罐式煅烧炉产能因素分析及应用.pdf

Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY在我国铝用炭素制品生产中用于原料煅烧的设备，主要有无烟煤煅烧的电气煅烧炉，石油焦煅烧的回转窑和罐式炉1。回转窑的优点主要为：产量大，自动化程度高，结构简单，维修方便等。罐式炉的优点主要为：煅烧质量稳定，原料炭质烧损小，产品纯度好，热利用率高等。近年来，随着原料价格的上涨，铝电解对炭素制品质量要求的提高，罐式煅烧炉得到了广泛运用，回转窑逐步被取代。但是，罐式煅烧炉由于炉型设计本身的差异性以及原料石油焦理化指标的持续劣化，实际生产运行中出现了“放炮”频繁、原料硫含量波动影响硅砖使用寿命、提高产量困难等问题。本文针对罐式炉生产运行过程中出现的上述问题进行原因分析，并提出相应的改进措施。1温度梯度控制困难限制产量提升1.1问题的提出某公司罐式煅烧炉设计采用大八层火道煅烧，火道尺寸高 615 mm，其他罐式炉厂家多为小八层，火道尺寸高 479 mm（结构尺寸对比见表 1）。在首层火道入口，由于截面积较大，挥发分与冷空气容易出现分层，两者未能充分混合燃烧，火焰容易沿着火道顶部流窜，煅烧带下移，导致首二层温度偏低，八层温度偏高的现象发生，炉内温度梯度不理想。为控制温度，稳定工艺，产量只有控制在 80耀90 kg/h 罐，达不到设计的 100 kg/h 罐产能。*收稿日期：2023-05-31作者简介：段 斌（1979-），男，白族，云南鹤庆人，工程师，主要从事炭素煅烧。Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY罐式煅烧炉产能因素分析及应用*段斌，李春民，李自田，吴建茂（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）摘要：针对罐式煅烧炉生产运行中出现的首二层温度提升难、频繁“放炮”、料罐硅砖使用寿命短、达不到设计产能等问题，采取了预热空气通道优化、含尘废气收集、石油焦精准配料等一系列改造措施，并规范了罐式炉日常操作方式，使首二层温度提升 50 益以上，“放炮”现象基本消除，单罐产能突破设计值 100 kg/h。关键词：煅烧炉；产量；温度；放炮；硫含量；硅砖；使用寿命中图分类号：TF806.1文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）01-0168-05Capacity Factors Analysis and Application of Pot CalcinerDUAN Bin,LI Chun-min,LI Zi-tian,WU Jian-mao(Yunnan Yuanxin Carbon Co.,Ltd.,Jianshui,Yunnan 654300,China)ABSTRACT：In the production operation of pot calciner,the temperature of the first and the second layer is hard to increase,deflagration occurs frequently,the lifetime of silica bricks for pot calciner is short,it cannot meet the designed capacity requirements,so a series improvement measures were taken,such as optimization of pre-heat air passages,collection of waste gas,precise ingredient ofpetroleum coke,and the daily operation of top calciner was regulated,the first and the second layer of top calciner is