 阳极焙烧炉火道的结构对炉内气流分布影响很大，而气流分布状况直接影响 到炉内燃烧过程与温度分布，最终会影响阳极碳块的焙烧质量。因此，提高阳极 质量和减少阳极焙烧过程中的能量消耗是阳极焙烧炉结构设计的重要目的。阳极 焙烧炉的设计趋势是：使炉室火道变窄，加快阳极的传热，优化火道内挡块( 导流 块) 的数量与位置，使气流分布均匀，从而得到均匀的温度场，产品质量得以提高。 由阳极焙烧炉火道燃烧过程的流场分布图和温度场分布图，可以知道火道底部与 第块隔板背风面附近区域有明显的回流，从而影响该区域的温度场分布，对此 可以采取数值模拟的方法和相关的结构优化方案来改进。结构优化的原则是：在 气流速度偏差较大的区域采取结构优化，即在高速气流区和回流区增加若干块挡 9 p c 控制机检测，控制燃料燃烧处于良好状态。从温度的角度看，同炉室各条火 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 l ，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 。c 。每个运 转炉室火道热冷端温差约6 0 。这充分说明这种自动控温燃烧架是当今最合适 的，同时也是最先进的。 壤 汾 蚕 1 1 1 m 白； 图1 - 2国外焙烧炉燃烧控制基本图 自动控温燃烧架另一个特点。是火道温度控制以前一个炉室的“热端”作为 调节该炉火道的温度基准。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f 如图 1 3 ) ，法国彼斯涅铝业公司与印度铝业公司采用a 类型方式，而前苏联及“日轻 炉”采用d 类型方式。贵铝引进“a p ”焙烧炉是“e ”类型式，而国内如青海铝 0 ： 程硕士学位论文 第一章文献综述 厂炉等采用“c ”类型式。由于燃烧架测温控温及位置布局差异，形成焙烧制度 及产品特性也自然产生不同的变化。 油c 【 粤呼。哆早叩叩r 里 峄屯憾 街奁菡越 a b c 递盘 d e 图卜3 焙烧炉火道结构、火焰架、喷油( 气) 及电偶测温配置图 1 4 2 2 2 焙烧炉火焰系统炉室分布形式 碳素焙烧炉一个火焰系统由预热、加热焙烧炉室、冷却炉室、密封炉室，装 出炉室和检修炉室组成。国内密闭炉一般预热加热炉室为5 8 个，敞开炉为5 6 个。冷却炉室随着生产或设计而定。冷却方式有自然冷却( 如密闭炉) 和强制冷却 ( 如敞开炉) 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。1 图l - 4 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口”，图1 4 ( 甲) 及法国彼斯涅铝业公司“a p ”炉图1 4 ( 丙) 为代表的“w ”型火道，采用焙烧周期2 4 2 8h ，应用2 3 排火焰燃烧架，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 1 - 4 ( 乙1 “v ”型火道形式或国内大部分密闭炉及敞开炉，无论炉室火道结构怎样， 都采用l 4 排火焰架( 喷孔) ，但不同的每排都是一个喷嘴。对于国内外炭素焙烧 炉来说，除燃烧架、喷嘴点量不同外，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，而敞开炉都在炉火道的上部。由于国内 外炭索焙烧炉火焰系统上述炉室分布，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 ，而代表双喷嘴自动燃烧架及 炉室合理分布的法国引进“a p ”焙烧炉为2 9 5 ，其热效率差为7 6 个百分点。 这也说明炉的设计特性与燃料燃烧控制装置及炉室中系统配置也有密切的关联。 