新型爐面節(jié)能接口組件在炭素焙燒爐上的應(yīng)用

張恒海¹ 施國(guó)榮²  周友土²  楊正華³ 姚世煥⁴
(1.上海恒洋儀表科技有限公司，上海200070； 2.浙江華東鋁業(yè)，浙江321103；
3.撫順鋁業(yè)，撫順1130017；4.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)院，貴陽550000）

摘要：論述了研究開發(fā)新型炭素焙燒爐爐面接口組件的必要性和重要意義，通過對(duì)傳統(tǒng)組件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，達(dá)到爐面節(jié)能降耗的目的。應(yīng)用結(jié)果顯示新型組件較之傳統(tǒng)組件，車間環(huán)境溫度平均下降9℃，燃燒器底座溫度平均下降191℃，減少CO2排放12㎏/T炭素，年節(jié)約爐面輔助設(shè)備約34.73%，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度38.71%，節(jié)約鋼材90.86%，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：焙燒爐爐面設(shè)備；研發(fā)；應(yīng)用；節(jié)能降耗；經(jīng)濟(jì)效益

The application of new contact equipmentsin anode baking furnace
Zhang henghai, Shi guorong, Zhou youtu, Yang zhenghua, Yaoshihuan 
[Abstract] It is necessary and important that reduce the heat lossand energy consumption from horizontal surface of anode bakingfurnace, the materials and construction of traditional contactequipments were improved. a lot of equipments for contact with openholes of baking furnace have been developed, As the result, theroom environmental temperature was decreased by an average of 9℃;the temperature of lids for furnace ‘s holes was decreased by anaverage of 180℃;the basement temperature of burner was decreased191℃; the oils consumption has saved about 3.03 kg / t anode; theCO2 was reduced about 12 kg/ t anode；the contact equipments weresaved 34.7% and labor intensity has been reduced 38.7%; the use ofsteel was decreased about 90.86% per years. So that, the economicbenefit make remarkable achievement.
Key wards: contact equipment of anode baking furnace; development;application; energy saving; economic benefit.

      隨著我國(guó)電解鋁工業(yè)的發(fā)展，鋁用炭素是電解鋁生產(chǎn)中不可缺少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。但是，鋁用炭素是高能耗行業(yè)，因此，生產(chǎn)中必須以提高資源利用率和節(jié)能降耗為重點(diǎn)，以促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。上海恒洋儀表科技有限公司致力于碳素焙燒爐爐面設(shè)備的研發(fā)，為實(shí)現(xiàn)爐面接口及輔助設(shè)備有效保持爐溫、減少熱損失、降低爐面溫度、延長(zhǎng)輔助設(shè)備使用壽命、改善工作環(huán)境、減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)，成功研制了“新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件”。經(jīng)撫順鋁業(yè)、浙江華東鋁業(yè)、青海橋頭鋁業(yè)、內(nèi)蒙古霍煤通順炭素等四家企業(yè)應(yīng)用后,對(duì)比傳統(tǒng)爐面組件，環(huán)境溫度平均下降9℃，燃燒器底座溫度平均下降191℃，降低燃料消耗4%以上，減少CO2排放12㎏/T炭素，年節(jié)約爐面輔助設(shè)備約34.73%，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度38.71%，節(jié)約鋼材90.86%。