increased more than50益,deflagration is eliminated basically,and now the capacity of single pot break through the design value by 100 kg/h.KEY WORDS：calciner;capacity;temperature;deflagration;sulfur content;silica bricks;life time168图 2罐式炉结构图Fig.2Structure diagram of top calciner1.2方案的实施1）利用原有系统作为改造对象，对预热空气管道进行改造，将原先设计外排的预热空气经四（层）进二（层）空气道引入二层火道（见图 1），促使首层未完全燃烧的挥发分在二层头部与预热空气混合充分燃烧，从而达到提升首二层火道温度，降低八层温度的目的。该新增预热空气管为 120 mm 方管，在原有预热空气排放管上部开孔 120 伊 120 mm，将新增预热空气管一端焊接至预热空气排放管开口部位，另一端焊接至原有的空气调节阀框架上，同时在原系统预热空气排放口处焊接排放管调节阀200伊150 mm。使用预热空气时打开空气调节阀，关闭排放管调节阀，则预热空气停止外排，进入二层火道与挥发分混合燃烧。改造后，可根据挥发分的多少，调整空气调节阀开度使预热空气量与之相匹配。2）首层火道变径口位置增设高度约 4 cm，宽度 10 cm 的挡砖，冷空气经首层冷风门进入火道后，处于下部的空气被增设的挡砖阻挡向上抬升，正好与自下火口涌入的挥发分充分混合燃烧，从而提升首二层火道温度。2频繁“放炮”制约产量提升2.1问题的提出“放炮”是罐式煅烧炉比较常见的问题之一，该公司 4伊 72 罐大八层火道罐式煅烧炉于 2020 年4 月全线投产以来，单罐排料量由 60 kg/h 逐步向设计产能 100 kg/h 增加过程中，排料机下沿集料斗出口处频繁“放炮”，有时一天“放炮”的次数多达数十次，存在较大安全隐患，为控制风险，只有频繁调整降低产量。2.2“放炮”原因分析经查阅相关资料，石油焦受热后产生的挥发份主要成分有 H2、CH4、CO、CO2、CmHn 几种气体，其中 H2含量最多，体积含量占比达到 60.15%左右，CH4占 32.87%左右，CO、CO2、CmHn 分别占体积数的 4.17%、1.38%和 1.43%2。H2是一种易燃易爆的气体，在占比达到 4%至图 1预热空气管道改造示意图Fig.1Schematic diagram of the transformation ofpreheat air pipeline reconstruction1.原预热空气通道；2.原预热空气排放管；3.排放管调节阀；4.新增预热空气管；5.预热空气调节阀；6.二层火道表 1罐式煅烧炉结构尺寸对比Tab.1Structure and size comparison of top calciner其它厂罐式炉/mm100伊10080项目某厂罐式炉/mm炉下火口100伊230耐火砖厚度90479火道高度615溢出口离首层火道距离204136段斌，等：罐式煅烧炉产能因素分析及应用169Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY74%浓度与空气混合时，在热源、日光或火花的刺激下均易引爆；CH4在空气中的含量达到 5%耀15.4%时，遇火源将发生爆炸。罐式炉“放炮”就是石油焦高温煅烧时排出的挥发分没有充分燃烧且全部进入煅烧炉火道内，部分随着煅烧焦一起下移，在排料机处与空气接触后，由于物料温度还在 150 益以上，其易燃易爆气体与空气混合受热迅速燃烧，形成高压气体向外冲出，从而产生“放炮”。2.3方案的实施1）提高火道负压：罐式煅烧炉是一种负压操作炉3。在实际生产过程中，逐步将罐式炉烟道总负压由 60耀70 Pa 调整至 100耀120 Pa，首层火道负压由 15耀20 Pa 提高至 25耀35 Pa，五层火道负压由 40耀50 Pa 提高至 60耀70 Pa，使挥发分溢出更加顺畅。