摘 要:本文根据石油焦自发燃烧的特点,研发出顺流式高温炭素隧道窑,介绍了该窑炉设计、建造、安装、调试的经验。该工艺使用高温隧道窑煅烧石油焦,在烧制过程中,利用石油焦中的挥发份自燃,石油焦本身收缩再结焦,形成强度大、密度高、电阻率低、热导率好的优质锻后焦。
自上世纪五十年代以来,国内引进前苏联炭素行业用原料锻后焦加工(罐式煅烧炉)工艺,该工艺存在诸多落后因素,如锻后焦真密度低、电阻率大、能耗大、环境污染严重。因此,该制品不能用来制造高功率或超高功率的优质炭素制品。目前,我国优质锻后焦(针状焦)仍主要依赖进口,年进口量约50~60万吨,价格昂贵,为1300~1350美元/吨,严重制约了我国炭素行业的发展。
我公司与吉林炭素厂经过多年深入合作研究,所获得的锻后焦产品性能达到甚至超过国际指标(线 窑炉主要技术参数
顺流高温炭素隧道窑是一种持续工作的匣钵、明焰、快烧型窑炉,最高烧成温度达到1550°以上,专门用来焙烧无机非金属材料――炭素产品。这种产品在烧制过程中,石油焦本体挥发出可燃性气体(提炼液化气的主要成分,300~400°C开始逐渐挥发)并自燃;而且此产品的烧成工艺不同于一般硅酸盐产品,该产品在燃烧过程中处于放热状态,而且要求挥发份的自燃必须控制在设置烧嘴的位置燃烧,这样有助于按工艺技术要求升温,同时大大节约燃料,这就给窑炉的设计和建造带来非常大的难度。因此此隧道窑,预热带尽可能缩短,温度不能过高(但要保证在预热带末端即第一对烧嘴处挥发份大量出现),烧成带后段设有足够的燃尽时间(此段不设置烧嘴)。该窑炉大致参数如下:
烧成周期:28h左右(根据每次进来的化验焦子挥发分成分来改变窑车的行进时间);
整个隧道窑最重要的包含窑体结构、排烟系统、燃烧系统、燃料供应系统、窑前封闭气幕、喷射搅拌系统、冷却系统、窑车、车下冷却系统、热工测量和自动控制系统等,窑体图如图1所示。
窑体钢结构采用工字钢加固立柱,固定在窑炉混凝土基础上,立柱之间由拉杆进行松紧,使窑体不会产生太大的变形。窑长120m,分为预热带、烧成带、冷却带3部分;窑外有装车、卸车场所、检修坑道、托车道以及运输轨道。
本窑属于高温窑炉,最高烧成温度在1550°C以上。全窑属于负压烧成操作条件,窑炉压力控制在-8~-12Pa范围内。窑断面设计了三曲折密封结构,曲折密封间隙控制较小,有效地阻止了窑内火焰下窜;车下最低三层砖每隔一定距离留有与外界相通的通风孔,车下还设有车下风机,将车下的温度控制在100°C以内,确保了窑车的正常运行。
在不影响窑炉质量的情况下,从经济角度设计,本窑炉烧成带内衬选用了硅砖(XGB-96),向外依次是轻质莫来石隔热砖、多层纤维毯与高铝硬板、红砖以外墙保温涂料。
此顺流高温隧道窑采用拱顶结构,有助于大量挥发份燃烧,节约燃料成本。传统高温隧道窑在生产运行一段时间后,其烧成带两侧内墙因高温膨胀,会不同程度地向窑内凸出。为客服这一问题,本设计将烧成带的窑墙内衬耐火砖采用啮合结构,使几层内衬砖形成整体,使用结果证明,窑内无显著外凸现象。由于拱顶横向推力很大(经过计算,在1550℃时烧成带每隔2根立柱之间的横向推力达15t左右),本设计中,拱顶分多层结构,中间层使用轻质保温砖,在受热面重质砖拱形结构的撑托下,克服轻质砖不宜受高压力的缺点,同时发挥轻质砖保温效果好的优点,从而克服传统多层重质砖拱顶结构隔热能力差的现象。
窑墙的厚度是根据温度的高低和区间的长度来确定的,在预热与冷却带选用粘土砖和轻质保温砖,而在高温区还增加一些导热系数低的保温棉和板。使用结果为,在烧成高温区1550℃左右的区间内,窑墙外表面保温涂料的温度不大于60℃。