      1  開展新型炭素焙燒爐爐面接口組件研制的必要性和重要意義
      1.1 節(jié)能降耗勢(shì)在必行
      國(guó)內(nèi)外通常使用的炭素焙燒爐有兩種形式，即敞開式環(huán)式焙燒爐和有蓋式焙燒爐。這兩種焙燒爐主要用于鋁用炭素陽極與陰極焙燒和煉鋼電極焙燒。目前，我國(guó)鋁用炭素陽極焙燒均采用敞開式環(huán)式焙燒爐，生產(chǎn)實(shí)踐表明焙燒爐的熱利用率和熱損失約各占一半，每噸炭素陽極成品的燃料消耗一般在2.4-3.2GJ/T（約折合一般重油60-80kg/T）。當(dāng)前國(guó)際上有些發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)焙燒爐在陽極原料要求十分苛刻和瀝青被完全燃燒（新技術(shù)）的條件下，燃料消耗可以降到1.8-1.9GJ/T陽極，比我國(guó)平均水平減少了約15-30kg/T的重油。因此，降低鋁用炭素陽極焙燒爐的燃料消耗，一直是炭素行業(yè)長(zhǎng)期探索和研究的重大課題。
      1.2 新型炭素焙燒爐爐面接口組件開發(fā)的重大意義
多年來，國(guó)內(nèi)外在炭素焙燒爐節(jié)能降耗方面，針對(duì)爐體結(jié)構(gòu)、焙燒工藝和燃料燃燒等進(jìn)行了大量的研究工作，尚沒有注意到焙燒爐的輔助設(shè)備對(duì)能耗的影響。目前，我國(guó)絕大多數(shù)炭素企業(yè)使用的焙燒爐是上世紀(jì)九十年代末開發(fā)的，爐面配置的輔助設(shè)備沿用了傳統(tǒng)的鑄鐵圈/鑄鐵蓋/鐵皮蓋、重油燃燒器座、氣體燃燒器、熱電偶架、測(cè)溫測(cè)壓架和測(cè)負(fù)壓架，而材質(zhì)均為普通鑄鐵和普通鋼材，設(shè)備笨重簡(jiǎn)陋，而且功能是配合測(cè)溫儀表、測(cè)壓儀表和控制系統(tǒng)來完成對(duì)爐溫和能源輸入的測(cè)量控制。由于焙燒爐與爐面輔助設(shè)備接口直徑過大，導(dǎo)致爐面溫度高，損失了大量的熱能，增加了燃料消耗；同時(shí)，由于輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有較大的缺陷，致使產(chǎn)品使用壽命短且操作勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，必須研發(fā)一組新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件，解決上述存在的各種缺陷，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
      

      2  新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件的組成及效果對(duì)比
      2.1 新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件的組成
新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件由爐口變徑蓋、配套座、平口塞、新型燃燒器、新型熱電偶支架、新型測(cè)溫測(cè)壓探頭、新型負(fù)壓探頭組成。該組件實(shí)現(xiàn)了：
      1\新型變徑爐蓋將接口直徑由300㎜減少到70㎜，面積縮小77%，明顯降低散熱量，減少熱損失，爐面溫度及環(huán)境溫度相應(yīng)降低；
      2\變徑蓋的配套底座直接鑲嵌于爐面接口內(nèi)壁，增加了爐面輔助器件與爐面接口處的密封性，保證負(fù)壓操作，穩(wěn)定爐況；
      3\組件中各工件結(jié)構(gòu)及材質(zhì)的優(yōu)化，耐火澆注料材質(zhì)的變徑爐蓋和配套座、平口塞代替了傳統(tǒng)的鑄鐵組件，明顯降低了重量，使用壽命和性價(jià)比得到提高，勞動(dòng)強(qiáng)度相應(yīng)減輕。
      2.2 新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件與傳統(tǒng)組件的效果對(duì)比
新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用后，與傳統(tǒng)組件形成明顯對(duì)比，取得了上述效果，如圖1—8所示。

圖1  傳統(tǒng)組件（左）與新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件（右）的整體效果對(duì)比圖

      2.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的狀況
根據(jù)上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所提供的《科技查新報(bào)告》（20080867號(hào)）證實(shí)：該項(xiàng)目通過數(shù)段圓柱體疊加狀的變徑蓋，將傳統(tǒng)炭素焙燒爐面各爐口散熱直徑由300㎜減少到70㎜，并配用新型熱電偶支架、新型測(cè)溫測(cè)壓架、新型氣體燃燒器、新型重油燃燒器、新型負(fù)壓探頭，實(shí)現(xiàn)焙燒爐的測(cè)控，并降低生產(chǎn)炭素的能耗，未見過國(guó)內(nèi)外相同文獻(xiàn)報(bào)道。

