罐式煅燒爐幾個(gè)主要問題的探討及改進(jìn)*

李自田，李春民，王丹丹，字茂剛，段 斌，吳建茂，李春文

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

在我國生產(chǎn)大型炭素制品的工廠中用于原料煅燒的設(shè)備，除了因制品對(duì)煅后焦質(zhì)量有特殊要求而采取高電耗的電氣煅燒爐外，一般采用回轉(zhuǎn)窯和罐式煅燒爐[1]?；剞D(zhuǎn)窯的優(yōu)點(diǎn)主要為：產(chǎn)量大、自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等；罐式爐的優(yōu)點(diǎn)主要為：煅燒質(zhì)量穩(wěn)定、原料炭質(zhì)燒損小、產(chǎn)品純度好、熱利用率高等。近年來，隨著原料價(jià)格的上漲，鋁電解對(duì)炭素制品質(zhì)量要求的提高，罐式煅燒爐得到了廣泛應(yīng)用，回轉(zhuǎn)窯逐步被取代。然而，罐式煅燒爐受設(shè)計(jì)人員、原料石油焦性能、爐型結(jié)構(gòu)選擇等因素影響，各生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)操作控制技術(shù)差異較大，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的系列問題也不盡相同，需要根據(jù)各自碰到的具體問題制定具體的措施加以驗(yàn)證和解決。本文針對(duì)云南某公司罐式煅燒爐日常運(yùn)行過程中遇到的幾個(gè)突出問題進(jìn)行探討，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 煙氣無組織排放

1.1 問題的提出

某公司罐式煅燒爐冷卻爐底的預(yù)熱空氣設(shè)計(jì)經(jīng)6層火道位置排出爐墻直接進(jìn)入廠房，由于烘爐或煅燒過程中爐體存在收縮膨脹，爐墻內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，火道內(nèi)未完全燃燒的煙氣進(jìn)入預(yù)熱空氣道，隨預(yù)熱空氣排出爐墻外，導(dǎo)致廠房內(nèi)青煙四處飄散，煙氣溫度達(dá)160℃以上，且煙氣中含有硫化氫氣體，嚴(yán)重影響調(diào)溫操作人員的身體健康。

1.2 方案的實(shí)施

利用原有系統(tǒng)作為改造對(duì)象，對(duì)原系統(tǒng)預(yù)熱空氣管進(jìn)行改造。該新增預(yù)熱空氣管為方管，管口長120 mm，寬120 mm，在原有預(yù)熱空氣排放管上部開孔（120×120）mm，將新增預(yù)熱空氣管一端焊接至預(yù)熱空氣排放管開口部位，另一端焊接至原有的空氣調(diào)節(jié)閥框架上，同時(shí)在原系統(tǒng)預(yù)熱空氣排放口處焊接排放管調(diào)節(jié)閥（200×150）mm。使用預(yù)熱空氣時(shí)打開控制預(yù)熱空氣量大小的空氣調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉排放管調(diào)節(jié)閥，則預(yù)熱空氣停止外排，進(jìn)入二層火道與揮發(fā)分混合燃燒，同時(shí)，可根據(jù)揮發(fā)分的多少，調(diào)整空氣調(diào)節(jié)閥開度使預(yù)熱空氣量與之相匹配（見圖1）。

圖1 預(yù)熱空氣改造利用Fig.1 Transformation and utilization of preheated air

2 首二層火道溫度提升困難

2.1 問題的提出

某公司罐式煅燒爐設(shè)計(jì)采用大八層火道煅燒，火道尺寸高615 mm（其他罐式爐廠家多為小八層，火道尺寸高479 mm），在首層火道入口，揮發(fā)分與冷空氣容易出現(xiàn)分層，兩者未能充分混合燃燒，火焰容易沿著火道頂部流竄，煅燒帶下移，導(dǎo)致首二層溫度偏低，八層溫度偏高的現(xiàn)象發(fā)生。

表1 罐式煅燒爐結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比Tab.1 Comparison on structure and size of pot calciner mm

