孔 强

（陕西有色榆林新材料集团有限责任公司，陕西 榆林 719000）

1 行业概况

敞开式环式焙烧炉是在80年代初贵铝从日本引进新的环式技术，此后，沈阳、贵阳铝镁设计院又为我国铝用炭素厂设计了一批具有“日轻炉”或“里德哈默炉”技术特点的新环式炉，并相继投产。后期虽经过30多年的改进，但仍然存在诸多技术难题。常用的焙烧工艺不能充分利用挥发分燃烧产生的热量，致使焙烧热能消耗一直较高;挥发分燃烧不充分，造成烟气净化负担较重;升温速度控制不理想，产品质量较差，以上便是目前焙烧的主要瓶颈问题。

面对燃气市场的日趋紧缩，燃气价格的持续走高（尤其进入冬季天然气价格一涨再涨，且限制企业用气量），面对成本压力日益凸显，作为炭素行业用气大户的焙烧车间，降低生产成本从降低天然气单耗入手有较大的挖掘空间，且现今诸多炭素行业将目光投向降低焙烧天然气耗量这一方向，从节能方面入手降低生产成本。

2 公司现状

我公司焙烧车间共计有三台焙烧炉，两台54炉室，一台36炉室，均为敞开式焙烧炉。每个炉室有9条火道8个料箱，分3层立装；焙烧炉面设备采用机电一体化燃烧架和机电一体化排烟架，DCS自动控制系统；以天然气作燃料；于2012年11月投入生产。

车间已投产8年多时间，部分炉室变形严重，如火道墙向一侧“鼓肚子”，炉墙塌陷和下沉，墙体裂缝等一系列问题。在此每况日下的硬件设施下，公司天然气单耗虽无增长，但却难以持续降低。为达到公司降低天然气气耗的目标，同时完成公司下达任务指标，车间采取移炉前几个小时关闭6P燃烧架的方式或者关闭、减小燃烧架上游支管喷气的措施降低用气量，以保证达到节气的目的。采用以上方法，虽然实现了节省燃气的目的，但本身就是28小时的较短焙烧周期严重影响了制品的高温保温时间，导致制品电阻率等理化指标波动较大，均质性较差。

3 优化工艺调整，实现节能降耗

为实现降低天然气单耗，稳定产品质量的目标，车间主动与同行业多个企业进行交流，并在车间内部开展实验，摸索、挖掘节气方法和途径。通过开展各项实验，大量汇总数据，经过一年多的时间，车间天然气单耗由61Nm³/t降低至58Nm³/t，总结出降低天然气单耗的几方面突途径，如炉室结构与密封、燃控系统（设备和程序）和焙烧工艺，下面就针对以上几点因素谈一下个人看法。

3.1 炉室结构与密封效果

焙烧炉做为焙烧生产的主体设备，其结构对于焙烧工艺、产品质量和天然气耗量等各方面指标有着至关重要的影响。近几年陆续投建的新型焙烧炉在炉室结构方面与旧炉存在的较大差别，尤其在炉面结构上，新型焙烧炉火孔采用小孔设计（比燃烧器喷管直径略大），相比旧炉的大孔设计（一般为三件套）有更好的炉面密封和保温效果。因此在同样的燃控设备配置下，新型炉室具有明显的节气优势。

车间的三台焙烧炉均为老式焙烧炉，炉面火孔三件套间的缝隙较多。再加上多年的运行，炉墙变形严重，炉墙砖缝变宽，透风率增加，进一步增加了焙烧炉的保温和密封性，打破热平衡，损失的热量须更多的燃气来补充。为缓解旧炉结构上的缺陷，车间采用耐火棉将火孔盖缝隙和炉面预制块间缝隙等可能造成负压损失的都进行密封处理，同时预热炉室采用塑料薄膜覆盖，极大程度的降低了负压损失，同时降低了风机频率，降低了电耗，为后期的工艺调整提供了良好的基础工艺条件，且炉室质量和密封质量也是最关键的“硬件条件”。