从上述系统4 种形式，喷油( 气) 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 3 2 o ：j ：程硕士学位论文第一章文献综述 鼓风风压为零燃辑密封盖废气罩 拆流板 c 甲) ( 乙) 螋风架 负压为；咄密封塑科压力刮量值 拆 ! ! f 桓 爿盘丑盘正醒监。丙， 前、主、后加热( 油j 攫惹 ( 丁) 图1 _ 4 火焰系统内炉室及燃烧架分布图( 其中：甲一一美国诺兰达铝业公司；乙一一 日轻焙烧炉；丙一一法国彼斯涅铝业公司；丁一一日本电极株式会社密闭炉) 1 4 2 2 3 焙烧炉工艺控制系统的控制原理 我国某厂焙烧炉工艺控制系统( b p s ) 基本配置构成见图1 5 。 ( 1 ) 加热控制 加热架( h r ) 和排烟架( e r ) 的功能通过加热控制处理器( f p ) 有机的结合为一个 整体。一个火焰控制系统由配带的一个加热控制处理器( f p ) 的若干个加热架 ( h r ) ( 通常3 套) 和配带的一个加热控制处理器( f p ) 的排烟架( e r ) 组成。 加热位置糊o 加热位置关盈8 加热位置樊“ i l 旺蟛 加热位置英型5 jji | 。职蠲黼i 越刚强e 翔照7 加热撇型8 图1 - 5 焙烧护加热控制的位置类型 銎一 田 ：i ：程硕士学位论文第一章文献综述 负压架( u p u ) 连接到某一个加热控制处理器( f p ) 上( 通常连接到前面一个加热 架o a r ) 的加热控制处理器( f p ) 上) 。根据炉子和加热系统的配置( 焙烧炉炉室和加 热炉室的数量) ，焙烧炉的加热控制可分成不同类型的加热位置。设计中考虑了9 种类型的加热位置( 见图1 5 ) 。其中位置类型0 指的是标准的加热位置，位置类型 1 至8 指的是包含跨接烟道的加热位置。焙烧炉过程控制系统( b p s ) 在其控制模型 中用专用程序控制每一位置类型的加热。有1 4 个炉室受跨接烟道状态的强烈影 响，对1 个或3 个火焰系统的焙烧炉而言，影响差别是很大的。因此，通过跨接 烟道状态加热的特殊控制和调节是极为重要的。 每一台炉子都有自己的中央处理器( c p ) ，配备有键盘，v d u 屏和打印机。由 于要测量的每一点的温度和升温速度是时间的函数，在专门开发的控制模型( c m ) 中，温度和升温速度、目标温度、炉子参数、加热参数以及标准的修正曲线和跨 接烟道状态由转换程序转换成控制重油量输入和炉子负压的动作。中央处理器 ( c p ) 终端和打印机设置在控制室。 加热控制处理器( f p ) 以一分种为周期测量和收集温度及负压值。这些信息经 过预处理后送往中央处理器( c p ) 。从中央处理器( c p ) 来的指令，通过加热控制处 理器( f p ) 送达到用于调节重油量输入的加热架( h r ) 燃烧器控制阀、调节负压的排 烟架( e r ) 电动插板阀及所有信息显示的控制屏。 每1 5 m i n ，测量得到的温度值和计算得到的每一烟道、区域和加热火焰的升 温速度提供给中央处理器( c p ) 的控制模型( c m ) 。升温速度通过最后1 5 m i n 测量到 的温度的外插法来确定，然后，计算出的升温速度和实际温度与目标值比较。根 据目标值的偏差情况，由控制模型( c 采取必要的修正和动作。如果一个烟道要 同时发生几个动作，则根据设定的考虑顺序确定每个烟道要采取哪个最新动作。 然后，这一计算出的动作转换成加热架( h r ) 燃烧器电磁阀或排烟架( e r ) 电动插板 阀的控制动作，并送往各自的加热控制处理器( f p ) 执行。在控制模型( c m ) c p 设定 的参数，如：重油量范围和数量、负压范围和负压值等可由焙烧工艺控制系统( b p s ) 的调节，从而使给定目标范围内的参数，如：目标温度曲线、最终目标温度等达 到设定值。 每一火焰加热系统的一组数据，每小时都被收集到中央处理器( c p ) 数据处理 库。这些数据用于焙烧操作的短期、中期、长期评价和最优化。 ( 2 ) 冷却控制 冷却控制的目的是调节冷却架( c r ) 的能力以获得最佳阳极冷却效果、最小的 焙烧填充料烧损和供给加热器( h r ) 充分燃烧的空气。 冷却的操作是要保i i n 热器( h r ) 组的零压点刚好在最后一个加热架( hr ) 的 后面。通过冷却器架( c r ) 的放置位置、风机风量的调节和燃烧器口、排烟口和焙 烧炉横墙洞的打开关闭来实现这一点。按照这一原则操作的结果，将获得清洁的 工程硕士学位论文第一章文献综述 工作环境和较低的填充料烧损( 最低 1 2 k 趴焙烧阳极) 3 3 3 6 o 1 4 3 敞开环式焙烧炉工艺的改进 环式炉工艺操作技术的改进主要集中在如下几个方面 1 4 3 1 适当缩短焙烧周期 缩短焙烧周期是提高生产能力、降低生产成本和大幅度降低能耗的行之有效 的方法。在这方面，意大利铝业公司做出了卓有成效的工作。 位于意大利维斯默港的这家铝业公司拥有两台带盖环式焙烧炉，是七十年代 建造的。阳极炭块在环式炉中的焙烧周期为2 8 8 h ，火焰周期为3 2 h 。在多年的长 期运行之后，对其焙烧工艺操作进行了改进，试验和制定了最终目标为提高设备 生产率和工艺技术方案，其技术路线是缩短燃烧周期，由原来的2 8 8 h 缩为2 2 3 h ， 火焰周期缩为2 4 h 。 焙烧周期缩短后，阳极炭块的燃烧温度没有降低，同时也没有使产品质量下 降，而环式炉设备的生产能力提高了3 3 。燃料消耗降低了1 5 。 1 4 3 2 改善炉项封闭性能减少外部空气渗漏 增强炉顶封闭性能，减少外部空气渗漏是环式炉节能的有效方法，加拿大铝 业公司在这方面所进行的突出的研究工作 3 7 o 这家铝业公司拥有两台敞开环式阳极焙烧窑，每台都采用双火焰系统，每个 火焰系统由7 个炉室组成( 3 个预热室，4 个燃烧室) 。研究首先要确定燃烧室的燃烧 情况，漏风程度和分布状况。漏风情况是根据局部烟道气体分析测定的。 为了分析研究的方便，把焙烧炉和排气系统分成三个部分：燃料燃挠室，预 热室，炉外管道系统( 包括废气排放管道和侧部管道等) 。分析三部分的漏风测试 结果表明： ( 1 ) 在燃料燃烧室，空气渗漏占整个漏风量的1 0 ，这部分空气足以维持燃料 燃烧和沥青挥发份的完全燃烧。 ( 2 ) - - 个预热室的漏风量极大，占3 0 4 0 ，这部分空气一方面提供了足够的 氧气，另一方面却又降低了阳极、烟道及烟气的温度，从而使得燃料消耗增加。 ( 3 ) 炉外的排气管道系统的进风是整个漏风量的主要部分，但这并不直接影响 燃料消耗，而仅是降低了排放废气的温度。 根据所测得的数据，对其火焰系统的稳态热平衡情况作出了估计，表明排放 工程硕士学位论文第一章文献综述 烟气的热含量相当于燃料燃烧所放出热量的5 0 6 0 ，只要把最末位置三个炉室 的漏风量减少5 0 1 0 0 ，焙烧每吨炭阳极所需的燃料消耗减少1 0 5 2 1 lx 1 0 8 k j 。该公司对各种减少漏风的可行方法作了比较，从环式炉的物理结构条件的 角度来看，最好的办法是对炉室进行彻底的封闭。该公司研制了一种炉盖，罩在 最后一个预热室上，并测试了它对减少漏风的效果。结果表明预热室漏风量减少 近9 0 ，把最后三个预热室全部封盖，根据热平衡计算，燃料消耗从4 7 3 5 2 7 1 0 8 k j t ，阳极降到2 6 8 3 6 9 x1 0 8k j t 电极。 1 4 3 3 采用燃油乳化技术 位于澳大利亚贝尔湾的澳大利亚联邦铝业公司使用乳化燃料油在节省油耗 方面取得了很好的效果”。不仅如此，还使料室的温度分布更加均勾，减轻了耐 火砖承受高温的状况。 这种乳化燃料油是借助于表面活性剂二聚水分子通过吹制过程制取的，这一 过程能够产生稳定的水流，重油、水、二聚水分子按一定的比例通过一静态混合 器压入到乳液磨。水滴的大小和型态对乳化燃料油的使用好坏有重要影响，其最 佳粒径为5 1 0um 。当乳化油中的水受热时会发生第二