罐式煅烧炉几个主要问题的探讨及改进*

李自田，李春民，王丹丹，字茂刚，段 斌，吴建茂，李春文

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

在我国生产大型炭素制品的工厂中用于原料煅烧的设备，除了因制品对煅后焦质量有特殊要求而采取高电耗的电气煅烧炉外，一般采用回转窑和罐式煅烧炉[1]。回转窑的优点主要为：产量大、自动化程度高、结构简单、维修方便等；罐式炉的优点主要为：煅烧质量稳定、原料炭质烧损小、产品纯度好、热利用率高等。近年来，随着原料价格的上涨，铝电解对炭素制品质量要求的提高，罐式煅烧炉得到了广泛应用，回转窑逐步被取代。然而，罐式煅烧炉受设计人员、原料石油焦性能、炉型结构选择等因素影响，各生产企业的实际生产操作控制技术差异较大，生产过程中出现的系列问题也不尽相同，需要根据各自碰到的具体问题制定具体的措施加以验证和解决。本文针对云南某公司罐式煅烧炉日常运行过程中遇到的几个突出问题进行探讨，并提出了相应的改进措施。

1 烟气无组织排放

1.1 问题的提出

某公司罐式煅烧炉冷却炉底的预热空气设计经6层火道位置排出炉墙直接进入厂房，由于烘炉或煅烧过程中炉体存在收缩膨胀，炉墙内部产生裂纹，火道内未完全燃烧的烟气进入预热空气道，随预热空气排出炉墙外，导致厂房内青烟四处飘散，烟气温度达160℃以上，且烟气中含有硫化氢气体，严重影响调温操作人员的身体健康。

1.2 方案的实施

利用原有系统作为改造对象，对原系统预热空气管进行改造。该新增预热空气管为方管，管口长120 mm，宽120 mm，在原有预热空气排放管上部开孔（120×120）mm，将新增预热空气管一端焊接至预热空气排放管开口部位，另一端焊接至原有的空气调节阀框架上，同时在原系统预热空气排放口处焊接排放管调节阀（200×150）mm。使用预热空气时打开控制预热空气量大小的空气调节阀，关闭排放管调节阀，则预热空气停止外排，进入二层火道与挥发分混合燃烧，同时，可根据挥发分的多少，调整空气调节阀开度使预热空气量与之相匹配（见图1）。

图1 预热空气改造利用Fig.1 Transformation and utilization of preheated air

2 首二层火道温度提升困难

2.1 问题的提出

某公司罐式煅烧炉设计采用大八层火道煅烧，火道尺寸高615 mm（其他罐式炉厂家多为小八层，火道尺寸高479 mm），在首层火道入口，挥发分与冷空气容易出现分层，两者未能充分混合燃烧，火焰容易沿着火道顶部流窜，煅烧带下移，导致首二层温度偏低，八层温度偏高的现象发生。

表1 罐式煅烧炉结构尺寸对比Tab.1 Comparison on structure and size of pot calciner mm

2.2 方案的实施

1）利用原有系统作为改造对象，对原系统预热空气管进行改造，将原先设计外排的预热空气经四（层）进二（层）空气道引入二层火道，促使首层未完全燃烧的挥发分在二层头部与预热空气混合迅速燃烧，从而达到提升首二层火道温度，降低八层温度的目的；

2）首层火道变径口位置增设高度约40 mm，宽度100 mm的挡砖，冷空气经首层冷风门进入火道后，处于下部的空气被增设的挡砖阻挡向上抬升，正好与自下火口涌入的挥发分充分混合燃烧，从而提升首二层火道温度。

3 石油焦煅烧脱硫率高

3.1 问题的提出

某厂罐式煅烧炉由于采用大八层火道设计，火道内烟气流速较慢，层间压差及温差较小，致使煅烧带过长，且相同的排料量，物料在料罐内的停留煅烧时间较其他厂家多10 h以上，存在物料“过烧”、脱硫率偏高、硅砖存在氧化腐蚀等现象。