3.2 燃控设备的升级改造

在做好炉面密封工作后，做好节气工作还需有硬件设施的支持。焙烧的两大关键设备，一是提供负压环境的排烟架，二是提供热源的燃烧器。车间自2012年投产后排烟架和燃烧器一直未做升级改造，采用的依旧是十几年前的老旧设备，已经不能满足如今的工艺和能耗要求，严重制约着车间的工艺优化和节气工作。

2019年车间逐步完成关键设备的升级改造，将老旧排烟架升级为渐缩型排烟架，除有效的提高了各火道的负压外更均衡了各火道间的负压，缩小了各火道间的差距，尤其提升了两个边火道的负压，为后期的工艺调整提供了良好的负压环境。另外，车间对所有燃烧器做了更换升级，将15cm长的钢制耐火喷管更换为30cm长度碳化硅材料喷管，除延长使用寿命外增加了火焰喷射长度。燃控设备的改造升级为工艺调整提供了“硬件”保障。

3.3 软件控制程序的优化

通过对软件控制程序的改进，燃烧架在纵向实现上下游间隔喷气，减少燃气过量或氧气不足的现象；在横向实现恒定数量的电磁阀动作喷气，稳定燃烧架管道内天然气压力。

燃烧架上下游电磁阀间隔动作喷气，在宏观上实现一个一系统一个条火道内最多只有3个电磁阀在喷气，大大降低了同一条火道内多个电磁阀同时动作的现象，极大的促进了天然气在火道内的充分燃烧。

在程序设定时，上游喷气时间为X秒，下游喷气时间则为15-X秒，下游喷气时间以上游开始喷气后X秒后开始，根据上下游燃烧比偶尔上下游时间之和会大于15秒，即使如此，重合时间（同时喷气的时间）也是很少的。

而同一个燃烧架上的电磁同时动作的数量控制在7-9个，一定程度上减少了天然气的压力波动问题。该程序设定前，减压后天然气压力在±5KPa范围内波动，程序优化后，减压后天然气压力波动范围缩小到±2KPa。另外压力恒定后，对于天然气在炉内的喷射深度也有一定程度的积极改善。

3.4 工艺调整与控制

焙烧车间自投产以来，一直把排烟架温度作为一个重要的管控指标。外出考察借鉴同行业其他企业焙烧工艺，把其他企业的焙烧曲线拿来即用，甚至看到同行业部分企业排烟架温度较高，便通过提升排烟架负压的方式来提升排烟架的温度，造成前期全力提升负压赶温，后期挥发份靠前又压低排烟架负压来控制升温过快的问题。如此一来造成负压波动较大（前期约170Pa，后期90Pa），系统不稳定，如此大的负压波动带来如下弊端：

（1）挥发份溢出点拉长，原本在挥发份集中在一个火道的观火孔下方剧烈燃烧，因负压过大将挥发份拉长成“焙烧带”，不单在一个火孔内看到挥发分溢出，在3个孔内均能看到挥发分的排出。

（2）长带式的挥发份排出，造成火道内助燃空气含量不足，燃烧不充分，火道内浑浊，排烟架挂油。

（3）后期为降低排烟架温度，压低排烟架负压，致使燃烧架升温困难，电磁阀均按照最大功率动作，而喷入的大量天然气更加无法充分燃烧，部分富余天然气转化为焦油，如此形成恶性循环。

（4）负压的忽大忽小，系统不稳定，焦油量大，造成烟道过火频繁。

针对以上情况，车间尝试从稳定负压入手，不再一味追求排烟架温度。根据三个厂房的不同炉室结构，摸索能够满足升温需要的恒定负压，即排烟架自始至终均稳定的一个负压水平。更重要的是通过摸索出的这个有效负压将挥发份的排出时间与排出位置固定下来，最终将挥发份在一个焙烧周期溢出点控制在3P炉室4孔到2P炉室4孔之间：在移炉前挥发份在2P炉室4孔处剧烈燃烧，移炉后挥发份刚好在3P炉室4孔大量排出，而此时4P炉室1孔挥发份正处在即将排完的状态。移炉后在4P燃烧架不启动的状态下，热电偶测量温度在870℃～960℃之间（实际饱和温度，见下图），燃烧架设定起始温度为860℃，在该温度状态下燃烧架约有4～6小时处于停止喷气状态。待实际温度下降至与上升的曲线目标温度相同时，燃烧架电磁阀开始动作，因制品处在饱和温度段内，燃烧架电磁阀功率基本处于低功率状态。