由于烧成产品的特殊性,挥发份燃烧的位置必须在设置烧嘴的位置,在自燃温度达不到设计的情况下,利用烧嘴辅助点火,使挥发份燃烧完全,来保证燃烧区长度的有效控制,使制品的比重≥2.14,电阻率
本顺流高温炭素隧道窑烧成带选用的硅砖(XGB-96),其线胀系数极大,砌筑时应留设多道膨胀缝;采用弓字形封闭式结构,上下砖层形成锁口,并用多晶棉填充,避免窑墙串火。
在窑头入口处,为减少冷风的吸入量,设置两道封闭气幕,从两侧窑墙和窑顶喷射空气,使窑道与外界冷空气隔离,大大减小预热带断面温差。
为了满足石油焦制品的升温要求,在预热带设置了搅拌风系统,搅拌风抽自窑尾排烟换热器换热风。本隧道窑采用集成使用一条搅拌风总管与助燃总管,不设置搅拌风机,为企业节约电能,同时简化实际调试步骤。搅拌风的设置使预热带的上下温差得有效的控制,为石油焦制品烧成工艺预热升温提供了保证。
本高温顺流隧道窑的排烟系统的设计,不同于以往的窑头预热带排烟结构,此排烟系统设置于急冷与快冷之间,开设多处抽口,采用以分散排烟的方式至总管汇总,烟气经过换热器换热后的热空气作为窑前预热搅拌风与助燃风,同时分设分管至干燥窑干燥焦子。此排烟系统真正的完成了热能的梯级利用。
窑车钢架是用型钢制作加工而成的,车轮采用浇钢件ZG-45,窑车轴承采用耐高温轴承,最高温度可达到200℃,采用石墨剂。
根据制品的装载要求和窑车衬材耐火材料的常规使用的寿命要求,车面选用重质大块碳化硅砖,碳化硅的耐火度高达2500℃,抗热震效果好,并与装载制品的匣钵为同种材质,避免在高温下两种不一样的材质发生化学反应,大幅度的提升了窑车的使用安全性。窑车其它耐火材料层至上往下为:
第一层车面砖采用干砌,干砌的优点是大幅度减少了窑车的检修次数,延长了窑车的常规使用的寿命;第二层砖选用耐火度高的特级高铝砖;第三、四层窑车外沿曲封选用强度比较高而且耐高温的刚玉莫来石砖(GMS-2.85),中间选用普通轻质莫来石砖;第五、六层曲封选用强度高的N-2a重质粘土砖,中间用轻质保温砖以减轻重量。最下面一层选用保温效果好的轻质浇注料,强度高、整体性能好,有效阻止热气流下窜,不易变形开裂,而且在实际砌筑过程中能有效调整好曲封的位置。
本高温顺流隧道窑设计使用的燃料为液化石油气,热值为22000kcal/m3 。液化石油气是热值最高的气体燃料,纯净、压力高,特别适合于高温烧成,理论计算燃烧温度可达到1650°C(隧道窑的高温系数η值取0.81计算)。
液化石油气的理论空气量大,约为24~30Nm3/ Nm3,因此,对使用烧嘴的混气性能要求比较高,也就是说,必须将1Nm3液化石油气与24~30 Nm3的空气充分混合,才能燃烧完全。
本设计选用中高速液化气烧嘴,液化气与助燃风压力在高速烧嘴处几乎差不多(大于1500Pa),烧嘴采用热风助燃,虽然喷嘴能力会降低,但能节约液化气,提高烧成周期。
为了减少能耗,助燃风采用热风助燃。本设计的热风采用急冷处的热风,进入烧嘴处的热风温度有100℃左右,这样做才能够节省燃气,有利于快烧。
由于焙烧石油焦制品的特殊性,高温烧成时间相对来说比较长,因而本设计高温窑段占窑体总长度的比例大。但由于石油焦在正常的生产的全部过程中,靠自身的可燃挥发份自发燃烧,因此窑炉布置的烧嘴数量相对较少。在挥发份满足烧成的条件下,可以切断外界的燃料供应,只需往窑内供应助燃风,这就大幅度减少了燃料成本。由于烧成带比例长,烧嘴分布稀,且窑道也比较宽,因此烧嘴选用专用液化气的高速调温烧嘴(采用碳化硅套筒),有助于窑体的烘烤。通过改变点燃的烧嘴数量和部位来满足多种部位的烧成温度,以适应不一样产地的焦子产品焙烧工艺技术要求,具有更大的烧成工艺适应性和灵活性。
