金 嶺

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810600）

1 概述

陽極焙燒爐是炭素生產(chǎn)企業(yè)中重要的生產(chǎn)設備之一，在整個生產(chǎn)線中有著重的作用。從20世紀90年代貴鋁引進法國PECHINEY公司陽極焙燒爐以來，對國內(nèi)炭素焙燒產(chǎn)生了深遠的影響，每噸產(chǎn)品的燃料消耗從(5～7.6)＊106kJ降到2.72＊106kJ以下，據(jù)國內(nèi)陽極廠規(guī)模不斷增大、陽極塊規(guī)格也不斷增大的需求，國內(nèi)新建及改造的陽極焙燒爐大多數(shù)廠家采用敞開式焙燒爐。隨著焙燒爐多年的連續(xù)生產(chǎn)運轉(zhuǎn)，火道墻呈現(xiàn)不同程度的變形和損壞?；鸬缐植克荨⒘芽p等導致填充料灌入火道，灌料嚴重的爐室直接切斷負壓，造成下游爐室沒有負壓，存在安全生產(chǎn)隱患。由于火道墻出現(xiàn)整體變形、墻體大面凹凸不平、墻體裂縫、墻體局部塌陷等情況，焙燒爐火道內(nèi)漏風、漏料嚴重，燃控系統(tǒng)溫度控制難度增大，造成焙燒爐內(nèi)上下溫差、邊部火道與中間火道溫差增大，陽極氧化現(xiàn)象增加，炭塊的外觀質(zhì)量和理化指標差，天然氣用量增加，用電負荷增加，填充料損耗加大。

本文對在炭素陽極焙燒在設計節(jié)能中使用新技術(shù)新材料技術(shù)方案進行探討分析。

2 焙燒爐變形主要有以下十種表現(xiàn)形式

（1）火道墻整體變形

主要表現(xiàn)為火道墻整體朝一側(cè)彎曲，呈“C形”鼓肚現(xiàn)象，炭塊無法正常裝出爐，變形最寬的料箱達1100mm。炭塊兩側(cè)填充料包裹較厚，溫度傳導緩慢，揮發(fā)分不能正常排出，炭塊燒不透；最窄的料箱在630mm左右,炭塊緊貼爐墻進入料箱，有的炭塊直接無法裝爐，只能在料箱內(nèi)灌入填充料，浪費產(chǎn)能，導致成本增加。

（2）墻體大面凹凸不平

凹凸不平無法正常使用的火道墻約占整體數(shù)量的三分之一左右，凹陷、凸起部位在30mm～110mm之間，見圖1.2-4～6。火道墻凹凸不平造成炭塊裝爐困難，火焰負壓在火道內(nèi)流通不暢，墻體不易維護。

圖1 火道墻整體變形

圖2 火道墻大面凸起

圖3 墻體裂縫

圖4 嚴重的火道墻裂縫

圖5 橫墻上下、左右錯位

圖6 橫墻與火道墻偏移

（3）墻體裂縫

墻體裂縫現(xiàn)象比較普遍，在爐室出空后進行維護修理，但在一個焙燒周期內(nèi)還會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，無法及時處理，導致填充料灌入火道內(nèi)，堵塞煙氣流通，裂縫寬度普遍在10mm～60mm左右。

（4）墻體局部塌陷

墻體局部塌陷是火道墻無法正常使用的主要原因之一，塌陷面積一般在0.5～2m2左右。焙燒過程中出現(xiàn)的墻體塌陷，直接造成炭塊燒損，火道堵塞。對于此部分火道墻采取出爐后，進行局部重砌在進行使用，但是砌筑質(zhì)量不高，一般兩到三個火焰周期后會再次出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

