石墨化爐窯的節(jié)能分析及措施

文 / 陳英國

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步，工業(yè)爐窯正由“高產(chǎn)型”走向“節(jié)能型”，在燃料技術(shù)、余熱回收、耐火材料、計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化技術(shù)等方面都取得了長足的發(fā)展。炭素爐窯作為工業(yè)爐窯的一類，是炭素制品生產(chǎn)中的主要熱工設(shè)備，也是三大熱處理工序不可或缺的高能耗設(shè)備。未來的發(fā)展將以“節(jié)能”為研究中心，以“優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗、少污染”為行動目標(biāo)，因此，炭素爐窯的發(fā)展趨勢與節(jié)能措施的研究是密不可分的。本文就炭素爐窯石墨化爐生產(chǎn)過程中的節(jié)約能源、降低能耗等方面的潛力和措施做簡要分析。

石墨化爐是炭素制品生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一， 也是炭素生產(chǎn)過程中最大的耗能設(shè)備之一。石墨化爐生產(chǎn)電耗要占炭素制品生產(chǎn)總電耗的70%左右。據(jù)有關(guān)資料介紹，艾奇遜石墨化爐生產(chǎn)電耗約為4000～4800kwh/t，內(nèi)熱串接石墨化爐生產(chǎn)電耗約為3300～4000kwh/t。因此有效降低石墨化爐生產(chǎn)電耗是炭素企業(yè)節(jié)能減排的有效途徑之一。

一、艾奇遜石墨化爐節(jié)能分析

石墨化爐未來發(fā)展盡管以內(nèi)熱串接為主，尤其批量生產(chǎn)大規(guī)格產(chǎn)品，但是艾奇遜石墨化爐在生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品、異型產(chǎn)品以及裝爐搭配和副產(chǎn)品創(chuàng)效上有自身獨(dú)特的優(yōu)勢，因此至今仍被繼續(xù)使用。艾奇遜石墨化爐是一種周期性生產(chǎn)的熱工設(shè)備，通電時間長，散熱損失大，熱量利用率僅有30%左右，可見，研究并做好石墨化爐的節(jié)能工作具有重要意義。以下從5方面淺談艾奇遜石墨化爐的節(jié)能措施。

1.根據(jù)熱平衡顯示，爐體散熱是艾奇遜石墨化爐熱量損失最嚴(yán)重的一項(xiàng)，因此，針對爐室保溫料可以根據(jù)各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行理論分析，確定合理的保溫料厚度，既可以最大限度的增加保溫料厚度減少兩側(cè)爐墻燒損，還可以增加副產(chǎn)品SiC產(chǎn)量；既不使保溫料過厚蓄熱過多，也不讓保溫料過薄爐體散熱損失過大，使保溫料厚度處于合理的臨界狀態(tài)，將熱能損耗降至最低。

2.艾奇遜石墨化爐爐頭、爐尾端墻之間的填充料為石墨粉，盡管作為絕熱材料但導(dǎo)熱系數(shù)仍然較高，并且在生產(chǎn)過程中易燒損，需要定期補(bǔ)充并搗實(shí)，但在導(dǎo)電電極下方的填充料一旦燒損很難發(fā)現(xiàn)、填充和搗實(shí)，致使導(dǎo)電電極氧化，使生產(chǎn)成本增加，因此，可以采用其他的耐高溫、絕熱填充料代替石墨粉或者與石墨粉混合使用，如氧化鋁粉等，可以減少端墻散熱損失和導(dǎo)電電極氧化。

3.艾奇遜石墨化爐導(dǎo)電電極的冷卻方式有直接水噴淋冷卻（外冷）和封閉式間接水冷卻（內(nèi)冷）兩種，建議盡量采用內(nèi)冷方式，一方面可以使冷卻水不用凈化，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，節(jié)約水資源（蒸發(fā)損耗），另一方面還可以減少水蒸氣對導(dǎo)電銅排等金屬的腐蝕，節(jié)約生產(chǎn)成本。