2.2 方案的實(shí)施

1）利用原有系統(tǒng)作為改造對(duì)象，對(duì)原系統(tǒng)預(yù)熱空氣管進(jìn)行改造，將原先設(shè)計(jì)外排的預(yù)熱空氣經(jīng)四（層）進(jìn)二（層）空氣道引入二層火道，促使首層未完全燃燒的揮發(fā)分在二層頭部與預(yù)熱空氣混合迅速燃燒，從而達(dá)到提升首二層火道溫度，降低八層溫度的目的；

2）首層火道變徑口位置增設(shè)高度約40 mm，寬度100 mm的擋磚，冷空氣經(jīng)首層冷風(fēng)門進(jìn)入火道后，處于下部的空氣被增設(shè)的擋磚阻擋向上抬升，正好與自下火口涌入的揮發(fā)分充分混合燃燒，從而提升首二層火道溫度。

3 石油焦煅燒脫硫率高

3.1 問題的提出

某廠罐式煅燒爐由于采用大八層火道設(shè)計(jì)，火道內(nèi)煙氣流速較慢，層間壓差及溫差較小，致使煅燒帶過長，且相同的排料量，物料在料罐內(nèi)的停留煅燒時(shí)間較其他廠家多10 h以上，存在物料“過燒”、脫硫率偏高、硅磚存在氧化腐蝕等現(xiàn)象。

3.2 方案的實(shí)施

1）在高溫下，石油焦中的硫與硅磚中的SiO2反應(yīng)生產(chǎn)SiS2，對(duì)硅磚造成侵蝕，侵蝕熔融的SiS2流入火道后與氧氣反應(yīng)又生成SiO2，在正常生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)煙囪、余熱鍋爐排管中出現(xiàn)白色的粉末狀物質(zhì)，而且火道內(nèi)有珊瑚狀白色固體物質(zhì)，主要成分SiO2[2]。隨著石油焦硫含量的上升，石油焦煅燒脫硫率越高。因此，盡量選擇低硫焦產(chǎn)地作為石油焦供應(yīng)廠家，對(duì)進(jìn)廠原料實(shí)行預(yù)均化，將煅前混合石油焦中的硫份含量控制在1.5%以下，有助于延長和保證煅燒爐壽命[3]；

2）物料溫度越高，停留時(shí)間越長，那么石油焦脫硫率就會(huì)越高。罐式爐物料的煅燒分為預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶，在實(shí)際生產(chǎn)過程中必須確保各溫度帶的工藝溫度在合理范圍內(nèi)。某公司罐式爐存在煅燒帶過長、冷卻帶過短的情況。針對(duì)這一現(xiàn)象，采取將三層火道尾部觀火孔改造為可調(diào)節(jié)的冷風(fēng)門，通過補(bǔ)入適量的冷空氣，逐步降低（4～8）層火道溫度的方式進(jìn)行控制。

4 罐式爐放炮

4.1 問題的提出

“放炮”是罐式煅燒爐比較常見的問題之一，某廠4×72大八層火道罐式煅燒爐于2020年4月全線投產(chǎn)，排料量由60 kg/h逐步向設(shè)計(jì)產(chǎn)能100 kg/h逐漸增加，此時(shí)碎料機(jī)下沿集料斗出口處頻繁“放炮”（罐式煅燒爐結(jié)構(gòu)原理及“放炮”位置見圖2），有時(shí)一天“放炮”的次數(shù)多達(dá)數(shù)十次，給崗位職工造成嚴(yán)重心理負(fù)擔(dān)，“放炮”區(qū)域無法正常作業(yè)，現(xiàn)場較長時(shí)間“臟亂差”?！胺排凇睙o組織排放的有害氣體及粉塵，還直接影響到了在車間作業(yè)的所有員工，長此以往，將給員工身心健康帶來較大影響，為此，必須盡快找到一個(gè)徹底解決的辦法。

