陽(yáng)極焙燒爐重油改天然氣技術(shù)及應(yīng)用

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2014.07.007陽(yáng)極焙燒爐重油改天然氣技術(shù)及應(yīng)用尹健1，柏登成1，張念炳2（1.中鋁貴州分公司碳素廠，貴陽(yáng) 550014；2.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550014）摘要：介紹了鋁用陽(yáng)極焙燒生產(chǎn)中實(shí)施重油改用天然氣的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整情況，實(shí)施“油改氣”技術(shù)，解決了重油容易結(jié)焦、受溫度影響流動(dòng)性變差、質(zhì)量變化對(duì)生產(chǎn)影響的系列問(wèn)題，有利于降低成本、改善生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境。關(guān)鍵詞：焙燒爐；重油；天然氣；燃燒中圖分類號(hào)：TF821文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-7545（2014）07-0000-00Technology an

2、d Application of Substitution of Heavy Oil by Natural Gas for Anode Baking FurnaceYIN Jian1, BAI Deng-cheng1, ZHANG Nian-bing2(1. Carbon Factory, Guizhou Branch of Chalco, Guiyang 550014, China;2. The Materials and Metallurgical College, Guizhou Normal University, Guiyang 550014, China)Abstract: Adj

3、ustment of energy structure to substitute heavy oil by natural gas in production of aluminum anode baking was introduced. The technology to convert oil to gas was applied so as to address a series of problems including occurrence of coking on heavy oil, poor fluidity and poor quality under influence

4、 of temperature. Cost reduction and improvement of manufacturing technique and environment are achieved with application of the technology.Key words: baking furnace; heavy oil; natural gas; combustion在放出相同熱值的一次能源中，天然氣的二氧化碳排放量最小，且使用效率高、綜合效益好1-2。中鋁貴州分公司碳素廠陽(yáng)極焙燒爐持續(xù)多年大量使用重油焙燒制品，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)重油價(jià)格不斷攀升，成本壓力日漸沉重，同等

5、熱值的天然氣價(jià)格低于重油。為此，國(guó)內(nèi)各行業(yè)已開(kāi)始重視重油向天然氣的改造3-7。貴州分公司通過(guò)引進(jìn)社會(huì)資金參與改造，在不增加自身固定資產(chǎn)投入的前提下推進(jìn)“油改氣”工程，2011年3月，貴州分公司碳素焙燒8個(gè)火焰系統(tǒng)、共24臺(tái)燃燒架全部實(shí)現(xiàn)“油改氣”，解決了重油對(duì)環(huán)境的影響，也改善了生產(chǎn)工藝條件和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。1 問(wèn)題的提出焙燒爐一般分敞開(kāi)式和帶蓋式8，中鋁貴州分公司使用的是2臺(tái)54室和1臺(tái)34室敞開(kāi)式焙燒爐。焙燒使用的高黏度重油，存在黏度大、凝固點(diǎn)高、機(jī)械雜質(zhì)含量高、流動(dòng)性差、密度大、含水量不容易脫除、水在油罐中累積，在炭陽(yáng)極焙燒爐上使用重油，使燃燒器與爐膛容易結(jié)焦、過(guò)濾器堵塞嚴(yán)重，甚至造成燃燒設(shè)備

6、熄火，生產(chǎn)工序中斷，影響生產(chǎn)，致使陽(yáng)極產(chǎn)量、質(zhì)量波動(dòng)，不能達(dá)到要求，產(chǎn)品單位油耗增加。同時(shí)貴州分公司燃料重油進(jìn)廠價(jià)格不斷攀升，導(dǎo)致碳素制品生產(chǎn)成本日趨增加。天然氣在國(guó)外同型爐和鋁用碳素單位已經(jīng)普遍使用，其控制簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行穩(wěn)定，因此天然氣是理想的重油替代品。2 焙燒爐重油改天然氣技術(shù)焙燒爐重油改天然氣主要包括供氣管路鋪設(shè)、燃燒架改造、燃燒器及控制系統(tǒng)改造，核心是燃燒器及控制系統(tǒng)改造。收稿日期：2014-01-14基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合GY字20123051，黔科合高G字20124002）；貴州省普通高等學(xué)校特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（黔教合KY字2012004號(hào)）；貴陽(yáng)市科技