4.艾奇遜石墨化爐爐底蓄熱和散熱也是熱能損失較為嚴(yán)重的一項(xiàng)。減少爐底散熱損失可以從爐底基礎(chǔ)著手，有技術(shù)研究在爐底采取錯位空隙砌筑可以減少熱傳遞，經(jīng)分析是可行的，因?yàn)殪o止的空氣不發(fā)生對流傳熱和熱輻射，是最好的絕熱材料，在爐底平均溫度為1000℃時，黏土質(zhì)耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.28～1.42 W/(mK），而此時干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.0807 W/(mK），在溫度低時導(dǎo)熱系數(shù)更低，因此采用錯位空隙砌筑、利用靜止空氣絕熱的特性在減少爐底熱量損失上具有可行性；其次，加強(qiáng)爐底余熱利用，仿效建筑行業(yè)的地?zé)岵膳?，在爐底鋪設(shè)循環(huán)管線，利用爐底熱量逆向加熱管線內(nèi)的水供生產(chǎn)生活使用，使?fàn)t底熱量得到充分利用，提高石墨化爐的能源利用率。

5.結(jié)合上述節(jié)能措施，可以將導(dǎo)電電極的冷卻出水管與爐底循環(huán)管線相連接，冷卻水經(jīng)導(dǎo)電電極換熱后直接進(jìn)入爐底管線，由于熱能總是從高溫物體傳向低溫物體或者從物體的高溫部位傳向低溫部位的特性，可以分析，如果爐底溫度高于管線內(nèi)熱水溫度，則可以繼續(xù)給管線加熱，使水溫得到進(jìn)一步提高，甚至可以產(chǎn)生蒸汽；反之，如果管線內(nèi)水溫高于爐底溫度，則可以利用冷卻導(dǎo)電電極的熱水熱量加熱爐底，使?fàn)t底不僅不向外損失熱量，而且還能加熱保溫料，使石墨化爐的熱量向爐內(nèi)聚集。因此，無論是冷卻導(dǎo)電電極的水溫高或低，在減少爐底散熱損失和能源利用上都能為艾奇遜石墨化爐節(jié)約大量熱能。

二、內(nèi)熱串接石墨化爐節(jié)能分析

內(nèi)熱串接石墨化爐是一種不用電阻料，電流直接通過由數(shù)根焙燒品縱向串接的電極柱產(chǎn)生高溫使焙燒品石墨化的爐窯設(shè)備。目前，國內(nèi)外已有多家炭素企業(yè)采用內(nèi)熱串接石墨化技術(shù)生產(chǎn)大規(guī)格超高功率石墨電極，與艾奇遜石墨化爐相比，具有加熱速度快、電耗低、石墨化程度均勻等優(yōu)點(diǎn)，表1為艾奇遜石墨化爐與內(nèi)熱串接石墨化爐熱平衡的比較參數(shù)。

表1 艾奇遜石墨化爐與內(nèi)熱串接石墨化爐熱平衡

根據(jù)熱平衡比較顯示，內(nèi)熱串接石墨化爐比艾奇遜石墨化爐熱量損失低26%，節(jié)能的主要原因是內(nèi)熱串接石墨化爐完全利用裝入焙燒品的自身電阻發(fā)熱，通電時間較短，由保溫料向周圍空間輻射的熱量損失較少；艾奇遜石墨化爐大量電能用于加熱電阻料，通過電阻料的電阻發(fā)熱使焙燒品達(dá)到高溫，在通電后期，為使全爐各處溫度都達(dá)到較高水平，需要在高功率下繼續(xù)通電數(shù)小時，而內(nèi)熱串接石墨化爐卻不需要，因此，內(nèi)熱串接石墨化爐在節(jié)約能源和產(chǎn)品產(chǎn)量上較艾奇遜石墨化爐具有很大的優(yōu)勢，內(nèi)熱串接石墨化工藝具有“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”的特點(diǎn)，是未來石墨化爐發(fā)展的方向。