（5）橫墻整體左右、上下變形

爐室橫墻經(jīng)過10多年運行未，變形橫墻約占總體橫墻量的70%，左右、上下偏移在15mm～230mm之間。橫墻變形導致整個爐室不規(guī)則，尤其是在整體火道墻拆除后進行重砌時，新墻墻體不能完整卡入橫墻卡槽內(nèi)，在升溫降溫的頻繁更替過程中，形成越來越大的收縮縫，造成新砌筑火道墻使用壽命縮減，根據(jù)觀察統(tǒng)計，這樣的新砌筑墻一般在使用三年左右即會出現(xiàn)火道墻整體變形。

（6）料箱底部下沉

每個料箱底部均存在平鋪耐火磚燒損、下沉，見圖1.2-15。底部下沉造成料箱底部與火道底部不在一個平面上，炭塊底部加熱不均勻，同時加劇爐室整體損壞程度；爐底粘結(jié)料現(xiàn)象嚴重，底料無法鋪平部位，需要人工鋪料作業(yè)。

（7）火道變窄

火道內(nèi)寬由原設計的300mm，變窄的火道內(nèi)寬最窄的不足100mm。變窄火道主要影響煙氣流通，對工藝控制帶來較大難度。

（8）火道墻整體下陷

在高溫灼燒和冷卻風機強制冷卻的作用下，墻體因熱脹冷縮發(fā)生變形，導致局部墻體下沉，見圖1.2-19～20。因相鄰兩條墻體下沉程度不一，高度差達70mm-230mm，造成相鄰兩條火道火焰高低不同，從而造成炭塊兩側(cè)受熱不均勻。

（9）邊火道保溫磚分離

邊火道外側(cè)保溫磚與火道墻分離，中間間隙在200mm以上，見圖1.2-21。保溫磚與火道墻分離造成邊火道保溫效果差，負壓損失大，不易升溫，工藝控制困難，每個爐室有四分之一的炭塊質(zhì)量相對較差，炭塊不能燒透，理化指標沒有保證。

（10）火道內(nèi)灌料

在焙燒過程中，火道墻出現(xiàn)局部塌陷、裂縫等現(xiàn)象，導致填充料灌入火道內(nèi)部。灌料少的影響煙氣流通，對工藝和質(zhì)量影響較大，今年共拆除修復灌料火道墻84條，占全年已修復量的近一半，灌料嚴重的直接切斷煙氣通道，造成后面爐室沒有負壓，存在安全隱患。

從表中可以看出，4臺焙燒爐的運行10多年后上述十種變形現(xiàn)象普遍存在，在各種損壞的表現(xiàn)形式中，以墻體大面凹凸不平對焙燒爐造成特別嚴重的影響，主要體現(xiàn)在安全隱患、炭塊的外觀質(zhì)量、理化指標、增加焙燒爐能耗、增加人工勞動強度等?；鸬缐φw變形和墻體裂縫對生產(chǎn)造成嚴重影響，橫墻變形和火道內(nèi)部變窄對生產(chǎn)造成一般影響。1#～4#焙燒爐特別嚴重影響的火道分別占總火道數(shù)的43.8%、30.2%、29.3%和44.8%；嚴重影響的火道分別占總火道數(shù)的58%、49.1%、46.6%和57.7%；幾乎所有火道都存在一般影響。

3 爐子變形破損對生產(chǎn)的影響

（1）爐況較差

火道墻和橫墻的變形較嚴重，爐面漏風主要集中在橫墻附近的預制塊縫隙和預制塊表面的凹陷孔隙，漏風壓力一般在-10至-70Pa，火道墻預制塊基本沒有漏風情況，但火道墻裂紋也較多。漏風導致焙燒爐爐況不佳，燃耗大，噸產(chǎn)品天然氣能耗高達75Nm3。

表1 某公司焙燒爐運行10年變形破損統(tǒng)計表

表2 燒爐變形破損所占比例表

圖7 新節(jié)能設計與原設計火道流場對比圖

（2）掛焦嚴重

焙燒爐均存在嚴重的焦油殘留，揮發(fā)分不能順利排出，不能有效利用揮發(fā)分燃燒釋放的熱量。火道墻壁面粘結(jié)料需要每天進行人工清理，清理進一步損壞火道墻，造成惡性循環(huán)。