3.2 方案的实施

1）在高温下，石油焦中的硫与硅砖中的SiO2反应生产SiS2，对硅砖造成侵蚀，侵蚀熔融的SiS2流入火道后与氧气反应又生成SiO2，在正常生产过程中会发现烟囱、余热锅炉排管中出现白色的粉末状物质，而且火道内有珊瑚状白色固体物质，主要成分SiO2[2]。随着石油焦硫含量的上升，石油焦煅烧脱硫率越高。因此，尽量选择低硫焦产地作为石油焦供应厂家，对进厂原料实行预均化，将煅前混合石油焦中的硫份含量控制在1.5%以下，有助于延长和保证煅烧炉寿命[3]；

2）物料温度越高，停留时间越长，那么石油焦脱硫率就会越高。罐式炉物料的煅烧分为预热带、煅烧带、冷却带，在实际生产过程中必须确保各温度带的工艺温度在合理范围内。某公司罐式炉存在煅烧带过长、冷却带过短的情况。针对这一现象，采取将三层火道尾部观火孔改造为可调节的冷风门，通过补入适量的冷空气，逐步降低（4～8）层火道温度的方式进行控制。

4 罐式炉放炮

4.1 问题的提出

“放炮”是罐式煅烧炉比较常见的问题之一，某厂4×72大八层火道罐式煅烧炉于2020年4月全线投产，排料量由60 kg/h逐步向设计产能100 kg/h逐渐增加，此时碎料机下沿集料斗出口处频繁“放炮”（罐式煅烧炉结构原理及“放炮”位置见图2），有时一天“放炮”的次数多达数十次，给岗位职工造成严重心理负担，“放炮”区域无法正常作业，现场较长时间“脏乱差”。“放炮”无组织排放的有害气体及粉尘，还直接影响到了在车间作业的所有员工，长此以往，将给员工身心健康带来较大影响，为此，必须尽快找到一个彻底解决的办法。

图2 罐式炉结构图Fig.2 Structure diagram of pot calciner

4.2 “放炮”原因分析

石油焦受热后产生的挥发份主要成分有H2、CH4、CO、CO2、CmHn几种气体，其中H2含量最多，体积含量占比达到60.15%左右，CH4占32.87%左右，CO、CO2、CmHn分别占体积数的4.17%、1.38%和 1.43%[4]。

H2是一种易燃易爆的气体，在占比达到4%至74%浓度与空气混合时，在热、日光或火花的刺激下均易引爆；CH4在空气中的含量达到5%～15.4%时，遇火化将发生爆炸。罐式炉“放炮”就是石油焦产生的部分挥发分因为其他原因没有进入煅烧炉火道内，而是随着煅烧焦一起下移，当排出碎料机与空气接触后，由于物料温度还在150℃以上，易燃易爆气体与空气混合受热迅速燃烧，形成高压气体向外冲出，从而产生“放炮”。

4.2 方案的实施

1）提高火道负压：罐式煅烧炉是一种负压操作炉[5]，排烟引风机形成的负压将料罐内排出的挥发分沿预设的通道流动和燃烧（料罐内挥发分流向见图3）。在实际生产过程中，逐步将罐式炉烟道总负压由 （60～70）Pa 调整至 （100～120）Pa，首层火首负压由 （15～20）Pa 提高至 （25～35）Pa，五层火道负压由 （40～50）Pa 提高至 （60～70）Pa，使挥发分溢出更加顺畅.负压并非越高越好，经过考察对比国内索通、强强炭素等同行企业，汇总烟道负压一般控制在（100～150）Pa之间，首层火道负压一般不大于38 Pa，以炉顶不冒烟，加料斗内有微负压即可；

图3 罐式炉挥发份流向图Fig.3 Flow direction diagram of volatile matter of pot calciner

2）缩短清炉周期，规范清炉效果：通过总结摸索，在罐式炉原设4个生产班组的基础上，增置了清炉班组，将挥发分总道、挥发分溢出口清理周期由11 d缩短至9 d，下火口每个生产班检查清理一次，对料罐9 d插钎检查，发现罐体结焦及时处理。由生产班组监督检查清炉班组的清炉质量，保持挥发分预设通道畅通；

