張紅亮，任 偉

（山西亮宇炭素有限公司鋁用炭素工程技術(shù)中心，山西 晉中 030600）

1 低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)概述

炭素生制品的焙燒過程實質(zhì)上就是粘結(jié)劑的焦化過程，是炭素制品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。炭素生制品通常是在隔絕空氣的條件下按照一定的升溫速度進(jìn)行間接加熱，在升溫的過程中使生制品內(nèi)部的粘結(jié)劑發(fā)生分解、聚合、焦化反應(yīng)，在原有的顆粒、炭粉之間形成新的焦化網(wǎng)絡(luò)，使焙燒制品的物理、化學(xué)性能發(fā)生一系列的變化。

新近研發(fā)的低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)對炭素生制品的焙燒控制是從低溫預(yù)熱階段開始，直到高溫焙燒結(jié)束，實施的是全過程的溫度管控和煙氣氮氧化物排放控制。新型控制系統(tǒng)能夠克服現(xiàn)用系統(tǒng)的弊端，焙燒制品的性能指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)均優(yōu)于原有系統(tǒng)，其控制過程主要分為三個階段。

低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)主要包括：低溫燃控裝置（低溫燃燒架）、中溫燃控裝置（中溫燃燒架）、高溫燃控裝置（高溫燃燒架）、排煙裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及中控操作站等設(shè)備設(shè)施。整個燃控系統(tǒng)共分為兩個火焰系統(tǒng)，每個火焰系統(tǒng)可下掛8-13個爐室的燃燒架以及排煙架。在控制室設(shè)置的系統(tǒng)操作站可對整個焙燒爐面燃控設(shè)備實施監(jiān)控和管理。按照焙燒溫度制度的要求，燃控系統(tǒng)將整個升溫控制過程分三個階段，第一階段是低溫預(yù)熱溫度控制，第二階段是中溫加熱溫度控制，第三階段是高溫?zé)Y(jié)溫度控制。制品在不同的溫度階段，控制策略不同，硬件配置也不同，實施差異化燃控策略，對焙燒爐溫度制度進(jìn)行貫徹，精準(zhǔn)執(zhí)行。炭素陰極焙燒爐燃控裝置配置示意圖見圖8。

1.1 低溫預(yù)熱階段的燃控策略

低溫預(yù)熱階段，火道溫度控制在＜350℃。在這個階段制品粘結(jié)劑幾乎沒有揮發(fā)份溢出，其理化特性也沒有大的變化，只是粘結(jié)劑軟化，并在重力和表面張力的作用下有橫向和縱向遷移的趨勢，但如果制品溫度控制不好，粘結(jié)劑的遷移期過長，就會造成粘結(jié)劑的大量遷移，焙燒后的制品焦化網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重缺陷，空頭大量產(chǎn)生，影響制品質(zhì)量。所以，該階段焙燒控制的主要任務(wù)是提高升溫速度，讓粘結(jié)劑遷移期盡早結(jié)束，防止空頭的過量產(chǎn)生。

目前，國內(nèi)對低溫預(yù)熱階段的溫度是通過排煙架的煙氣擋板來間接調(diào)節(jié)，控制效果不理想，并且，直接影響到上游火道的溫度控制，給控制系統(tǒng)帶來強(qiáng)烈的干擾，火道溫度波動大，對溫度制度的執(zhí)行帶來困難。

新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)采用低溫快燃技術(shù)，較好地解決了安全和快速升溫之間的矛盾，利用高速自動燒嘴可迅速提升功率的特點，使低溫預(yù)熱階段的火道溫度可控可調(diào)快速提升，自動點火，熄火自動切斷燃?xì)?，并報警，具備良好的安全性能?/p>

1.2 中溫加熱階段燃控策略

該階段火道溫度控制在350～650℃，這個階段也是粘結(jié)劑析出焦化的關(guān)鍵階段，系統(tǒng)控制的升溫速度慢，這將有利于制品內(nèi)部粘結(jié)劑焦化網(wǎng)絡(luò)的形成和鞏固?；鸬罍囟葟?50℃到650℃期間，粘結(jié)劑揮發(fā)分大量排出，在這個階段如果升溫速度過快，會造成揮發(fā)份驟然急劇溢出，產(chǎn)生裂紋，造成制品結(jié)構(gòu)疏松、氣孔率增加、體積密度降低。

另外，在此階段，由于煙氣溫度較低，燃?xì)鉄o法自行燃燒，一旦熄火，火道溫度不升反降，煙氣中攜帶燃料影響到下游設(shè)備和爐室的安全運行。

新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)在在這一階段采用自動燃燒器，自動點火，熄火自動切斷燃?xì)獾热紵刂萍夹g(shù)，調(diào)火控溫，降低升溫速率，防止揮發(fā)份大量溢出，讓揮發(fā)份有序燃燒，避免了在焦油揮發(fā)期間，火道溫度大幅波動對制品質(zhì)量的影響，并且具備良好的安全性能。

