新型爐面節能接口組件在炭素焙燒爐上的應用

張恒海¹ 施國榮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，浙江321103；
3.撫順鋁業，撫順1130017；4.貴陽鋁鎂設計院，貴陽550000）

摘要：論述了研究開發新型炭素焙燒爐爐面接口組件的必要性和重要意義，通過對傳統組件材質和結構的改進，達到爐面節能降耗的目的。應用結果顯示新型組件較之傳統組件，車間環境溫度平均下降9℃，燃燒器底座溫度平均下降191℃，減少CO2排放12㎏/T炭素，年節約爐面輔助設備約34.73%，減輕勞動強度38.71%，節約鋼材90.86%，取得了明顯的經濟效益。
關鍵詞：焙燒爐爐面設備；研發；應用；節能降耗；經濟效益

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.

      隨著我國電解鋁工業的發展，鋁用炭素是電解鋁生產中不可缺少的生產環節。但是，鋁用炭素是高能耗行業，因此，生產中必須以提高資源利用率和節能降耗為重點，以促進企業的可持續性發展。上海恒洋儀表科技有限公司致力于碳素焙燒爐爐面設備的研發，為實現爐面接口及輔助設備有效保持爐溫、減少熱損失、降低爐面溫度、延長輔助設備使用壽命、改善工作環境、減輕員工勞動強度為目標，成功研制了“新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件”。經撫順鋁業、浙江華東鋁業、青海橋頭鋁業、內蒙古霍煤通順炭素等四家企業應用后,對比傳統爐面組件，環境溫度平均下降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，年節約爐面輔助設備約34.73%，減輕勞動強度38.71%，節約鋼材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 節能降耗勢在必行
      國內外通常使用的炭素焙燒爐有兩種形式，即敞開式環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，我國鋁用炭素陽極焙燒均采用敞開式環式焙燒爐，生產實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）。當前國際上有些發達國家的先進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）的條件下，燃料消耗可以降到1.8-1.9GJ/T陽極，比我國平均水平減少了約15-30kg/T的重油。因此，降低鋁用炭素陽極焙燒爐的燃料消耗，一直是炭素行業長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的重大意義
多年來，國內外在炭素焙燒爐節能降耗方面，針對爐體結構、焙燒工藝和燃料燃燒等進行了大量的研究工作，尚沒有注意到焙燒爐的輔助設備對能耗的影響。目前，我國絕大多數炭素企業使用的焙燒爐是上世紀九十年代末開發的，爐面配置的輔助設備沿用了傳統的鑄鐵圈/鑄鐵蓋/鐵皮蓋、重油燃燒器座、氣體燃燒器、熱電偶架、測溫測壓架和測負壓架，而材質均為普通鑄鐵和普通鋼材，設備笨重簡陋，而且功能是配合測溫儀表、測壓儀表和控制系統來完成對爐溫和能源輸入的測量控制。由于焙燒爐與爐面輔助設備接口直徑過大，導致爐面溫度高，損失了大量的熱能，增加了燃料消耗；同時，由于輔助設備結構和材質有較大的缺陷，致使產品使用壽命短且操作勞動強度大。因此，必須研發一組新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件，解決上述存在的各種缺陷，提高企業的經濟效益和社會效益。
      

      2  新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件的組成及效果對比
      2.1 新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件的組成
新型炭素焙燒爐爐面接口測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、新型測溫測壓探頭、新型負壓探頭組成。該組件實現了：
      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，爐面溫度及環境溫度相應降低；
      2\變徑蓋的配套底座直接鑲嵌于爐面接口內壁，增加了爐面輔助器件與爐面接口處的密封性，保證負壓操作，穩定爐況；
      3\組件中各工件結構及材質的優化，耐火澆注料材質的變徑爐蓋和配套座、平口塞代替了傳統的鑄鐵組件，明顯降低了重量，使用壽命和性價比得到提高，勞動強度相應減輕。
      2.2 新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件與傳統組件的效果對比
新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件經現場使用后，與傳統組件形成明顯對比，取得了上述效果，如圖1—8所示。

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

      2.3 國內外相關研究的狀況
根據上?？茖W技術情報研究所提供的《科技查新報告》（20080867號）證實：該項目通過數段圓柱體疊加狀的變徑蓋，將傳統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、新型測溫測壓架、新型氣體燃燒器、新型重油燃燒器、新型負壓探頭，實現焙燒爐的測控，并降低生產炭素的能耗，未見過國內外相同文獻報道。