      3 新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)論
      2008年6月?lián)犴樹X業(yè)對(duì)新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件在環(huán)境溫度、爐面表面溫度、熱電偶支架表面溫度、新舊爐蓋表面溫度、能源消耗等方面，進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。
      3.1 爐面環(huán)境和表面溫度的測(cè)試點(diǎn)
      圖9：在3個(gè)加熱架（HR1、HR2、HR3）上的第4、5、6火道選取9個(gè)環(huán)境溫度檢測(cè)點(diǎn)、9個(gè)燃燒器底座表面溫度點(diǎn)、9個(gè)熱電偶支架表面溫度點(diǎn)；3個(gè)壓力支架表面溫度點(diǎn)（如圖10），分別采用煤油溫度計(jì)、普通水銀溫度計(jì)、接觸式溫度儀，每4小時(shí)記錄一次。
 

               圖9 環(huán)境溫度檢測(cè)示意圖                                    圖10 表面溫度檢測(cè)示意圖

      3.1.1 爐面環(huán)境溫度測(cè)試
      選取6號(hào)爐室第4、5、6火道距爐面300mm，采用煤油溫度計(jì)懸掛測(cè)量爐面環(huán)境溫度。如圖11。經(jīng)過測(cè)量對(duì)比，爐面環(huán)境溫度從56℃下降到47℃，平均下降9℃；職工在爐面作業(yè)，能明顯感覺到溫度的變化，作業(yè)環(huán)境得到了改善。
 

      3.1.2 燃燒器底座表面溫度測(cè)試
      選取7號(hào)爐室第4、5、6火道上的燃燒器底座表面，采用表面溫度計(jì)接觸測(cè)量從4P到6P96小時(shí)的溫度。如圖12。經(jīng)測(cè)量對(duì)比，燃燒器底座表面溫度有明顯的變化，使用新組件前，其平均溫度為339℃，使用后降為148℃。平均下降了191℃，燃燒器底座經(jīng)常呈紅熱狀態(tài)的現(xiàn)象消失。
 

      3.1.3 熱電偶支架表面溫度測(cè)試
      選取7號(hào)爐室第4、5、6火道熱電偶支架，采用表面溫度計(jì)接觸測(cè)量從4P到6P共96小時(shí)的溫度。如圖13。經(jīng)過對(duì)比分析，熱電偶支架表面溫度有明顯的變化，使用新組件前，其平均溫度為240℃，使用后降為117℃。平均下降了23℃。
 

      3.1.4 新舊爐蓋表面溫度測(cè)試
選取7號(hào)爐室第4、5、6火道新舊爐蓋，采用表面溫度計(jì)接觸測(cè)量從4P到6P共96小時(shí)的溫度。如圖14。經(jīng)對(duì)比，爐蓋表面溫度變化明顯，使用舊爐蓋，其平均溫度為361℃，使用后降為181℃。平均下降了180℃。
 

      3.2 能耗測(cè)試
      3.2.1 重油消耗測(cè)試
      測(cè)試采用重油流量計(jì)，進(jìn)行傳統(tǒng)組件和新型組件重油消耗記錄，如圖15。經(jīng)過（新舊）兩個(gè)焙燒周期測(cè)試，采用新型組件后節(jié)油效果顯著，重油單耗由76.83kg/T下降到73.8kg/T，節(jié)約重油3.03kg/T；測(cè)試單位年產(chǎn)炭素60000T、可節(jié)約重油181.8T，按重油4500元/T計(jì)算，節(jié)約資金81.81萬元；按每千克重油燃燒所產(chǎn)生的CO2量為4kg計(jì)算，年減少CO2排放727.2T。
 

