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PECHINEY阳极焙烧炉结构特点分析
刘洁
摘要：分析了法国PECHINEY焙烧炉的结构特点及自动控制技术对焙烧过程的影响，该焙烧炉焙烧的阳极质量与普通的焙烧炉相比大大提高，能耗降低了近一半。
关键词：阳极质量；膨胀缝；火道墙
中图分类号：TQ127.1＋1　　　文献标识码：B
文章编号：1001-3741(2000)01-0031-03
THE ANALYSIS TO STRUCTURE CHARACTERISTICS OF PECHINEY ANODE BAKING FURNACE
LIU Jie
(Guiyang Aluminium and Magnesium Design and Research Institute,Guizhou Guiyang 550004,China)
Abstract: The structure characteristics of the Pechiney baking furnace and the influence of automatic control technology on baking process were analyzed.The quality of anodes baked in the pechiney baking furnace is much better than that in the conventional baking furnaces and the energy consumption for unit anode product decreases nearly half.
Key words: Anode quality;expend joint;flue wall
　　焙烧是炭素制品生产中的一个重要工序，焙烧温度的均一性、升温速率、温度梯度及焙烧最高温度对阳极质量都有很大影响。1997年国内某铝厂引进了PECHINEY阳极焙烧炉，该焙烧炉产能大，消耗低，工艺设计上有一些特点，本文分析了该炉的结构特点及其温度、气流的自动控制，供炭素同行们参考。
1　PECHINEY阳极焙烧炉概要及结构特点分析
　　PECHINEY阳极焙烧炉是敞开环式焙烧炉，在火道墙的设计上独具特色，因而炉内温度分布均匀。炉室中最大阳极温度偏差在50℃以下；阳极焙烧终温为（1080±20）℃，并缩短了焙烧周期（28h），配合加热自动控制技术焙烧升温时，温度梯度得到控制，最终提高了阳极质量。PECHINEY焙烧炉还有个特点是装炉量大，其2个火焰系统的年产量比贵铝前八万电解厂阳极分厂4个火焰系统焙烧炉的年产量多1万t，其每吨产品能耗降低至272万kJ。下面对PECHINEY焙烧炉各部分结构特点作出分析。
1.1　混凝土炉壳
　　焙烧炉最外层的混凝土炉壳座于0.000m标高以上，底部连续排列着混凝土槽形板，极大地减少了炉底散热。另外，混凝土炉壳壁厚减少了40％，经计算：其6m高炉壳与传统焙烧炉4m高炉壳重量相等。
1.2　炉底及侧墙
　　在不增加炉底保温层厚度的前提下，炉底采用多层保温材料砌筑，每层砖缝和膨胀缝互相错开，在炉底内壁至外壁之间形成曲折的膨胀缝路线，保持砌体的气密性，有利于保护混凝土炉壳，同时保温材料体积密度降低0.25g/cm3，炉底散热和蓄热随之降低。根据PECHINEY资料透露，炉底混凝土表面温度只有160℃。
　　侧墙与炉底拥有同样的设计思想。侧墙的竖缝和卧缝均控制在2mm以下。这里侧墙的厚度已包括了挡墙的厚度，将原来的挡墙改变为轻质耐火砖墙，成为侧墙的一部分。侧墙上膨胀缝排列规整、均匀。每面炉室的侧墙上留4条膨胀缝，这些膨胀缝呈同样的平面形状，并在高度方向上每十层平移一下。侧墙上还分布了与混凝土炉壳相连结的拉砖，这对于5m高的侧墙来说是必要的。4种不同材质的耐火材料从内向外排列，随着不同部位的温降选用导热系数尽可能低的材质，最终在混凝土炉壳侧部的表面温度只有110℃。
1.3　火道墙和横墙
　　火道墙、横墙座落于炉底板上面，炉底板用较大的方形耐火板砖砌成，便于火道墙、横墙作膨胀移动，同时炉底板所设膨胀缝的位置避开了那些被火道墙、横墙压住的部位，免得靠近火道墙、横墙上的膨胀缝。
　　火道墙的设计运用水模型和计算机优化设计，其温度分布均匀，火道最高加热温度保持在1180℃一段时间，就可以使阳极焙烧到(1180±20)℃。由于火道温度降低，火道墙和横墙的耐火材料可用粘土砖替代高铝砖。粘土砖具有较好的抗热震性，更有利于间断式加热的焙烧炉。但这些粘土砖应具有较高的荷重软化点和较低的高温蠕变。火道墙5m多长，膨胀缝只能设于两端，为便于火道墙在长距离内作膨胀移动，在火道墙底部铺了铝钒土垫层。横墙上每段料箱处都留一道膨胀缝，横墙作膨胀移动的时候不致影响到火道墙的稳定性。
　　火道墙和横墙的顶部是用400mm厚的预制块砌筑的，横墙顶部不设排烟孔，排烟孔移到了火道墙上，火道墙顶部的预制块预留了4个孔，这些孔是冷却、鼓风、燃烧、测温和排烟用的孔。实践证明：用厚预制块筑顶，其炉面表面温度降低，便于工人炉面操作，横墙上无排烟孔更方便了工人行走。
1.4　连通烟道
　　焙烧炉两端的连通烟道分离于炉壳之外，用金属作外壳，内衬轻质耐火砖，烟道内截面达1.6m2，金属作外壳保证了连通烟道接口和烟道的形状，烟道断面呈圆形减少了气流局部阻力损失系数，同时轻质砖内衬又降低了烟道蓄热，减少了烟气流动过程的温降，这对预焙烧炉室得到均匀加热具有重要的意义。
1.5　排烟道
　　排烟道是一个U形钢烟道。里面不衬砖，当中均匀设置了金属膨胀节，火道墙上每一块砖留2～6mm的竖缝，这些竖缝为空缝，沥青挥发分逸出后完全进入火道墙内燃烧,烟道内无焦油沉积。
　　以上是从前八万焙烧炉的角度来分析PECHINEY焙烧炉的结构特点，这有利于改进传统焙烧炉，在没有加热和气流自动控制设备的情况下，炉壳、炉底、连通烟道、侧墙和横墙的是可以借鉴的。PECHINEY焙烧炉与前八万焙烧炉焙烧均一性和使用寿命对比见表1。
表1　PECHINEY焙烧炉与前八万焙烧炉均一性和使用寿命对比
项目
PECHINEY
前八万
炉室中最大阳极温度偏差/℃
50
200
火道墙使用周期/次
>100
40
侧墙、炉壳使用周期/次
400
150
横墙、连通烟道使用周期/次
250
70