圖2 罐式爐結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of pot calciner

4.2 “放炮”原因分析

石油焦受熱后產(chǎn)生的揮發(fā)份主要成分有H2、CH4、CO、CO2、CmHn幾種氣體，其中H2含量最多，體積含量占比達(dá)到60.15%左右，CH4占32.87%左右，CO、CO2、CmHn分別占體積數(shù)的4.17%、1.38%和 1.43%[4]。

H2是一種易燃易爆的氣體，在占比達(dá)到4%至74%濃度與空氣混合時(shí)，在熱、日光或火花的刺激下均易引爆；CH4在空氣中的含量達(dá)到5%～15.4%時(shí)，遇火化將發(fā)生爆炸。罐式爐“放炮”就是石油焦產(chǎn)生的部分揮發(fā)分因?yàn)槠渌驔]有進(jìn)入煅燒爐火道內(nèi)，而是隨著煅燒焦一起下移，當(dāng)排出碎料機(jī)與空氣接觸后，由于物料溫度還在150℃以上，易燃易爆氣體與空氣混合受熱迅速燃燒，形成高壓氣體向外沖出，從而產(chǎn)生“放炮”。

4.2 方案的實(shí)施

1）提高火道負(fù)壓：罐式煅燒爐是一種負(fù)壓操作爐[5]，排煙引風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓將料罐內(nèi)排出的揮發(fā)分沿預(yù)設(shè)的通道流動(dòng)和燃燒（料罐內(nèi)揮發(fā)分流向見圖3）。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，逐步將罐式爐煙道總負(fù)壓由 （60～70）Pa 調(diào)整至 （100～120）Pa，首層火首負(fù)壓由 （15～20）Pa 提高至 （25～35）Pa，五層火道負(fù)壓由 （40～50）Pa 提高至 （60～70）Pa，使揮發(fā)分溢出更加順暢.負(fù)壓并非越高越好，經(jīng)過考察對(duì)比國內(nèi)索通、強(qiáng)強(qiáng)炭素等同行企業(yè)，匯總煙道負(fù)壓一般控制在（100～150）Pa之間，首層火道負(fù)壓一般不大于38 Pa，以爐頂不冒煙，加料斗內(nèi)有微負(fù)壓即可；

圖3 罐式爐揮發(fā)份流向圖Fig.3 Flow direction diagram of volatile matter of pot calciner

2）縮短清爐周期，規(guī)范清爐效果：通過總結(jié)摸索，在罐式爐原設(shè)4個(gè)生產(chǎn)班組的基礎(chǔ)上，增置了清爐班組，將揮發(fā)分總道、揮發(fā)分溢出口清理周期由11 d縮短至9 d，下火口每個(gè)生產(chǎn)班檢查清理一次，對(duì)料罐9 d插釬檢查，發(fā)現(xiàn)罐體結(jié)焦及時(shí)處理。由生產(chǎn)班組監(jiān)督檢查清爐班組的清爐質(zhì)量，保持揮發(fā)分預(yù)設(shè)通道暢通；

3）改造罐式爐加料口，確保罐內(nèi)物料堆積面始終低于揮發(fā)份溢出口，杜絕物料掩埋揮發(fā)分溢出口的現(xiàn)象，確保溢出口暢通；

4）均衡搭配石油焦粗細(xì)料，避免粉焦集中進(jìn)入罐體導(dǎo)致?lián)]發(fā)份難以溢出；

5）盡量讓入爐的石油焦干燥一些，物料水分過大將會(huì)導(dǎo)致：①罐體續(xù)集頻繁；②小顆粒物料過潮，在罐式爐煅燒過程中很容易粘結(jié)，使顆粒之間的間隙堵塞導(dǎo)致?lián)]發(fā)分不能有效排出；