三、石墨化爐窯節(jié)能的其它途徑與措施

（一）生產(chǎn)工藝創(chuàng)新

根據(jù)爐窯設(shè)備狀況確定合理的升溫曲線，大力推進(jìn)艾奇遜石墨化爐的工藝革新，使?fàn)t窯的溫度、能耗等指標(biāo)合理受控。在艾奇遜石墨化爐工藝，加大研究送電曲線、裝爐技術(shù)、保溫料配比和能源利用的力度。

（二）技術(shù)改造

技術(shù)改造主要體現(xiàn)在爐窯設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新材料新技術(shù)的應(yīng)用上，由于工業(yè)爐窯砌筑將向整體化和輕型化方向發(fā)展，因此，應(yīng)用新型耐火材料是工業(yè)爐窯未來節(jié)約能源的主要發(fā)展趨勢。爐窯的技術(shù)改造可以利用爐窯設(shè)備的日常維護(hù)、大中修等對爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)革新。在艾奇遜石墨化爐上，減少導(dǎo)電銅排電損，提高電流密度以及提高導(dǎo)電電極理化指標(biāo)等，均可為爐窯設(shè)備節(jié)約大量能源，國內(nèi)也有許多相關(guān)方面的研究和成形的技術(shù)可供參考。因此，在技術(shù)改造上專業(yè)技術(shù)管理人員要立足本崗，挖掘潛能，結(jié)合實(shí)際，不斷開拓，要勇于向技術(shù)要創(chuàng)新，向設(shè)備要效益。

（三）強(qiáng)化管理

爐窯設(shè)備的最大節(jié)能潛力最重要的不僅僅是改進(jìn)爐型結(jié)構(gòu)、采用新材料新技術(shù)，而且在于加強(qiáng)生產(chǎn)管理，如：加強(qiáng)生產(chǎn)計(jì)劃組織、改進(jìn)加熱工藝、優(yōu)化升溫曲線、加強(qiáng)爐窯的維護(hù)和修理、規(guī)范操作人員嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行操作等。技術(shù)改造是爐窯設(shè)備節(jié)能的關(guān)鍵，而管理才是爐窯節(jié)能的基礎(chǔ)保證，先進(jìn)的技術(shù)必須與先進(jìn)的管理措施有機(jī)結(jié)合，才能達(dá)到爐窯設(shè)備節(jié)能降耗的最佳效果。因?yàn)樯a(chǎn)上的一個疏忽、維護(hù)上的一個怠慢就可能會造成能源的過度消耗和熱能的大量流失，因此，需要爐窯技術(shù)管理人員和操作使用人員共同樹立節(jié)能意識、節(jié)約意識、大局意識和責(zé)任意識。技術(shù)管理人員是爐窯設(shè)備的管理者和監(jiān)控者，要充分重視爐窯的能源管理控制、重視爐窯的能耗動態(tài)變化、重視爐窯的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化，全員參與管理、全過程推進(jìn)和全方位考核，在不付出任何額外投資的情況下爭取獲得顯著的節(jié)能效果。

四、結(jié)束語

炭素企業(yè)石墨化爐生產(chǎn)過程中的節(jié)約能源、降低能耗的工作，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是現(xiàn)代炭素企業(yè)生產(chǎn)從“高產(chǎn)型”轉(zhuǎn)向“節(jié)能型”的必由之路。首先要加強(qiáng)炭素企業(yè)爐窯設(shè)備的生產(chǎn)工藝技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)工作；其次要加快炭素爐窯的技術(shù)改造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作，同時大力推廣新型節(jié)能材料和新技術(shù)的應(yīng)用。再次要強(qiáng)化爐窯設(shè)備的管理，爐窯技術(shù)管理人員和操作使用人員共同樹立節(jié)能意識，形成全員參與管理、全過程推進(jìn)和全方位考核的節(jié)能減排管理體系，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。從而實(shí)現(xiàn)炭素企業(yè)石墨化爐窯由“高產(chǎn)型”向“節(jié)能型”轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)增效和國家節(jié)能減排綜合目標(biāo)。