（3）爐室垂直溫差、水平溫差增加

火道變形造成火道負壓分布不均，導致個別爐室垂直溫差大于80℃以上，水平溫差大于300℃以上，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）爐面溫度高

爐面澆筑塊保溫性能較差，造成爐面溫度高。6P、7P、8P的爐面溫度高達220℃，料箱填充焦表面約180℃。

（5）焙燒爐整體密封效果較差

測溫測壓架處，火道含氧量偏高，特別是邊火道，氧量一般在17%以上，中間火道的氧量也在11%～17%。

（6）影響炭塊外觀質(zhì)量

由于前期對爐室日常維護時，沒有對爐底的粘結(jié)料及時清理，目前導致爐底粘結(jié)料結(jié)焦。清理困難，產(chǎn)生焙燒塊面缺塊。部分爐墻縫隙過大，在裝爐前雖然用石棉進行了堵塞，但是在進入C1后，在鼓風機和冷卻機的作用下，部分縫隙開裂，導致料箱漏料，炭塊氧化。

火道墻燃燒孔凹陷，燃燒階段火焰直接灼燒耐火磚，導致耐火磚局部受熱開裂、塌陷、漏料。炭塊出爐后，爐墻與澆筑塊不平整，耐火磚斷裂，塌陷。導致料箱漏料嚴重，最終頂層炭塊大面氧化。

（7）增加人工勞動強度

焙燒爐掛焦嚴重，人工每天要清理火道墻壁上粘結(jié)料；爐室整體密封效果差，人工每班進行料箱密封，減少負壓泄露；裝入料箱的靠墻塊需要人工撬正處理。

4 焙燒爐新結(jié)構(gòu)設計方案

（1）火道墻拉磚

火道墻拉磚采用紅柱石耐火磚，這種材質(zhì)的耐火磚本身對裂紋具有修復功能，荷重軟化溫度≥1600℃，完全能滿足生產(chǎn)要求。過火孔位置的高度達1189mm，在此位置的火道墻增加了兩塊拉磚，加強火道墻的整體性能。

（2）看火孔設計

火道墻看火孔尺寸直徑達210mm，可以保證爐子在排煙和冷卻時具有足夠的尺寸，在加熱運行時火孔插入爐面節(jié)能組件，此時的孔的直徑為80mm，這種結(jié)構(gòu)形式與爐面塊結(jié)合緊密，密封良好，同時既能減小高溫時孔的輻射從孔的散熱損失，又能滿足燃燒、測溫測壓以及鼓風冷卻等要求，并有利于車間的操作和管理。

（3）橫墻設計

橫墻全部采用低蠕變磚砌筑，這種材料的抗蠕變能力很強，可以延長爐子的使用壽命。且原爐子排煙時的插板是從火道口插入密封，這種密封方式在爐子運行前期是很好的。但運行后期當火道墻變形嚴重時其密封性能就會降低，漏風系數(shù)增大，并導致1P的溫度降低，揮發(fā)分燃燒不完全，導致煙道清理頻繁，系統(tǒng)負壓損失增加。而橫墻相對火道墻變形較小，將插板位置移到橫墻接口可以解決。

橫墻爐頂板采用高強輕質(zhì)澆注料制作，既保證了爐頂?shù)膹姸扔纸档土藸t頂?shù)纳釗p失。

（4）火道墻爐頂板采用復合結(jié)構(gòu)

老式陽極焙燒爐火道墻爐頂板全部采用重質(zhì)澆注料制作，這種材料使用溫度和強度完全滿足生產(chǎn)要求，缺點就是散熱太大，不符合國家的節(jié)能要求。新型的爐頂板設計則采用輕質(zhì)和重質(zhì)相結(jié)合的符合結(jié)構(gòu)，即滿足車間生產(chǎn)的強度要求又能兼顧節(jié)能效果，同時爐頂板的壽命還能得到保障。