图1 移炉后未喷气前火道电偶温度

经过以上工艺调整，制品最终温度相比前期也有近30℃的提升，尤其4P加热炉室移炉前制品温度由580℃提升630℃左右，制品温度的迅速升温能够使内部沥青快速结焦，沥青内部焦化对于提升产品理化性能有较大影响。

3.5 拐弯炉室工艺调整

拐弯炉室一直以来都是焙烧炉燃气消耗的增大的一个关键因素，尤其作为9火道8料箱的老式焙烧炉，拐弯炉室更是重点管控对象。车间统计系统进入转弯炉室天然气消耗相比直通炉室增加约2000Nm³/天。

为缓解拐弯炉室气耗增加的这一问题，车间制定根据挥发份调整喷气的措施。具体办法：①第一个燃烧架跨节后，根据挥发份所在位置决定上下游电磁阀喷气功率。一般移炉后挥发份位置在第一个燃烧架上游喷嘴下方，此时将上游功率调整至20～40，下游关闭，并根据挥发份燃烧情况逐步提升上游功率。②待挥发份进入下游位置，将下游开启，以小功率喷气。此时上游功率大，下游功率小。③最后挥发份溢出位置移动至电偶下方时，将上下游比例调整为上小下大，恢复至正常比例。如此一来，充分利用挥发份燃烧的热量，天然气气耗相应降低，排烟架架在拐弯炉室挂油的问题得到解决，彻底改变以往下游点火困难采用长喷烘炉的模式。

2020年经过6个多月的调整，焙烧车间三个厂房的天然气单耗由61Nm³/t降低至57Nm³/t，且能够持续稳定运行。同时车间的产品理化指标也得到较大提升。

4 经济效益和社会效益

（1）节约燃料消耗价值：天然气单耗下降4Nm³/t，预焙阳极年产量为30万吨，一年可节约天然气120万Nm³，价值216万元。

（2）理化指标提升降低阳极毛耗和掉渣：理化指标得到提升，对于铝电解阳极毛耗有一定的降低效果，同时降低了电解铝过程中人工打渣量，降低了电解劳动强度。

表1 节气措施实施前后产品理化指标情况对比

（3）有助于外观合格率的提升，工艺调整工作前后4P炉室制品温度相差较大，调整后制品升温速率加快，在同等装炉条件下外观合格率有所提升，总体废块数量降低，端面缺损的废品占比也大幅降低。

表2 工艺调整前后废块形式和占比

（4）对周边环境的影响极小：挥发分在火道内充分燃烧，减少了沥青烟气的排放量，电捕焦油器收集的沥青非常少，有极好的环境效益。

5 结语

（1）排烟架负压管控尤为重要，负压过大会打破热平衡，火道温度即使能够跟上曲线，但电磁阀都处于大功率状态（冷空气进入较多需一部分燃料补充）；负压过低，火道升温困难；只有在适当的负压下，既满足燃料的充分燃烧，又避免冷空气的过度进入。

（2）严格控制挥发份的排出位置，保证挥发份在排出后能够充分燃烧（有些论文写明在充分燃烧时火道自由升温），火道内温度达到饱和温度，从而降低燃烧架喷气功率，降低燃料消耗。

（3）焙烧调温工作的前提条件是硬件设施的完好，如火道内通畅，炉面无负压损失点、燃气管路无堵塞、电磁阀工作正常、电偶工作正常等。

（4）火道达到饱和温度时，换热效率最高，而此时制品升温速率最快（但不得高于12℃/h，过快易裂），制品内部迅速结焦，从而提高析焦量。

（5）拐弯炉室尤其老式焙烧炉，炉室少，火道少，在跨接炉室运行频次高，燃气消耗高。降低拐弯炉室运行时的燃气消耗尤为重要。