回轉(zhuǎn)窯熱平衡測試分析

張忠霞

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

回轉(zhuǎn)窯熱平衡測試分析

張忠霞

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 貴州 貴陽 550081)

為了解某炭素企業(yè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)情況、熱工制度及能量利用狀況，本文對該設(shè)備進(jìn)行了熱平衡測試，并依據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合熱工操作、窯體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)管理方面的具體情況，提出了相應(yīng)的節(jié)能措施。

回轉(zhuǎn)窯； 煅燒； 熱平衡測試； 熱效率； 節(jié)能

0 前言

煅燒是將炭質(zhì)原料在高溫下進(jìn)行熱處理，除去揮發(fā)分，并提高原料理化性能的生產(chǎn)工序[1]?；剞D(zhuǎn)窯作為炭素重要的煅燒設(shè)備之一，具有產(chǎn)能大、基建投資省、控制水平高等優(yōu)勢，國外85%的煅燒設(shè)備采用回轉(zhuǎn)窯。近幾年來，盡管對回轉(zhuǎn)窯的控制以及結(jié)構(gòu)都作了大量改進(jìn)，但國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯與國外相比，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中仍然存在較大差距。最為突出的問題是國內(nèi)回轉(zhuǎn)窯普遍存在燒損大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。因此，加強(qiáng)煅燒回轉(zhuǎn)窯在設(shè)計(jì)和運(yùn)行等方面的研究對提高我國炭素行業(yè)的整體水平，并最終提高整個(gè)鋁行業(yè)在國際上的競爭力都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。而回轉(zhuǎn)窯的熱平衡測試作為改進(jìn)其性能的有效手段被廣泛采用。

文中研究對象為某炭素企業(yè)回轉(zhuǎn)窯，規(guī)格為Φ2.2×45 m，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為7.7 t/h。

1 物料平衡

測試主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《YS/T 124.1—2010 炭素制品生產(chǎn)爐窯熱平衡測定與計(jì)算方法 第1部分：回轉(zhuǎn)窯》[2]執(zhí)行，測試儀器儀表有煙氣分析儀、煙塵平行采樣儀、風(fēng)速儀、熱電偶、溫濕度計(jì)等。測試選擇穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的5個(gè)白班(08:00～16:00)作為文中分析的5個(gè)工況。根據(jù)測試結(jié)果，得出物料平衡表見表1。

2 熱平衡及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)及物料平衡表，采用YS/T 124.1—2010中熱平衡及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算方法得到熱平衡表(表2)及主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)表(表3)。

3 熱平衡測試分析及改進(jìn)建議

3.1 熱效率分析

(1)回轉(zhuǎn)窯排煙溫度高，煙氣量大。根據(jù)熱平衡測試數(shù)據(jù)及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，回轉(zhuǎn)窯的熱效率較低，除工況2的熱效率達(dá)到一等水平外，其余幾個(gè)工況的熱效率都明顯低于三等水平，特別是工況4操作參數(shù)下的熱效率僅為5.37%。分析原因如下：煙氣帶走的物理熱損失是回轉(zhuǎn)窯最主要的熱損失，約占總支出熱量的50%～70%。排煙溫度過高，煙氣量大，使煙氣帶走了大量的物理熱，降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。表4列出了各工況下的排煙溫度及煙氣量。可見，回轉(zhuǎn)窯排煙具有較大的節(jié)能潛力，建議合理回收利用其余熱資源以降低能耗。

表1 物料平衡表

表2 回轉(zhuǎn)窯熱平衡表

表3 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)表

(2)未完全燃燒的可燃性氣體含量高。煙氣中未完全燃燒的可燃?xì)怏w帶走的化學(xué)熱損失居于第二，特別是工況4操作參數(shù)下煙氣帶走的化學(xué)燃燒熱占總支出熱量的29%。測試中通過對回轉(zhuǎn)窯排煙煙氣成分分析，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前的操作和結(jié)構(gòu)條件下，窯尾存在大量的CO可燃?xì)怏w，這說明石油焦揮發(fā)分中可燃?xì)怏w在窯內(nèi)不能完全燃燒。表5中給出了各工況下回轉(zhuǎn)窯出口濕煙氣中CO所占的百分比。大量的可燃?xì)怏w未完全燃燒說明二、三次風(fēng)管安裝位置沒有與揮發(fā)分大量逸出的位置相適應(yīng)，以及二、三次風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等操作參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，造成揮發(fā)分不能及時(shí)充分燃燒，大量的可燃物進(jìn)入到燃燒室燃燒，浪費(fèi)了能源，降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。建議優(yōu)化二、三次風(fēng)管安裝位置以及調(diào)整二、三次風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等操作參數(shù)，使揮發(fā)分在窯體內(nèi)完全燃燒，提高熱效率。