另外，針對焙燒爐邊部火道墻在升溫時溫度滯后，采用生產(chǎn)過程中增加邊火道的燃料加入量造成阻力也增加，不能實際解決問題。此次設計采用加大邊部火道的截面積，使邊火道在增加煙氣量的同時阻力損失保持不變，同時邊火道靠側(cè)墻側(cè)增加豎縫榫槽解決降低漏風問題。

（5）連通火道采用全纖維模塊結(jié)構(gòu)

陽極焙燒爐拐彎爐室升溫上不去一直是無法解決的問題，導致端部爐室溫度偏低，陽極質(zhì)量要低于中間爐室，部分爐子不得不采用延長火焰移動周期來彌補，這樣又會使產(chǎn)量下降能耗增加。爐體的蓄熱和材料的體積密度有關(guān)，密度越小蓄熱越少，盡管在稍早期爐子設計中連通火道的內(nèi)襯采用高強輕質(zhì)莫來石材料砌筑，但其密度仍然達到800kg/m3以上，外壁溫度最高達85℃以上，其蓄熱和散熱損失還是太多。為了更進一步降低蓄熱和散熱損失，本次設計采用全纖維模塊結(jié)構(gòu)，主材的體積密度～220kg/m3，安裝完成后涂刷耐沖刷的高溫涂料保證壽命，外壁溫度可降低到65℃以下，可以更好地改善了拐彎爐室的升溫情況。

（6）側(cè)墻和爐底設計

側(cè)墻保溫直接影響邊火道的升溫速率。焙燒爐邊火道升溫時比中間火道要滯后，主要就是邊火道一邊給料箱加熱一邊在給側(cè)墻加熱并散熱。近年來我們在敞開式陰極爐的設計上采用了高強輕質(zhì)材料(體積密度r=750kg/m3，導熱系數(shù)λ=0.24(400℃)加耐火纖維的保溫方式，這種結(jié)構(gòu)型式的設計方式一是提高了爐體的密封性能，二是降低爐子的蓄熱和散熱損失。在實際運用中邊火道的升溫速率完全滿足工藝生產(chǎn)的要求。

爐底部分除火道墻和橫墻膨脹滑動下面采用一層重質(zhì)磚外，其余全部采用高強輕質(zhì)莫來石磚和硅藻土磚鋪設，降低爐底的蓄熱和散熱損失。

5 節(jié)能爐體內(nèi)襯主要材料及材質(zhì)

（1）火道墻和橫墻

火道墻和橫墻采用低蠕變磚和紅柱石磚砌筑

表3 低蠕變磚理化指標

表4 紅柱石磚理化指標

（2）澆注料

澆注料用于火道墻爐頂板制作復合結(jié)構(gòu)墻，橫墻爐頂板和端墻爐頂板的制作、爐底找平和側(cè)墻和爐殼之間的密封。

表5 澆注料理化指標

（3）連通火道采用纖維模塊和高溫熱防護涂料

表6 連通火道用纖維模塊理化指標

6 結(jié)束語

采用新材料，新技術(shù)設計后的敞開式陽極焙燒爐，焙燒工序單位產(chǎn)品綜合能耗由改造前99.66kgce/t降至74.24kgce/t，降低了25.42kgce/t，噸產(chǎn)品天然氣能耗降低到55Nm3以下，填充料燒損低于10kg。焙燒曲線更加合理，料箱內(nèi)陽極的垂直溫差和水平溫差小，其中垂直溫差小于50℃，水平溫差小于20℃，產(chǎn)品質(zhì)量得到很大提高。同時焙燒爐各方面性能有所提高，一方面提高焙燒爐的密閉性，減少漏風，從而減少廢氣量的產(chǎn)生，另一方面排出揮發(fā)分的燃燒更充分，進而減少瀝青煙對工作環(huán)境的污染。有利于空氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的改善，具有較大的環(huán)境效益，焙燒爐的壽命可以延長至10～12年。