      3.2.2 金屬材料消耗對(duì)比
      以年產(chǎn)6萬噸炭素所需輔助設(shè)備為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，需爐面接口設(shè)備1260套、重油燃燒器108個(gè)、熱電偶支架54個(gè)、測(cè)溫測(cè)壓探頭（架）18個(gè)、負(fù)壓探頭（架）18個(gè)。金屬材料消耗對(duì)比見表1。結(jié)論：采用新型組件后金屬材料大幅節(jié)約，所用金屬材料由31412.16kg減少到2871kg，可節(jié)約金屬材料28.54T/年，爐面設(shè)備操作重量由31412.16kg減輕到19251kg，勞動(dòng)強(qiáng)度減輕38.71%。

表1 使用新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件前后金屬材料消耗對(duì)比（重量：kg；使用壽命：月）

      4結(jié)語
      通過實(shí)踐證明，我國(guó)自主研發(fā)的新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件，實(shí)現(xiàn)了焙燒爐節(jié)能降耗、改善職工作業(yè)環(huán)境的目標(biāo)。以2007年我國(guó)炭素產(chǎn)量700萬噸計(jì)算，如果全部采用新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件，那么全行業(yè)年可節(jié)約重油2.1萬噸，年節(jié)約爐面輔助設(shè)備2230多萬元，年減少CO2排放8.4萬噸以上，年節(jié)約金屬材料3320多萬噸，生產(chǎn)車間工作環(huán)境將會(huì)得到明顯改善，勞動(dòng)強(qiáng)度也將會(huì)明顯降低，為降低炭素生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗、改善勞動(dòng)強(qiáng)度及工作環(huán)境做出了重要的貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具有很好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)：
〔1〕安德軍.我國(guó)鋁電解工業(yè)的發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn).有色金屬設(shè)計(jì)，2004（4），32～36.
〔2〕黎延之，孫赫.燃燒架加熱技術(shù)在環(huán)式烽燒爐溫控系統(tǒng)的應(yīng)用.煤氣與熱力，2004（9），492～494.
〔3〕謝峰.談?wù)勱枠O焙燒爐的設(shè)計(jì)節(jié)能.有色金屬，2006（4），21～23.
〔4〕王春江，郝杰.炭素陽極焙燒解組站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).輕金屬，2007（4），35～38.
〔5〕常先恩，陳開斌.鋁用炭陽極焙燒爐節(jié)能技術(shù)探討.炭素技術(shù)，2007（5），33～35.
〔6〕Foosnaes,T. Measurement and control of the calcining level inanode baking furnaces. Light Metals:Proceedings of Sessions,TMSAnnualMeeting(Warrendale,Pennsylvania),1995，649～652.

圖15  使用新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件前后重油消耗對(duì)比
 

圖14  采用新型變徑蓋前后表面溫度對(duì)比
 

圖13  熱電偶支架表面溫度對(duì)比

圖12  燃燒器底座表面溫度對(duì)比

圖11  環(huán)境溫度對(duì)比

   
圖2  傳統(tǒng)組件（左）與新型炭素焙燒爐爐面接口測(cè)控組件（右）的密封保溫效果對(duì)比圖 

圖3  傳統(tǒng)爐面接口（左）與新型炭素焙燒爐爐面接口（右）的實(shí)際效果對(duì)比  
圖4  傳統(tǒng)重油燃燒器（左）與新型重油燃燒器（右）的實(shí)際效果對(duì)比圖 
圖5  傳統(tǒng)氣體燃燒器（左）與新型氣體燃燒器（右）的實(shí)際效果對(duì)比圖

圖6  傳統(tǒng)熱電偶支架（左）與新型熱電偶（右）之間的實(shí)際效果對(duì)比圖
  
圖7  傳統(tǒng)測(cè)溫測(cè)壓探頭（左）與新型測(cè)溫測(cè)壓探頭（右）的實(shí)際效果對(duì)比圖
   
圖8  傳統(tǒng)負(fù)壓探頭（左）與新型負(fù)壓探頭（右）的實(shí)際效果對(duì)比圖