2　PECHINEY焙烧炉温度和气流自动控制系统的作用
2.1　温度和气流自动控制原理
　　在控制模型中已设定的参数有焙烧加热烟气起始和终了温度、升温梯度、排烟压力。在排烟区，每条火道设置一个测温点和一个测压点。在加热区，每条火道设置三个测温点（见图1）。

图1　温度、压力测量点示意图
　　每一条烟道墙线路通过一个独立的PID（比例—积分—微分）调节器对测温热电偶送来的实际温度值与设定温度值进行比较，从而确定一个烧嘴功率，由调节器对电磁脉冲阀的开闭频率进行调节以实现上述烧嘴功率，同时达到控制火道墙温度的目的。这台PID调节器也执行来自压力软件的操作命令，通过改变排烟架电动风挡的开度来调节排烟压力。最终在每一条烟道线路上，从排烟区到加热区形成燃油与排烟量相互调节的自动控制区域。7条火道墙线路的PID具有同样的设定值。
2.2　温度和气流控制系统的作用
　　1)挪威希德罗铝业公司（Hydro）和瑞士研究与发展炭素公司（R＆D）的研究指出[1]，焙烧阳极在300～600℃之间释放挥发分，这时焙烧温度梯度必须小于12℃/h，否则阳极会产生细微裂缝，影响阳极质量。温度梯度控制在12℃/h以下只有自动控制才能保证。
　　2)同一炉室的所有火道用同样的设定参数去控制，按同一条焙烧曲线升温。
　　3)精确地控制加热炉室900～1200℃的升温及保温过程，稳定的阳极焙烧终了温度（1080℃±20℃），R＆D研究指出，阳极焙烧终了温度越高，阳极导热率越高，在槽上其阳极顶部越容易氧化。
　　4)预热炉室挥发分逸出后进入火道墙，在适当的温度下(>750℃)才能燃烧，火道墙内烟气温度可以通过调节排烟压力得到控制，挥发分得以充分燃烧，降低能耗，减少污染。
　　5)零压点是温度和气流自动控制系统的一部分，图1中示意了零压点位置。将零压点设在此处符合烟道墙线路上气流的合理运用，防止了过剩空气量，降低了能耗。
3　结语
　　PECHINEY阳极焙烧炉在结构上的特点保证了炉子产能高、能耗低，节约了基建投资费用，此外，自动控制燃烧及排烟量技术的运用保证了阳极焙烧的均匀性和对焙烧温度的控制，最终提高了阳极质量，减少了燃料消耗，延长了耐火材料的使用寿命。
编辑　朱海哲
作者简介：刘洁女1964年12月生，1985年毕业于昆明工学院材料系金属学及热处理专业，现工作于贵阳铝镁设计院。
刘洁（贵阳铝镁设计研究院，贵州贵阳550004）
参考文献：
［1］包崇爱.提高铝电解用炭阳极质量综合技术[J].轻金属,1998,增刊:322.

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