      3 新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件應用測試數據和結論
      2008年6月撫順鋁業對新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件在環境溫度、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，進行了應用測試。
      3.1 爐面環境和表面溫度的測試點
      圖9：在3個加熱架（HR1、HR2、HR3）上的第4、5、6火道選取9個環境溫度檢測點、9個燃燒器底座表面溫度點、9個熱電偶支架表面溫度點；3個壓力支架表面溫度點（如圖10），分別采用煤油溫度計、普通水銀溫度計、接觸式溫度儀，每4小時記錄一次。
 

               圖9 環境溫度檢測示意圖                                    圖10 表面溫度檢測示意圖

      3.1.1 爐面環境溫度測試
      選取6號爐室第4、5、6火道距爐面300mm，采用煤油溫度計懸掛測量爐面環境溫度。如圖11。經過測量對比，爐面環境溫度從56℃下降到47℃，平均下降9℃；職工在爐面作業，能明顯感覺到溫度的變化，作業環境得到了改善。
 

      3.1.2 燃燒器底座表面溫度測試
      選取7號爐室第4、5、6火道上的燃燒器底座表面，采用表面溫度計接觸測量從4P到6P96小時的溫度。如圖12。經測量對比，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℃，燃燒器底座經常呈紅熱狀態的現象消失。
 

      3.1.3 熱電偶支架表面溫度測試
      選取7號爐室第4、5、6火道熱電偶支架，采用表面溫度計接觸測量從4P到6P共96小時的溫度。如圖13。經過對比分析，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試
選取7號爐室第4、5、6火道新舊爐蓋，采用表面溫度計接觸測量從4P到6P共96小時的溫度。如圖14。經對比，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 能耗測試
      3.2.1 重油消耗測試
      測試采用重油流量計，進行傳統組件和新型組件重油消耗記錄，如圖15。經過（新舊）兩個焙燒周期測試，采用新型組件后節油效果顯著，重油單耗由76.83kg/T下降到73.8kg/T，節約重油3.03kg/T；測試單位年產炭素60000T、可節約重油181.8T，按重油4500元/T計算，節約資金81.81萬元；按每千克重油燃燒所產生的CO2量為4kg計算，年減少CO2排放727.2T。
 

      3.2.2 金屬材料消耗對比
      以年產6萬噸炭素所需輔助設備為計算標準，需爐面接口設備1260套、重油燃燒器108個、熱電偶支架54個、測溫測壓探頭（架）18個、負壓探頭（架）18個。金屬材料消耗對比見表1。結論：采用新型組件后金屬材料大幅節約，所用金屬材料由31412.16kg減少到2871kg，可節約金屬材料28.54T/年，爐面設備操作重量由31412.16kg減輕到19251kg，勞動強度減輕38.71%。

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

      4結語
      通過實踐證明，我國自主研發的新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件，實現了焙燒爐節能降耗、改善職工作業環境的目標。以2007年我國炭素產量700萬噸計算，如果全部采用新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件，那么全行業年可節約重油2.1萬噸，年節約爐面輔助設備2230多萬元，年減少CO2排放8.4萬噸以上，年節約金屬材料3320多萬噸，生產車間工作環境將會得到明顯改善，勞動強度也將會明顯降低，為降低炭素生產成本、節能降耗、改善勞動強度及工作環境做出了重要的貢獻，經濟效益和社會效益顯著，具有很好的推廣前景。

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圖15  使用新型炭素焙燒爐爐面接口測控組件前后重油消耗對比
 

圖14  采用新型變徑蓋前后表面溫度對比
 

圖13  熱電偶支架表面溫度對比

圖12  燃燒器底座表面溫度對比

圖11  環境溫度對比

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

圖3  傳統爐面接口（左）與新型炭素焙燒爐爐面接口（右）的實際效果對比  
圖4  傳統重油燃燒器（左）與新型重油燃燒器（右）的實際效果對比圖 
圖5  傳統氣體燃燒器（左）與新型氣體燃燒器（右）的實際效果對比圖

圖6  傳統熱電偶支架（左）與新型熱電偶（右）之間的實際效果對比圖
  
圖7  傳統測溫測壓探頭（左）與新型測溫測壓探頭（右）的實際效果對比圖
   
圖8  傳統負壓探頭（左）與新型負壓探頭（右）的實際效果對比圖