负压并非越高越好，经过考察对比国内索通、强强炭素等同行企业，汇总烟道负压一般控制在 100耀150 Pa 之间，首层火道负压一般不大于 38 Pa，以炉顶不冒烟，加料斗内有微负压即可；2）缩短清炉周期，规范清炉效果：通过总结摸索，在罐式炉原设四个生产班组的基础上，增设了清炉班组，将挥发分总道、挥发分溢出口清理周期由 11 d 缩短至 9 d。下火口每个生产班检查清理一次，对料罐 9 d 插钎检查，发现罐体结焦及时处理。由生产班组监督检查清炉班组的清炉质量，保持挥发分预设通道畅通；3）改造罐式炉加料口，确保罐内物料堆积面始终低于挥发份溢出口，杜绝物料掩埋挥发分溢出口的现象，确保溢出口畅通；4）均衡搭配石油焦粗细料。块料过多，炉内料与料缝隙较大，挥发分容易排到炉面下料口，从而导致下料口产生冒烟、冒火。炉内粉料过多时，料与料之间缝隙较小，不利于挥发分的排出，挥发分随料的移动至排料口时遇大量空气会产生放炮4。因此，石油焦搭配要从采购开始，做到粗细均匀。为解决粒度问题，在原料系统增加破碎机、筛网等，取得较好效果；5）尽量让入炉的石油焦干燥一些，最好先经过一周以上风干。物料水分过大：淤会导致罐体结焦频繁；于小颗粒物料过潮，在罐式炉煅烧过程中很容易粘结，使颗粒之间的间隙堵塞导致挥发分不能有效排出；6）提高首层和二层火道温度，降低八层温度，让挥发份在预热带充分溢出，减少煅烧焦挥发份残余量。物料在罐体上部加入后，在罐内受热并向下缓慢移动5。理论上要在预热带内（二层火道以上），以吸收罐壁墙两侧火道传递的热量来迅速升温，实现排出挥发分的目的，当物料到达二层火道及以下位置时，挥发份基本排除干净。但实际生产过程中，存在石油焦挥发分低、粉焦比例较高、雨季石油焦过于潮湿的情况，其在预热带就需要吸收更多的热量，加之粉焦煅烧过程中，挥发分难溢出的特点，常导致首层、二层火道温度难以达到预期温度，火道温度低又导致罐内物料煅烧温度低，造成“恶性循环”，最终使挥发份未能在预定区域排出而是随煅烧焦下移导致“放炮”6。将外排的预热空气通过改造引入到二层火道助燃，较好地解决了这一问题；7）该公司四台罐式炉，只设计有两台除尘器，两台炉共用一台除尘器，排料机处负压偏小，抽力不足；各台炉收尘总管没有蝶阀，不能实现图 3罐式炉挥发份流向图Fig.3Flow direction diagram of volatile matterof the top calciner170风压、风量调整；收尘支管设置于振动输送机上，与集料斗距离较远，导致各组集料斗处负压不足且不均，随煅后焦下移逸出的少量可燃气体不能及时抽走，聚集到一定浓度易发生“放炮”现象。为确保排出的煅烧焦中残留的挥发分不在集料斗积聚而引起“放炮”，增加了一台除尘器，在罐式炉每个排料斗上增加了收尘管网及调节蝶阀，根据负压及时调整，使之与系统需求匹配，将随物料排出的残余挥发分及时抽走排空。3石油焦搭配不均影响产量提升3.1问题的提出石油焦品种多达十余种，硫含量在 0.8%耀6.5%不等，由于原设计无法实现精准配料，煅烧工艺调整频繁。加之罐式煅烧炉采用大八层火道设计，火道内烟气流速较慢，层间压差及温差较小，致使煅烧带过长，相同的排料量，物料在料罐内的停留煅烧时间较其他厂家多 10 h 以上，导致物料存在过烧，脱硫率偏高，硅砖存在氧化腐蚀的现象，大大制约了提产的实现。3.2方案的实施1）将石油焦库分区，不同硫含量的石油焦单独堆放。按图 4 原理在取料机上增加称重设备，采集的实时数据传输给 PLC，通过修改 PLC 程序自动控制取料机大小车运行速度，实现按需求配比取料作业；2）在高温下，石油焦中的硫与硅砖中的 SiO2反应生产 SiS2，对硅砖造成侵蚀，侵蚀熔融的SiS2流入火道后发生氧化反应又生成 SiO2。在正常生产过程中发现的烟囱、余热锅炉排管中出现白色粉末状物质就是 SiO2。而且火道内有珊瑚状白色固体物质，主要成分也是 SiO27。随着石油焦硫含量的波动上升，煅烧脱硫率也会越高。因此，尽量选择中低硫焦产地作为石油焦供应厂家，对进厂原料实行精准搭配，将煅前混合石油焦中的硫份含量稳定在一定范围，有助于延长和保证煅烧炉寿命3。