表4 各工況下回轉(zhuǎn)窯出口排煙溫度及煙氣量

表5 各工況下回轉(zhuǎn)窯出口CO含量

(3)窯表面溫度高。在現(xiàn)場熱平衡測試中發(fā)現(xiàn)，窯表面溫度大部分居于210 ℃，部分區(qū)域高達(dá)260 ℃，而按照熱工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范，其表面溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?00 ℃。窯表面溫度過高表明存在窯內(nèi)襯材料脫落或者隔熱材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問題。表面溫度過高不但惡化了操作環(huán)境，同時(shí)也造成了能量的浪費(fèi)，增大了散熱損失，降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。因此建議對窯內(nèi)的隔熱材料及其結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的改進(jìn)，優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯設(shè)計(jì)，定期檢查內(nèi)襯材料敷設(shè)情況，減少窯表面散熱損失。

(4)煅燒焦實(shí)收率低。表6所示為5個(gè)工況下煅燒焦的實(shí)收率表。技術(shù)先進(jìn)的回轉(zhuǎn)窯實(shí)收率在75%以上，由表中可看出，工況1～工況3操作參數(shù)下的實(shí)收率都達(dá)到了較好的水平，但是工況4和工況5的實(shí)收率均偏低。逸出的揮發(fā)分和燒損的炭質(zhì)在燃燒過程中產(chǎn)生的大量的熱量，約占總供給熱量的89%以上。實(shí)收率降低將增大回轉(zhuǎn)窯的總供給熱量，而每噸煅燒焦僅需276.9萬kJ的熱量。因此，較低的實(shí)收率導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯的熱效率降低。

3.2 改進(jìn)建議

(1)降低煅燒能耗。相關(guān)資料顯示[3]，煅燒熱量僅需276.9萬kJ/t-煅燒焦，而根據(jù)熱平衡測試期間原料焦及煅燒焦化驗(yàn)結(jié)果，原料焦煅燒產(chǎn)生的熱量高于1 000萬kJ/t-煅燒焦，各工況下煅燒產(chǎn)生的熱量見表7。此外，通過熱平衡測試發(fā)現(xiàn)，在工況2，即不投入發(fā)生爐煤氣的生產(chǎn)情況下，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒狀況良好，熱效率高，實(shí)收率高，建議逐漸降低發(fā)生爐煤氣使用量，逐步摸索，向無燃料工藝發(fā)展，降低煅燒能耗，提高產(chǎn)量。

表7 各工況下煅燒產(chǎn)生的熱量

(2)優(yōu)化熱工制度?；剞D(zhuǎn)窯熱工參數(shù)復(fù)雜，影響因素眾多，相互制約，而目前回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速、二、三次風(fēng)風(fēng)量、窯內(nèi)負(fù)壓等重要參數(shù)都是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)手工調(diào)節(jié)，造成工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用高等弊端。建議對回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行綜合性的全面調(diào)整，優(yōu)化熱工參數(shù)，將回轉(zhuǎn)窯加料速度、一次風(fēng)量、燃料加入量、二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、煅燒帶溫度、窯內(nèi)負(fù)壓、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速及窯尾出口氧含量等控制變量全部納入到連鎖控制程序中，使整個(gè)煅燒工藝操作過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制為主，手動(dòng)調(diào)節(jié)為輔。

4 結(jié)束語

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒焦供給的熱量足以滿足煅燒熱量的需求，建議逐漸降低發(fā)生爐煤氣使用量，向無燃料工藝發(fā)展，降低煅燒能耗，提高產(chǎn)量。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各種熱工參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，建議進(jìn)行綜合性的全面調(diào)整，將各種控制變量納入到連鎖控制程序中，提高煅燒工藝操作過程自動(dòng)化水平。

通過熱平衡測試，掌握了回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，為炭素回轉(zhuǎn)窯提供了科學(xué)合理的診斷，為改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化生產(chǎn)提供了有效的指導(dǎo)建議。

[1] 孫毅,許海飛, 王玉彬. 石油焦煅燒技術(shù)方案的比較[J]. 輕金屬, 2010(11): 38-42.

[2] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部. YS/T 124.1—2010 炭素制品生產(chǎn)爐窯熱平衡測定與計(jì)算方法 第1部分：回轉(zhuǎn)窯[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版, 2011.

[3] 伊赫桑.巴倫[土耳其]. 純物質(zhì)熱化學(xué)數(shù)據(jù)手冊[M].程乃良，牛四通，徐桂英，等,譯.北京：科學(xué)出版社，2003:209-211.

Analysis of Heat Balance of Rotary Kiln

ZHANG Zhong-xia

In order to investigate the situation of production, thermal schedule and energy utilizing in rotary kiln of some carbon plant, the heat balance of rotary kiln is tested in the paper. Based on the result of testing and combined the detail circumstances of thermal operating, kiln structure and production management, corresponding measures of energy saving are put forward eventually in the paper.

rotary kiln; calcination; heat balance; thermal efficiency; energy conservation

2015-01-20

張忠霞(1982—)，女，碩士，工程師，主要從事炭陽極生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。

TF806.1

A

1008-5122(2015)04-0011-03