环式焙烧炉讲解

furnace) baking(ring type环式焙烧炉国内外碳素焙烧炉发展状况环视焙烧炉是生产碳素制品最关键的大型热工炉窑设备，对一个预焙阳极生产厂而言，环式焙烧炉的基建投资占整个碳素厂总投资的50% 60% ，而且焙烧炉设计及技术的先进性对产品的质量单位投资的产能、能耗及能源综合利用、炉子寿命、产品生产成本都有很大的影响，焙烧炉火道墙结构的设计，材质的选择和施工工艺是设计焙烧炉最关键的技术。碳素生产企业环式焙烧炉火道墙采用砖砌结构，由轻质耐火砖、粘土耐火砖、 异型耐火砖砌筑而成。根据焙烧炉火道墙尺寸的不同，每条火道墙重约7 9 吨，砖层多打40 层。在生产过程中，依照工艺要求反复地升降温（ 1250 1300 ），降温（ 20 30 ），每次装、 出炉时，天车夹具、 碳素产品都不可避免地会碰撞到火道墙上，这样火道墙就会发生变形，变形达到一定程度，就必须拆除重砌。火道墙主要损坏形式：传统工艺采用耐火砖加耐火泥浆砌筑，采用了卧缝打灰、立缝不打灰的砌筑工艺，这样会出现砖缝泥浆脱落，影响了火道墙的整体结构强度。由于砌砖更多的注重了火道墙的牢固性，但忽视了火焰的流向，不可避免地出现温度死角，对产品的均匀性造成影响。在生产过程中由于产生不均匀热膨胀以及频繁升降温和装出焙烧品的撞击，造成火道墙变形，继而火焰不走正道温度死角温差变大炉箱变形等恶性循环，能耗增大，降低炉体寿命，出现频繁中小修。目前国内碳素焙烧炉的设计是50 年代从国外引进的技术，火道墙采用砖砌筑结构，经历了半个世纪， 并为大多数碳素厂所采用。 随着生产实践的进一步深入， 该技术的一些技术问题也逐渐暴露出来。（ 1）边火道墙向外突出或整体倾斜，使料箱变窄，装出炉困难；（ 2）中间火道向内外凹陷，使火道变窄，影响热流气体的流动和燃烧效果；（ 3）火道墙裂缝严重，导致漏风漏料，影响产品质量，增大热能损耗，破损比较严重的火道墙必须进行中修、大修，由于火道墙是由小块耐火砖砌筑而成，拆除一条火道墙大约需要7 8小时，重新砌筑需24 小时左右，拆除并重砌一条火道墙就必须搬运近17 吨的材料，这不仅给修炉工作带来困难，而且给车间的正常生产增加难度。特别是环式焙烧炉是以循环方式作业，留给维修、拆除、重砌火道墙的时间非常紧张，通常在炉温还有80 90 时就必须开始刨修，工作环境极为恶劣，反过来又影响施工质量，形成恶性循环。我国用在环式焙烧炉上的耐火材料质量与国外同类产品相比，有较大的差距， 高温抗蠕变性，荷重软化点，高温热稳定性等理化指标及产品外形尺寸精确度。加之生产管理，操作等方面的影响，我国碳素焙烧炉火道墙的平均使用寿命为80 100 炉次，国外焙烧炉一般达到150 炉次。在市场竞争日趋激烈的今天，各类产品都必须以优质廉价来赢得市场，炭素制品也不例外。若焙烧炉火道墙变形严重，势必影响产品的质量，特别是影响产量，增加生产成本，不能满足生产需求，难以取得良好的经济效益。针对砖砌火道墙存在的上述缺陷，国外多家碳素制品生产公司对火道墙结构的设计，材质的采用及砌筑方式等方面作了大量研究的改进，据有关资料报道，美国贝克莱和利德汗姆公司对火道墙的砌筑方式进行了大胆创新，采用异地预砌墙的方法，整体吊运到现场安装。提高了焙烧炉的产量及砖减轻了劳动强度，改善了施工环境，该技术大大缩短了施工时间，砌火道墙的质量。