其次，物料温度越高，停留时间越长，石油焦脱硫率就会越高。罐式炉物料的煅烧分为预热带、煅烧带、冷却带，在实际生产过程中必须确保各温度带的工艺温度在合理范围内。某公司罐式炉存在煅烧带过长，冷却带过短的情况。针对这一现象，采取将三层火道尾部观火孔改造为可调节的冷风门，通过补入适量的冷空气，逐步降低 4耀8 层火道温度的方式进行控制。4实施效果1）挡砖的增设使挥发分与冷空气在首层下火口位置能够较好地混合燃烧。二层火道预热空气的运用，提升了火道加热速率，使部分未充分燃烧的挥发分能够迅速充分燃烧。通过方案的实施，罐式炉二层平均温度从 1 200 益提升至 1 250 益以上。由于炉下部挥发分减少，八层温度则由平均1 090 益降低至 1 060 益。因为温度梯度形成并可控，产量也逐步提升至 90耀95 kg/h 罐；2）某厂罐式炉出现的“放炮”频繁问题，通过采取七条措施加以改进后，得到了根本性解决，安全风险基本消除。鉴于此，罐式炉提产工作也稳步推进，单罐产量达到 95耀100 kg/h；3）实现石油焦精准搭配后，煅后焦硫含量波动明显减小，基本可以控制在依0.1豫，为提产创造条件。石油焦硫含量的控制及三层火道冷空气的运用，使石油焦在煅烧过程中的脱硫率明显下降，由 34.82%降至 15.70%（见图 5），火道内珊瑚状白色固体物质明显减少（见图 6、图 7），有效减轻了硫对硅砖的氧化腐蚀，延长了炉子使用寿命8。某厂罐式炉单罐产量已达到 100耀110 kg/h，突破设计产能。图 4石油焦硫含量精准搭配取料机改造原理图Fig.4Upgrading principle diagram of material taking machineprecise matched with sulfur content in petroleum coke段斌，等：罐式煅烧炉产能因素分析及应用171Feb.2024Vol.53.No.1（Sum 304）2024 年 2 月第 53 卷第 1 期（总第 304 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 5石油焦煅烧脱硫率对比Fig.5The desulphurization rate of the calcined petroleum coke图 6实施前火道内白色物质Fig.6The white matter inside the fire path before implement图 7实施后火道内白色物质Fig.7The white matter inside the fire path after implement5结 语1）将冷却炉底的预热空气引入二层火道燃烧，能有效提升罐式炉首二层温度 50益以上，降低八层温度 30益左右，使炉内形成合理温度梯度，为提产打下基础；2）通过一系列的生产工艺规范和现场设备改造，罐式炉“放炮”问题得到有效解决，为提产创造条件；3）通过精准搭配控制石油焦硫含量及三层火道补充冷空气操作，能有效解决石油焦脱硫率高的难题，炉子硅砖使用寿命得到延长，为提产并突破设计产能提供了保障。参考文献：1 吴家凤.试谈回转窑及罐式炉的优缺点及选择J.炭素技术，1992（3）：35-37.2 王春华，刘伟娜.炭素回转窑内煅烧石油焦热物性参数的测试与研究J.冶金能源，2007（3）：62.3 孟港，魏明.分析罐式煅烧炉炉龄J.中国科技博览，2013（30）：5.4 刘建祥，任林.罐式炉与回转窑碳质烧损的探讨J.甘肃冶金，2014（2）：25-28.5 王平甫，罗英涛，宫振，等.中国竖罐式炉煅烧石油焦技术分析与研究J.炭素技术，2009，28（4）：41-45.6 李自田，李春民，王丹丹，等.罐式煅烧炉几个主要问题的探讨及改进J.云南冶金，2022，51（2）：160-164.7 孙传杰，芦健，林军.硫分对罐式煅烧炉的影响J.轻金属，2004（1）：45-47.8 董轶民.加强管理延长罐式炉寿命J.轻金属，1998（10）：44-46.172