1.3 高溫?zé)Y(jié)階段的燃控策略

當(dāng)制品焙燒到850℃時，粘結(jié)劑的焦化作用已經(jīng)基本完成，但是為了使焦化過程更加完善，進(jìn)一步提高制品的各項物理化學(xué)性能，還需要將火道溫度提高到1200℃左右。此階段升溫速度加快，并且在最高溫度下保溫,以減少制品在焙燒質(zhì)量上的差異。

在此階段，新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)采用高溫機(jī)械燒嘴高速噴射燃?xì)猓L火焰進(jìn)行調(diào)火控溫，完成制品焙燒。

1.4 火道負(fù)壓控制策略

焙燒爐的燃燒控制要充分利用冷卻爐室殘余的固體蓄熱，一方面可以對焙燒制品進(jìn)行降溫，另一方面也可以對助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，降低燃?xì)庀暮瓦\行成本。對火道負(fù)壓實施控制有助于穩(wěn)定燃燒工況，避免過氧燃燒浪費燃?xì)?，同時也可以保證揮發(fā)份的有序燃燒，改變通過調(diào)節(jié)負(fù)壓控制預(yù)熱爐室的溫度的傳統(tǒng)做法，穩(wěn)定上游爐室的燃燒工況，這對焙燒爐實施溫度精確控制奠定了基礎(chǔ)。

1.5 排放煙氣氮氧化物含量控制

采用選擇性非催化還原方法脫硝，并根據(jù)排放煙氣中氮氧化物的指標(biāo)適當(dāng)調(diào)整還原劑的供給量來控制。

2 燃控裝置的配置及原理

隨著炭素行業(yè)下游企業(yè)冶煉技術(shù)的提升，原有的炭素焙燒爐燃控設(shè)備的配置和硬件設(shè)施越來越難以適應(yīng)客戶對炭素制品質(zhì)量的要求，目前，國內(nèi)炭素焙燒爐的裝爐量越來越大，傳統(tǒng)的燃控設(shè)備的局限性也顯得越發(fā)突出。制品低溫預(yù)熱階段要求快速升溫，傳統(tǒng)的燃控系統(tǒng)處于安全考慮沒有配備燃控設(shè)備；中溫加熱爐室由于燃?xì)庀ɑ馃o法檢測，安全隱患大，溫度控制方式簡單粗放，難以滿足慢升溫的控制要求；高溫?zé)Y(jié)階段串火、返火現(xiàn)象時有發(fā)生，這些問題的存在，迫切需要對傳統(tǒng)燃控設(shè)備進(jìn)行性能提升以滿足使用要求。

因此，根據(jù)敞式焙燒爐火道溫度和負(fù)壓分布情況（圖2），以及制品各階段燃控特點和火道的燃燒工況，配置燃控設(shè)備，重新布局才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的炭素制品。

圖2 炭素陰極焙燒爐火道溫度及煙氣負(fù)壓運行模型

2.1 制品低溫預(yù)熱階段設(shè)備配置及控制原理

制品在這一階段實施帶火焙燒，以彌補(bǔ)預(yù)熱爐室熱量的不足，能迅速提升火道溫度，

實現(xiàn)制品預(yù)熱階段快速升溫的目的。

在該階段燃控設(shè)備配備有低溫燃燒架（圖3），架上裝備（圖4）有：高速自動燒嘴、空燃比例機(jī)構(gòu)、測溫元件和控制柜，可實現(xiàn)現(xiàn)場自動控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理。

圖3 低溫燃燒架結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 低溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

該階段的溫度控制是以預(yù)熱階段曲線溫度作為溫度控制的目標(biāo)并和火道當(dāng)前實測溫度比較，實施算法控制，天然氣和空氣按一定比例混合，確保自動點火和持續(xù)燃燒，火焰熄滅自動檢測報警，并再次點火，點火失敗后自動切斷燃?xì)猓乐固烊粴庑孤┮l(fā)安全事故?？刂圃硪妶D5。

圖5 低溫燃燒架燃燒控制原理圖

2.2 制品中溫加熱階段設(shè)備配置及控制原理

制品在這一階段實施自動點火焙燒，避免操作人員頻繁操作和燃燒器熄火給焙燒爐和凈化系統(tǒng)帶來安全隱患。在該階段燃控系統(tǒng)小火焙燒，緩慢升溫，提高制品粘結(jié)劑的成焦率。

在該階段燃控設(shè)備（圖6）配備有中溫燃燒架，架上裝備有燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、自動燒嘴、測溫元件和控制柜（圖7），可實現(xiàn)現(xiàn)場自動控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理。

圖6 中溫燃燒架結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 中溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