每支烧嘴都配备电磁阀和自动点火器,实现了连锁控制装置,为操作带来了方便。
燃烧系统的助燃风抽至冷却带的热风,热风温度为250～300℃。根据燃烧试验:助燃风每提高200℃,可提高理论燃烧温度80～100℃。本燃烧系统的调试灵活,而石油焦制品中的可燃挥发分的比例为8%～18%,因此在每次进焦过程中都一定要进行化验来确定石油焦的挥发份。挥发份含量不同,燃料的供应也随之做出改变,需据此确定窑车的行进时间,以控制烧成质量。
因烧成后的产品密度大(线左右),装载的碳化硅匣钵导热系数大,所以热容量很大。产品冷却速度缓慢,因此窑的冷却阶段相比普通工业窑炉窑长。为了快速实现产品的冷却,便于出窑后的卸载,在冷却带设置了急冷区、热风抽出区和窑尾快速冷却区三个区域。
在急冷区间设置多个冷风喷口。冷却匣钵后的热风大部分输送到烧成带助燃,剩余的热风随抽热风口抽出,用于旋风筒干燥。在热风抽出区,设有2台高功率抽热风机,抽出的热风用于干燥旋风筒。
窑尾直接冷却区,设有2台大流量的离心式风机,从窑尾直接把冷风吹入窑内,经与匣钵换热抽出。在窑尾处设置一台备用抽热风机(一是因为石油焦的挥发份含量在8%~18%,防止前面抽热风机抽力不够,用于备用;二是这部分为干净热风,可用于助燃或者余热利用);在窑炉最末端还安装有2台轴流风扇,用于直接冷却产品,热风从窑顶风罩排空。
由于本窑炉为高温烧成,而且此炭素产品烧成更不同于以往陶瓷产品,在烧成带将有8%～18%的挥发份燃烧,因此烧成带的压力大于窑车下的压力,火焰容易往下窜,易造成车下温度过高。未解决车下温度过高的问题,必须建立车下压力制度,使窑内和车下压力平衡。设计时我们采用多种手段,以便调节灵活,使窑内和车下压力制度得到平衡。在烧成带和冷却带下部设置吹风管,以便向车下吹冷空气,窑下方每隔200mm距离留设一个3层砖厚的热风出气口,以保证压力平衡(此处可优先考虑将热风机集中抽出,用于余热利用,提高窑炉整体热利用效率)。
(1) 温度测量:在窑体的顶部安装T1～T21与窑底车下风温度1测点共22支热电偶,并在仪表控制室内安装了数显仪表。
(2) 排烟(抽热)风机、助燃风机、间壁抽热急冷热风机和换热器在现场都安装双金属温度计显示温度,以便检测温度是不是正常,同时起到保护风机的作用。
(3) 压力测量:液化气进口压力、出口压力、助燃风压力、排烟(抽热)压力、助燃风机压力与排烟压力分别与风机连锁控制;液化气总成压力现场显示;总成上下限压力参与报警。
(4) 如果油压机推车压力显示超压,报警装置启动,并自动停泵,油压机本体设计一套联锁装置。
(5) 排烟风机、助燃风机、急冷风机、车下风机和排烟(抽热)通过变频器控制,同时控制窑内各部位压力,既省电又可稳定风压。
(6) 液化石油气管路采取保护的方法。为了能够更好的保证供气安全,在供气主管上设有电磁总阀,在各个烧嘴处也设有电磁阀。当系统停电时,电磁总阀自动切断气路,防止液化气进入窑内,当助燃风机系统发生故障时,报警器发出报警信号,同时也切断了电磁总阀,确保整个窑炉的安全运行。
(7) 在窑顶气路末端,还安装了电闭式安全放散阀,当停电时自动打开,将管道内剩余液化石油气放散到大气中,使管道不形成密闭的容器,防止爆炸。
本文所设计和建造的1550°C节能高温顺流炭素隧道窑已经投产,填补了我国高温焙烧非金属材料――高密度炭素产品的空白。
“高温隧道窑煅烧高品位石油焦工艺”在国内属于首创,采用这种工艺,含碳量70%～80%的石油焦在100多米长隧道窑内高温煅烧后,变成银灰色、有金属光泽的高品位石油焦。经我国炭素行业产品权威检验测试机构检测,产品主要技术指标处于国内同行业领先水平,几个关键指标超过进口产品。