6）提高首層和二層火道溫度，降低八層溫度，讓揮發(fā)份在預(yù)熱帶充分溢出，減少煅燒焦揮發(fā)份殘余量：物料在罐體上部加入后，在罐內(nèi)受熱并向下緩慢移動(dòng)[6]。理論上要在預(yù)熱帶內(nèi)（二層火道以上），以吸收罐壁墻兩側(cè)火道傳遞的熱量來迅速升溫，實(shí)現(xiàn)排出揮發(fā)分的目的，當(dāng)物料到達(dá)二層火道及以下位置時(shí)，揮發(fā)份基本排除干凈。但實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在石油焦揮發(fā)分低、粉焦比例較高、雨季石油焦過于潮濕的情況[7]，其在預(yù)熱帶就需要吸收更多的熱量，加之粉焦煅燒過程中，揮發(fā)分難溢出的特點(diǎn)，常導(dǎo)致首層、二層火道溫度難以達(dá)到預(yù)期溫度，火道溫度低又導(dǎo)致罐內(nèi)物料受熱溫度低，造成“惡性循環(huán)”，最終使揮發(fā)份未能在預(yù)定區(qū)域排出而是隨煅燒焦下移導(dǎo)致“放炮”。將外排的預(yù)熱空氣通過改造引入到二層火道助燃，較好地解決了這一問題；

7）為確保排出的煅燒焦中殘留的揮發(fā)分不在集料斗積聚而引起“放炮”，在每個(gè)集料斗上增加了收塵口及收塵管網(wǎng)，根據(jù)收塵負(fù)荷重新改造了除塵器，使之與系統(tǒng)需求匹配，將隨物料排出的殘余揮發(fā)分及時(shí)抽走排空。

5 實(shí)施效果

1）預(yù)熱空氣不再排出爐墻進(jìn)入廠房內(nèi)，通過新增預(yù)熱空氣輸送管和空氣通道進(jìn)入爐體二層火道與揮發(fā)分混合燃燒，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境明顯改善，現(xiàn)場無煙氣逸出，青煙及硫化氫氣味消失，環(huán)境溫度由45℃降低至32℃以下；

2）擋磚的增設(shè)使揮發(fā)分與冷空氣在首層下火口位置能夠較好地混合燃燒，二層火道預(yù)熱空氣的運(yùn)用，提升了火道加熱速率，使部分未充分燃燒的揮發(fā)分能夠迅速燃燒。通過方案的實(shí)施，首二層溫度平均提升53℃，八層溫度降低18℃；

3）石油焦硫含量的控制及三層火道冷空氣的應(yīng)用，使石油焦在煅燒過程中的脫硫率明顯下降，由34.82%降至15.70%[8]，見圖4所示?；鸬纼?nèi)珊瑚狀白色固體物質(zhì)明顯減少（見圖5、圖6），有效減輕了硫?qū)璐u的氧化腐蝕，延長了爐子使用壽命。

圖4 石油焦煅燒脫硫率對(duì)比Fig.4 Comparison on desulfuration rate of petroleum coke calcination

圖5 方案實(shí)施前火道內(nèi)白色物質(zhì)較多Fig.5 White substance increasing inside flue before program implementation

圖6 方案實(shí)施后火道內(nèi)白色物質(zhì)減少Fig.6 White substance decreasing inside flue before program implementation

4）該公司罐式段燒爐出現(xiàn)的“放炮”頻繁問題，通過采取以上7條措施加以改進(jìn)后，得到了根本性解決，通過在線監(jiān)測和定期抽檢罐式爐車間內(nèi)各區(qū)域的氣體排放，有害氣體均已長期處于安全可靠狀態(tài)，職工心理負(fù)擔(dān)得到了解除，安全得到了保障，現(xiàn)場環(huán)境得到根本性改善，為安全干凈班組建設(shè)創(chuàng)造了良好條件；通過有效解決罐式爐“放炮”問題，避免了“放炮”帶來的爐墻振裂、振塌等潛在問題，為保障爐子壽命打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

1）針對(duì)罐式爐生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的突出問題，通過深入研究和分析，找到了問題的根本原因；

2）通過一系列現(xiàn)場硬件提升改造，加之持續(xù)完成生產(chǎn)組織和操作控制模式，安全生產(chǎn)得到有效保障，有效避免了煅燒焦“過燒”現(xiàn)象；

3）在改善工藝條件的同時(shí)，較好地延長了罐式煅燒爐壽命，具體明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。