碳素回转窑配风系统的优化及应用

王兵， 陈文文， 张雷， 张绍东

（1.鞍山开炭热能新材料有限公司，鞍山 114044；2.中钢集团鞍山热能研究院限公司，鞍山 114044）

0 前言

炭素产品是钢铁生产所需的重要耗材之一，近年来在钢铁行业快速发展的带动下，我国以石墨电极为主的炭素制品产能产量不断增长。炭和石墨材料是以碳元素为主的非金属固体材料。石墨电极类根据允许使用电流密度大小，可分为普通功率石墨电极。高功率电极、超高功率电极[1]。石墨电极以石油焦、针状焦为原料，而石油焦、针状焦是经煅烧而成的炭素产品。

1 煅烧回转窑配风系统概述

本文以煅烧焦炭展开分析，是将焦炭，在隔绝空气的情况下进行高温加热处理。炭素原料在煅烧的过程中产生了一系列的变化：排除原料中的挥发份，除去原料中的水分，加速硫份的脱除，达到体积收缩并稳定。这样，提高了原料的真密度、机械强度、导电性能及抗氧化性能[2]。

煅烧回转窑配风系统分为一次风、二次风、三次风。为原料煅烧提供空气，回转窑一次风机和二次风机作用不容小觑。

一次风设置在回转窑窑头处供应用于燃料燃烧的空气，使窑内呈还原性或弱氧化气氛，避免原料中的碳燃烧。通过控制窑头用风量，可灵活调节窑内火焰形状、火焰强度、窑皮状况、煅烧质量等，帮助燃料完成更为充分地燃烧和有效的传递热量。

二次风设置在回转窑的中后部，二次风是碳素回转窑常用热工技术[3]。二次风用于燃烧原料在煅烧过程中释放出的有机挥发分，以提高窑内温度，并避免有机挥发分污染大气；一方面减少窑头一次风量达到抑制氮氧化物产生的目的，同时在窑中部补充一定的空气消耗剩余燃料。

三次风设置在回转窑集灰室入口主要作用就是烧掉颗粒物和窑内的CO，为回转窑安全运行提供保障。

2 实验内容

装置采用CH4含量95%以上的天然气作为燃料，所以要保证CH4完全燃烧，且空气不过量（因为空气过量会带走大量的热）。即得出单位体积CH4需要2体积O2，换算成空气为2×5=10体积（空气中O2含量约21%）。因此CH4与空气的体积比为1：10为理想配比。一次风的配风量可以根据上述内容作为理论依据进行调整。

回转窑的原料在煅烧过程中同样需要氧气，但是这部分的空气量很难确定，主要受到以下几个方面的影响：

1) 煅烧原料的影响，如石油焦、针状焦、铁矿石等原料上的差异；

2) 同种原料挥发分高低对需氧量的影响；

3) 原料粒度大小对需氧量的影响；

4) 原料水分及微量元素含量多少对需氧量的影响。

因此我们如何调整回转窑二次风量，可以通过以下实验数据进行判断和分析。

图1 回转窑配风系统Fig.1 Air distribution system of rotary kiln

图1 为一台回转窑设备，窑头至窑尾设置了T1-T5共计5个热电偶，分别测量回转窑内各点温度。由于窑内环境影响因素较多，因此在燃料气、下料量恒定不变的前提下，通过调整二次风量来观察回转窑内各点温度变化情况，如表1所示。

表1 调整二次风量时窑内各点温度Table 1 Temperature of each point in kiln when adjusting secondary air volume

根据上述调整可以看出二次风量由20%逐渐调整至40%。T1、T2影响不大，应为T1、T2温度点主要受一次风影响，一次风量已经通过上文计算出理论配风量。

T3、T4、T5受二次风影响较大，温度点T4曲线如图2所示，根据曲线可以看到T4温度点随着二次风量的提升温度开始提升，这说明最初低风量时，T4温度点窑内环境是缺氧状态，物料缺氧无法完全燃烧，无法烧掉挥发分影响产品质量同时产生CO，存在安全隐患。当风量提升至40%时，T4温度下降，空气量在T4点已经过量（配风空气均为常温）过量的冷空气造成窑内温度下降。

图2 不同二次风开度下回转窑T4温度曲线Fig.2 Temperature curve of rotary kiln T4 under different secondary air opening

温度点T5曲线如图3所示，T5温度随着二次风量的提升温度开始提升，这也说明最初低风量时，T5温度点窑内环境是缺氧状态，物料缺氧无法完全燃烧，无法烧掉挥发分影响产品质量同时产生CO，存在安全隐患。当风量提升至40%、50%时，T5温度上升缓慢。

图3 不同二次风开度下回转窑T5温度曲线Fig.3 Temperature curve of rotary kiln T5 under different secondary air opening

三次风量可以通过检测口测量CO含量及粉尘量，通过调整三次风量，可以有效降低排烟系统CO及粉尘含量，从而保证回转窑安全运行。

综上所述：

1）一次风量需要了解燃料组分，分析其需氧量，得出相应配风量；

2）二次风通过实验综合判定35%风量为最佳，风量低影响物料煅烧效果，风量过高反而使窑内温度下降；

3）三次风主要通过检测设备判断其需要补充的风量。

3 结论

科学合理的优化配风不仅可以提高产品质量、保障回转窑系统安全运行，还能够起到节能减排保护环境，得到实际经济效益，所以回转窑配风量的调整应该引起回转窑设备使用厂家的重视。本文回转窑配风的优化，也可以应用到相关行业中。