3）改造罐式炉加料口，确保罐内物料堆积面始终低于挥发份溢出口，杜绝物料掩埋挥发分溢出口的现象，确保溢出口畅通；

4）均衡搭配石油焦粗细料，避免粉焦集中进入罐体导致挥发份难以溢出；

5）尽量让入炉的石油焦干燥一些，物料水分过大将会导致：①罐体续集频繁；②小颗粒物料过潮，在罐式炉煅烧过程中很容易粘结，使颗粒之间的间隙堵塞导致挥发分不能有效排出；

6）提高首层和二层火道温度，降低八层温度，让挥发份在预热带充分溢出，减少煅烧焦挥发份残余量：物料在罐体上部加入后，在罐内受热并向下缓慢移动[6]。理论上要在预热带内（二层火道以上），以吸收罐壁墙两侧火道传递的热量来迅速升温，实现排出挥发分的目的，当物料到达二层火道及以下位置时，挥发份基本排除干净。但实际生产过程中，存在石油焦挥发分低、粉焦比例较高、雨季石油焦过于潮湿的情况[7]，其在预热带就需要吸收更多的热量，加之粉焦煅烧过程中，挥发分难溢出的特点，常导致首层、二层火道温度难以达到预期温度，火道温度低又导致罐内物料受热温度低，造成“恶性循环”，最终使挥发份未能在预定区域排出而是随煅烧焦下移导致“放炮”。将外排的预热空气通过改造引入到二层火道助燃，较好地解决了这一问题；

7）为确保排出的煅烧焦中残留的挥发分不在集料斗积聚而引起“放炮”，在每个集料斗上增加了收尘口及收尘管网，根据收尘负荷重新改造了除尘器，使之与系统需求匹配，将随物料排出的残余挥发分及时抽走排空。

5 实施效果

1）预热空气不再排出炉墙进入厂房内，通过新增预热空气输送管和空气通道进入炉体二层火道与挥发分混合燃烧，现场作业环境明显改善，现场无烟气逸出，青烟及硫化氢气味消失，环境温度由45℃降低至32℃以下；

2）挡砖的增设使挥发分与冷空气在首层下火口位置能够较好地混合燃烧，二层火道预热空气的运用，提升了火道加热速率，使部分未充分燃烧的挥发分能够迅速燃烧。通过方案的实施，首二层温度平均提升53℃，八层温度降低18℃；

3）石油焦硫含量的控制及三层火道冷空气的应用，使石油焦在煅烧过程中的脱硫率明显下降，由34.82%降至15.70%[8]，见图4所示。火道内珊瑚状白色固体物质明显减少（见图5、图6），有效减轻了硫对硅砖的氧化腐蚀，延长了炉子使用寿命。

图4 石油焦煅烧脱硫率对比Fig.4 Comparison on desulfuration rate of petroleum coke calcination

图5 方案实施前火道内白色物质较多Fig.5 White substance increasing inside flue before program implementation

图6 方案实施后火道内白色物质减少Fig.6 White substance decreasing inside flue before program implementation

4）该公司罐式段烧炉出现的“放炮”频繁问题，通过采取以上7条措施加以改进后，得到了根本性解决，通过在线监测和定期抽检罐式炉车间内各区域的气体排放，有害气体均已长期处于安全可靠状态，职工心理负担得到了解除，安全得到了保障，现场环境得到根本性改善，为安全干净班组建设创造了良好条件；通过有效解决罐式炉“放炮”问题，避免了“放炮”带来的炉墙振裂、振塌等潜在问题，为保障炉子寿命打下了扎实基础。

6 结语

1）针对罐式炉生产过程中出现的突出问题，通过深入研究和分析，找到了问题的根本原因；

2）通过一系列现场硬件提升改造，加之持续完成生产组织和操作控制模式，安全生产得到有效保障，有效避免了煅烧焦“过烧”现象；

3）在改善工艺条件的同时，较好地延长了罐式煅烧炉寿命，具体明显的经济价值。