鉴于我国耐火砖型尺寸的精确度及各类碳素厂起重设备受限，实现异地整体预砌、整体吊装难以实现。我国环形焙烧炉技术共经历两个发展阶段。第一阶段50 70 年代环式焙烧炉基本上未跳出苏联援建时的炉型框架，只在局部结构上有所改进，总体上看来，基本上环式炉技术落后。第二阶段，从80 年代开始至今是我国环式炉向新环式炉转变时期。80 年代初期贵铝从日本引进了新的环式技术，此后，沈阳、贵阳铝镁设计院又为我国铝用碳素厂设计了一批具有“日轻炉”或“里德哈默炉”技术特点的新环式炉，并已相继投产。新一代环式焙烧炉虽从炉室容积、 燃烧方式、 炉盖内衬材料等方面有很大改进， 使环式焙烧炉的技术经济指标得以明显改变， 但是火道墙仍是采用小块砖砌筑的砖砌技术， 火道墙存在的使用寿命短，大、中修时间长等困扰产量，产品质量问题依然存在。 20 年来，我国在环式炉火道墙的研究、创新方面做的工作比较少。目前，我国环式焙烧炉火道墙凹陷、 变形、 使用周期短是影响炉子产能得知要因素；砖砌火道墙的裂缝、漏风、炉子上下温差大对产品质量有较大的影响； 大修时间长、施工环境恶劣是生产管理上的难题。因此说，炭素行业急需研制、开发使用新型耐火材料，结构新颖、科学、便于施工、维修的火道墙新技术。使用性能优异的耐火材料，使焙烧炉火道墙的使用周期延长，使炉室内温度分布更均匀，有利于提高产品质量，设计出科学、合理、高效、简便的施工工艺，缩短大修火道墙的时间，尽可能提高焙烧炉的产能，降低生产成本。炭素焙烧炉火道墙组合预制件作为现阶段的一项新技术，该项成果是在于它改变了历史沿用已久的砖砌结构技术，创新了碳素焙烧炉火道墙组合预制件组装、设计、研制、生产的一整套新的实用技术，此项技术的优点在于：1、采用子扣式大块预制件组合，提高焙烧炉整体结构强度，避免因装出物料碰撞造成的炉墙变形；2、提高预制件的高温性能及体积稳定性，耐急冷急热性及机械强度，能显著延长焙烧炉寿命；3、组合预制件增大火道空腔，使焰气流向趋于合理，消灭温度死角，解决炭素炉受热不均，改进产品质量；4、施工吊装组合，省力省时，降耗增产，提高经济效益；5、预制件，合理分布挥发份逸出孔，将挥发份引入火道燃烧，既增加火道温度，又避免沥青积存引起烟道着火的危害。一种由若干个结构相同的炉室呈双排布置，按移动的火焰系统运转，对压型生制品进行焙烧热处理的热工设备。概况组成环式焙烧炉炉子的各炉室之间既可连通，也可切断。 生产时， 把几个炉室串连起号炉室给入并燃 l3 。燃料从1 其运行情况见图) 页 l5 见彩图插页第( 来组成一个火焰系统。烧，这里成为温度最高的炉室，完成对生制品焙烧后，高温废烟气并不立即排人烟道，而是在负压抽力的作用下依次流经14、 15、 16、 1、 2 号炉室，利用其余热对生制品进行焙烧前的预热，在这一过程中，烟气温度逐渐降低，从2 号炉室流出后，已无再利用的价值，便经连通罩排入烟道。于是从l3号至2 号炉室便构成一个火焰系统。l3 号炉室是加热室，l4号至 2 号炉室是预热室。 7 号至 l2号炉室是焙烧完的制品通行冷却的炉室，冷却制品的空气或者是靠12 号炉室的负压从大气中吸进，或者是靠鼓风机强制鼓人。冷却用空气在流经7 号至 l2号炉室时，与进入冷却温度高达1000的制品发生热交换，既冷却了制品，又加热了自身( 一般可达800以上 ) 。然后进入 13 号炉室供烧料燃烧。起到提高热利用率和焙烧温度的目的。