7、計(jì)劃項(xiàng)目（筑科合同20122056-6）作者簡(jiǎn)介：尹健（1970-），男，湖南洞口人，碩士，工程師.2.1 供氣管路鋪設(shè)沿焙燒爐面下部鋪設(shè)燃?xì)夤艿?，在每個(gè)爐室處設(shè)燃?xì)饨宇^，安裝快速切斷閥及快速接頭；氣源總進(jìn)口安裝過(guò)濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、放散閥等。其中，焙燒一、二廠房鋪設(shè)燃?xì)饪偣艿兰s1 000 m，三廠房鋪設(shè)燃?xì)饪偣艿兰s300 m。2.2 燃燒架改造2.2.1 焙燒系統(tǒng)燃燒架原理陽(yáng)極焙燒所需的熱能主要由燃燒架提供，每一爐室的溫度由燃燒器噴入的天然氣進(jìn)行控制。3套燃燒架加熱1個(gè)焙燒系統(tǒng)的3個(gè)焙燒區(qū)爐室，爐室火道溫度由每個(gè)火道的上下游燃燒器供給的天然氣流量進(jìn)行控制，燃燒器的噴天然氣量由脈沖控制，

8、通過(guò)噴射脈寬（占空比）控制噴氣量。2.2.2 燃燒架機(jī)械構(gòu)件改造拆除架內(nèi)原燃油設(shè)備，為燃?xì)庠O(shè)備及氣路安裝提供空間，鋪設(shè)上下游燃?xì)夤艿?，安裝管道過(guò)濾器、調(diào)壓閥、快速切斷閥、球閥、電磁閥和氣體燃燒器（如圖1所示）。圖1 改造后的天然氣燃燒氣路圖Fig.1 Circuit of nature gas burning after transformation2.2.3 燃燒架電氣改造燃燒架程序改造，達(dá)到燃料改為天然氣后的自動(dòng)控制?？刂乒駜?nèi)新增一體化電源，滿足24 V電磁閥的供電要求。在原PLC控制系統(tǒng)中新增數(shù)字量輸出模塊，通過(guò)固態(tài)繼電器控制天然氣電磁閥通斷，柜內(nèi)到架子上重新安裝控制電纜。2.3 燃燒器

9、改造燃?xì)馊紵鞯淖饔镁褪怯秒姶砰y控制天然氣（壓力范圍40 kPa左右）通過(guò)噴嘴噴入火道，燃燒器有進(jìn)空氣孔，使空氣與天然氣充分混合后噴入火道后燃燒。實(shí)施改造內(nèi)容如下：1）根據(jù)焙燒爐的燃燒特點(diǎn)設(shè)計(jì)燃燒器的結(jié)構(gòu)，提高燃?xì)鈬娚鋾r(shí)出口速度，加長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度，有效降低火道上下溫差。使用時(shí)配合焙燒爐測(cè)溫控制組件，明顯增長(zhǎng)使用壽命。2）脈沖式供氣燃燒方式，通過(guò)電磁閥控制，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)及關(guān)停，噴出燃?xì)?，在火道中燃燒，開(kāi)啟周期1030 s，由控制單元發(fā)出頻率信號(hào)控制噴入天然氣量。3）減壓穩(wěn)壓閥是燃燒架關(guān)鍵部件，減壓穩(wěn)壓閥正確選擇對(duì)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及燃燒效果至關(guān)重要。4）在燃燒架進(jìn)口安裝快速切斷閥，切斷迅速，開(kāi)啟簡(jiǎn)

10、便，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。3 焙燒工藝適應(yīng)性探索3.1 焙燒升溫曲線的設(shè)定燃燒重油與天然氣的不同焙燒升溫曲線設(shè)定如表12所示。表1 重油燃燒下的焙燒碳?jí)K升溫曲線Table 1 Heating curve of baking carbon block with heavy oil溫度段/運(yùn)行時(shí)間/h升溫速度/(·h-1)加熱方式2706502813.57煙氣預(yù)熱650820563.04煙氣預(yù)熱8201 140565.71強(qiáng)制加熱1 140280強(qiáng)制加熱表2 天然氣燃燒下的焙燒碳?jí)K升溫曲線Table 2 Heating curve of baking carbon block with na