該階段的溫度控制是以中溫加熱階段曲線溫度作為溫度控制的目標(biāo)并和火道當(dāng)前實測溫度比較，實施算法控制、自動點火、火焰檢測、安全聯(lián)鎖和熄火報警等功能，避免火道串火、串氣和溫度失控等現(xiàn)象的發(fā)生，讓揮發(fā)份有序釋放，緩慢燃燒?？刂圃硪妶D8。

圖8 中溫燃燒架燃燒控制原理圖

2.3 制品高溫?zé)Y(jié)階段設(shè)備配置及控制原理

制品在高溫?zé)Y(jié)階段，按照焙燒溫度制度的要求，升溫速度加快，并在高溫狀態(tài)下保溫，消除制品內(nèi)外溫差。但是該階段制品所在爐室處于火焰系統(tǒng)的末端，火道負(fù)壓低，特別是在火焰系統(tǒng)中存在失修爐室，會出現(xiàn)燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定、串火、返火等現(xiàn)象，造成該階段升溫速度慢，影響下游燃控裝置的溫度控制。

在該階段燃控設(shè)備（圖9）配備有高溫燃燒架，架上裝備有：燃?xì)忾y、高溫?zé)?、測溫元件和控制柜（圖10），可實現(xiàn)現(xiàn)場自動控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理?？刂圃硪妶D11。

圖1 炭素陰極焙燒爐燃控裝置配置示意圖

圖9 高溫燃燒架結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 高溫燃燒架燃燒控制硬件配置示意圖

圖11 高溫燃燒架燃燒控制原理圖

該階段燃控系統(tǒng)的控制策略是：

2.4 排煙裝置

排煙架（圖12）的功能是調(diào)節(jié)各火道負(fù)壓，確保燃料，包括揮發(fā)份能夠在火道中有充足的氧氣燃燒，讓焙燒尾氣經(jīng)排煙架排出至凈化系統(tǒng)。

圖12 排煙架結(jié)構(gòu)示意圖

架上配備有電動煙氣負(fù)壓調(diào)整擋板、負(fù)壓變送器、測溫元件和控制柜，可實現(xiàn)現(xiàn)場自動控制、安全聯(lián)鎖和遠(yuǎn)程管理(圖13)。

圖13 排煙架燃燒控制硬件配置示意圖

新型低溫帶火焙燒燃控系統(tǒng)負(fù)壓控制的目的是：建立火焰系統(tǒng)穩(wěn)定的燃燒控制環(huán)境，確保制品在中溫階段溫度控制精準(zhǔn)、燃?xì)馊紵浞郑苊饣鸬姥鹾窟^高，浪費燃?xì)狻?/p>

具體實施時可根據(jù)煙氣中含氧量的富裕程度確定火焰系統(tǒng)的負(fù)壓基準(zhǔn)，并實施控制。控制原理見圖14。

圖14 排煙架燃燒控制原理圖

2.5 SNCR脫硝及煙氣阻火裝置

SNCR架是還原劑定量投放架(圖15)，操作人員可根據(jù)排放煙氣中氮氧化物的含量設(shè)定排放速度,控制其指標(biāo)排放?？刂圃硪妶D16。

圖15 SNCR架結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 SNCR架電氣控制配置示意圖

另外，為了防止凈化系統(tǒng)煙道著火，在焙燒爐出口煙道上安裝高壓噴淋裝置，噴霧阻火。設(shè)備配置見圖17。

圖17 排煙脫硝阻火裝置示意圖

3 控制室操作控制站

控制室操作站(圖18)PC通過交換機(jī)和現(xiàn)場各類燃燒架和排煙架通訊，采集各火焰系統(tǒng)的參數(shù)，對炭素制品焙燒過程進(jìn)行管理和控制。

圖18 中控室操作控制站示意圖

控制室操作站(圖19)具備以下功能：⑴ 顯示PC和現(xiàn)場各燃燒架和排煙架的通訊狀態(tài)；⑵ 允許操作人員修改或繪制焙燒曲線；⑶ 操作界面通過形象化的圖表顯示各爐室火道溫度、煙氣負(fù)壓等參數(shù)，通過文字和圖形對燃燒狀態(tài)預(yù)警，可對控制參數(shù)設(shè)定值進(jìn)行修改；⑷ 故障監(jiān)測與報警信息跟蹤記錄。

圖19 炭素陰極焙燒燃控系統(tǒng)示意圖

控制室操作站上可繪制5條焙燒標(biāo)準(zhǔn)曲線，并可通過網(wǎng)絡(luò)下載到各燃燒架和排煙架的PLC中，供選擇調(diào)用。標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制操作見圖20。

圖20 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制操作界面示意圖

控制室操作站上的操作界面，按火焰系統(tǒng)分別顯示，可在一幅畫面上顯示各火道溫度負(fù)壓以及爐號、工作狀態(tài)，燃燒器熄火點火，溫度傳感器是否損壞等報警信息。操作站的操作界面見圖21。

圖21 操作站操作界面示意圖