王兵， 陳文文， 張雷， 張紹東

（1.鞍山開炭熱能新材料有限公司，鞍山 114044；2.中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院限公司，鞍山 114044）

0 前言

炭素產(chǎn)品是鋼鐵生產(chǎn)所需的重要耗材之一，近年來在鋼鐵行業(yè)快速發(fā)展的帶動下，我國以石墨電極為主的炭素制品產(chǎn)能產(chǎn)量不斷增長。炭和石墨材料是以碳元素為主的非金屬固體材料。石墨電極類根據(jù)允許使用電流密度大小，可分為普通功率石墨電極。高功率電極、超高功率電極[1]。石墨電極以石油焦、針狀焦為原料，而石油焦、針狀焦是經(jīng)煅燒而成的炭素產(chǎn)品。

1 煅燒回轉(zhuǎn)窯配風(fēng)系統(tǒng)概述

本文以煅燒焦炭展開分析，是將焦炭，在隔絕空氣的情況下進(jìn)行高溫加熱處理。炭素原料在煅燒的過程中產(chǎn)生了一系列的變化：排除原料中的揮發(fā)份，除去原料中的水分，加速硫份的脫除，達(dá)到體積收縮并穩(wěn)定。這樣，提高了原料的真密度、機(jī)械強度、導(dǎo)電性能及抗氧化性能[2]。

煅燒回轉(zhuǎn)窯配風(fēng)系統(tǒng)分為一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)。為原料煅燒提供空氣，回轉(zhuǎn)窯一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)作用不容小覷。

一次風(fēng)設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯窯頭處供應(yīng)用于燃料燃燒的空氣，使窯內(nèi)呈還原性或弱氧化氣氛，避免原料中的碳燃燒。通過控制窯頭用風(fēng)量，可靈活調(diào)節(jié)窯內(nèi)火焰形狀、火焰強度、窯皮狀況、煅燒質(zhì)量等，幫助燃料完成更為充分地燃燒和有效的傳遞熱量。

二次風(fēng)設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯的中后部，二次風(fēng)是碳素回轉(zhuǎn)窯常用熱工技術(shù)[3]。二次風(fēng)用于燃燒原料在煅燒過程中釋放出的有機(jī)揮發(fā)分，以提高窯內(nèi)溫度，并避免有機(jī)揮發(fā)分污染大氣；一方面減少窯頭一次風(fēng)量達(dá)到抑制氮氧化物產(chǎn)生的目的，同時在窯中部補充一定的空氣消耗剩余燃料。

三次風(fēng)設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯集灰室入口主要作用就是燒掉顆粒物和窯內(nèi)的CO，為回轉(zhuǎn)窯安全運行提供保障。

2 實驗內(nèi)容

裝置采用CH4含量95%以上的天然氣作為燃料，所以要保證CH4完全燃燒，且空氣不過量（因為空氣過量會帶走大量的熱）。即得出單位體積CH4需要2體積O2，換算成空氣為2×5=10體積（空氣中O2含量約21%）。因此CH4與空氣的體積比為1：10為理想配比。一次風(fēng)的配風(fēng)量可以根據(jù)上述內(nèi)容作為理論依據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

回轉(zhuǎn)窯的原料在煅燒過程中同樣需要氧氣，但是這部分的空氣量很難確定，主要受到以下幾個方面的影響：

1) 煅燒原料的影響，如石油焦、針狀焦、鐵礦石等原料上的差異；

2) 同種原料揮發(fā)分高低對需氧量的影響；

3) 原料粒度大小對需氧量的影響；

4) 原料水分及微量元素含量多少對需氧量的影響。

因此我們?nèi)绾握{(diào)整回轉(zhuǎn)窯二次風(fēng)量，可以通過以下實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和分析。

圖1 回轉(zhuǎn)窯配風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Air distribution system of rotary kiln

圖1 為一臺回轉(zhuǎn)窯設(shè)備，窯頭至窯尾設(shè)置了T1-T5共計5個熱電偶，分別測量回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各點溫度。由于窯內(nèi)環(huán)境影響因素較多，因此在燃料氣、下料量恒定不變的前提下，通過調(diào)整二次風(fēng)量來觀察回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各點溫度變化情況，如表1所示。

表1 調(diào)整二次風(fēng)量時窯內(nèi)各點溫度Table 1 Temperature of each point in kiln when adjusting secondary air volume

根據(jù)上述調(diào)整可以看出二次風(fēng)量由20%逐漸調(diào)整至40%。T1、T2影響不大，應(yīng)為T1、T2溫度點主要受一次風(fēng)影響，一次風(fēng)量已經(jīng)通過上文計算出理論配風(fēng)量。

T3、T4、T5受二次風(fēng)影響較大，溫度點T4曲線如圖2所示，根據(jù)曲線可以看到T4溫度點隨著二次風(fēng)量的提升溫度開始提升，這說明最初低風(fēng)量時，T4溫度點窯內(nèi)環(huán)境是缺氧狀態(tài)，物料缺氧無法完全燃燒，無法燒掉揮發(fā)分影響產(chǎn)品質(zhì)量同時產(chǎn)生CO，存在安全隱患。當(dāng)風(fēng)量提升至40%時，T4溫度下降，空氣量在T4點已經(jīng)過量（配風(fēng)空氣均為常溫）過量的冷空氣造成窯內(nèi)溫度下降。

圖2 不同二次風(fēng)開度下回轉(zhuǎn)窯T4溫度曲線Fig.2 Temperature curve of rotary kiln T4 under different secondary air opening

溫度點T5曲線如圖3所示，T5溫度隨著二次風(fēng)量的提升溫度開始提升，這也說明最初低風(fēng)量時，T5溫度點窯內(nèi)環(huán)境是缺氧狀態(tài)，物料缺氧無法完全燃燒，無法燒掉揮發(fā)分影響產(chǎn)品質(zhì)量同時產(chǎn)生CO，存在安全隱患。當(dāng)風(fēng)量提升至40%、50%時，T5溫度上升緩慢。

圖3 不同二次風(fēng)開度下回轉(zhuǎn)窯T5溫度曲線Fig.3 Temperature curve of rotary kiln T5 under different secondary air opening

三次風(fēng)量可以通過檢測口測量CO含量及粉塵量，通過調(diào)整三次風(fēng)量，可以有效降低排煙系統(tǒng)CO及粉塵含量，從而保證回轉(zhuǎn)窯安全運行。

綜上所述：

1）一次風(fēng)量需要了解燃料組分，分析其需氧量，得出相應(yīng)配風(fēng)量；

2）二次風(fēng)通過實驗綜合判定35%風(fēng)量為最佳，風(fēng)量低影響物料煅燒效果，風(fēng)量過高反而使窯內(nèi)溫度下降；

3）三次風(fēng)主要通過檢測設(shè)備判斷其需要補充的風(fēng)量。

3 結(jié)論

科學(xué)合理的優(yōu)化配風(fēng)不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、保障回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)安全運行，還能夠起到節(jié)能減排保護(hù)環(huán)境，得到實際經(jīng)濟(jì)效益，所以回轉(zhuǎn)窯配風(fēng)量的調(diào)整應(yīng)該引起回轉(zhuǎn)窯設(shè)備使用廠家的重視。本文回轉(zhuǎn)窯配風(fēng)的優(yōu)化，也可以應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)中。