11、ture gas溫度段/運(yùn)行時(shí)間/h升溫速度/(·h-1)加熱方式2805702810.36煙氣預(yù)熱570860565.18煙氣預(yù)熱8601 170466.74強(qiáng)制加熱1 170380強(qiáng)制加熱環(huán)式焙燒爐受到總爐室數(shù)的限制，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)讓炭塊溫度達(dá)到足夠的溫度，嚴(yán)格滿足陽(yáng)極溫度梯度、陽(yáng)極最終焙燒溫度和陽(yáng)極最大溫差等方面的要求，以保證焙燒陽(yáng)極質(zhì)量，因此環(huán)式焙燒爐對(duì)燃料的發(fā)熱性能及升溫速度有嚴(yán)格的要求。從表12看，要求天然氣燃燒下的升溫速度要高于重油。3.2 適應(yīng)性工藝摸索天然氣易于燃燒，導(dǎo)致天然氣燃燒火焰長(zhǎng)度沒(méi)有高壓機(jī)械霧化下的重油火焰長(zhǎng)度長(zhǎng)，為縮小料箱垂直溫差、改善上下層陽(yáng)極炭塊

12、的均質(zhì)性，對(duì)天然氣燃燒噴嘴結(jié)構(gòu)加長(zhǎng)改進(jìn)，有效改善了焙燒爐火道內(nèi)燃燒火焰長(zhǎng)度。無(wú)論是重油還是天然氣，要燃燒均需要氧氣，燃料不同，配入的比例關(guān)系也有所不同。要使天然氣完全燃燒，就得有足夠的氧氣，且還需要保持一定的流速及負(fù)壓，摸索使用農(nóng)膜密封低溫爐室、填充焦密封高溫爐室，減少漏風(fēng)與散熱，保持合理的空氣過(guò)剩系數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的焙燒升溫曲線。4 實(shí)施前后對(duì)比2011年3月10日陽(yáng)極焙燒第8個(gè)火焰系統(tǒng)點(diǎn)火，達(dá)到24臺(tái)燃燒架全部投入，標(biāo)志著以天然氣替代重油生產(chǎn)在中鋁貴州分公司碳素廠陽(yáng)極焙燒車間全部在線運(yùn)行。在使用重油為燃料時(shí)，每生產(chǎn)1 t焙燒塊需重油70 kg，生產(chǎn)成本為305.13元（以重油單價(jià)4 359元/

13、t計(jì)）；在改造后，使用天然氣為燃料時(shí)，每生產(chǎn)1 t焙燒塊需天然氣72 m3，生產(chǎn)成本為264.96元（以天然氣單價(jià)3.68元/m3計(jì)）。每生產(chǎn)1 t焙燒塊節(jié)約費(fèi)用40.17元，碳素廠按年生產(chǎn)陽(yáng)極焙燒塊22.5萬(wàn)t計(jì)算，年降低成本903.83萬(wàn)元。每年焙燒生產(chǎn)中用天然氣替代重油1.5萬(wàn)t左右，徹底解決了重油對(duì)生產(chǎn)和環(huán)境的影響，同時(shí)還改善了生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境。重油改天然氣脈沖燃燒方式操作簡(jiǎn)單，具有燃燒效率高、易于進(jìn)行自動(dòng)控制，提高焙燒溫度達(dá)標(biāo)率，穩(wěn)定了陽(yáng)極焙燒塊的理化性能指標(biāo)，改善了陽(yáng)極產(chǎn)品均質(zhì)性，同時(shí)減少了火道局部過(guò)熱燒損現(xiàn)象，利于延長(zhǎng)焙燒爐壽命，減少焙燒爐修理維護(hù)費(fèi)用等。5 結(jié)論1）焙燒爐用天

14、然氣替代重油燃燒，徹底解決了重油對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)還改善了生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境。2）焙燒用天然氣控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可提高焙燒溫度達(dá)標(biāo)率、改善陽(yáng)極產(chǎn)品均質(zhì)性，同時(shí)利于延長(zhǎng)焙燒爐壽命，減少焙燒爐修理維護(hù)費(fèi)用等。參考文獻(xiàn)1 秦?fù)P，曹麗娟. 論低碳經(jīng)濟(jì)背景下我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展J. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2011，13(4)：18-21.2 張斌. 焙燒爐燃燒系統(tǒng)油改天然氣研究與應(yīng)用J. 炭素，2010(1)：46-48.3 韓建新. 鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)油改氣的運(yùn)行分析J. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010(14)：110-112.4 王水魚(yú)，安鴿. 基于FPGA的汽車油改氣電控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J. 微型機(jī)與應(yīng)用，2