6 号至3 号炉室则分别处于出炉、修炉、装炉，待加热作业阶段，是预备炉室。炉子运行一定的间隔时间后，l3号炉室的制品焙烧结束，停止向其供热，将燃烧装置移至14 号炉室， l3号炉室进入冷却阶段，l4 号炉室变成加热室，由于火焰系统少了一个炉室需要增加一个炉室，所以在移动燃烧装置的同时将连通烟道的连通罩从2号炉室移至 3 号炉室，使3 号炉室进入火焰系统，形成15 号至 3 号炉室为预热室，8 号至 l3 号炉室为冷却室， 其余 4 号至 7 号炉室则为预备室，环式炉的运行就是火焰系统按一定的作业周期这样周而复始的循环。火焰系统一个一个炉室地沿环形路线移动，所包含的炉室号逐渐在变换。对于火焰系统中的每一个炉室都依次经历烟气预热、焙烧和冷却阶段， 然后进行预备作业。由上可见，对于环式焙烧炉的火焰系统而言是连续作业，而对于单个炉室来说则是间断式周期性作业。一个火焰系统所辖的炉室数可按生产的具体情况加以调整，一台炉可有一个或几个火焰系统，根据炉子的产能决定。几个火焰系统同时运行，焙烧的作业周期应协调一致。带盖炉在加热期间( 包括加热和焙烧) 以及冷却阶段初期要用炉盖把炉室盖严，使炉室密闭。 无盖炉则没有盖， 炉室在运行期间都是敞开的。带盖炉炉盖和炉室之间的空间是走烟气的通道，有时燃料也在这里燃烧。 所以不盖上炉盖，炉子就无法运行， 而无盖炉燃料燃烧和烟气流动都在密闭的火道内进行，所以炉子在运行时不加盖，是敞开的。带盖炉还可分有火井式和无火井式两种。火井是燃料的燃烧室和烟气的通道。无火井炉没有火井，燃料是在炉盖下面的空间燃烧，而以中间隔墙内的上升火道来替代火井的通道作用。带盖炉装备在炭素厂或铝厂里，既可焙烧电极，又可焙烧铝用阳极和阴极，适用多品种、多规格产品的生产。无盖炉则主要装备在铝厂，生产铝用阳极，而且要求阳极规格单一。带盖炉中国的带盖炉由l 2 个火焰系统组成。一个火焰系统的炉子有l6 20 个炉室，两个火焰系统的则有 30 36 个炉室。 其他国家有更大型的炉子，含 3 5 个火焰系统。 有火井和无火井的带盖炉其结构示于图2、图 3。加热时炉室都盖上炉盖。对有火井炉燃料在火井内燃烧，对燃烧后的高温烟气流至炉盖下的空间，而无火井炉燃料直接在已充分利用了热量并且温度降至l50 左右的烟气经中间隔墙内的斜坡烟道进入侧部烟道，炉子排出的烟气在净化系统中除去粉尘和焦油后， 最后经排烟机从烟囱排人大气。 有的炉子还设置旁通烟道，以便在排烟机和净化系统出现故障以及焚烧烟道时，烟气直接经旁通烟道进入烟囱。下面对炉子的主要构造及组成分别做介绍。炉底及大墙 位于炉室的底部及四周，直接砌筑于炉子混凝土基础上，按炉体所处的位置有地下式和地上式两种结构。一般为方便操作和减少散热，采用地下式结构，把整个炉子砌在深达5m多的地下。但当地下水位较高时，为防水则采用地上式结构。要求炉子基础下面的土壤必须坚实而质地均匀。炉底和大墙中设保温层，以减少散热损失并保护基础。炉盖下的空间燃烧， 之后烟气通过格子砖孔垂直向下到达炉底，经砖墩再流至下一个串联的炉室，在这里炉气经火井或上升火道又到达炉盖下面，然后再经格子砖，炉底流至第三个炉室，依次烟气流经串联在一起的每一个炉室，完成对生制品的焙烧作业。料箱及火道用格子砖墙把炉室分隔成4 8 个等面积的长方形或长条形料箱，料箱内装制品及填充料，格子砖墙上的孔即为火道。料箱和火道的底部是坑面砖。坑面砖靠砖墩支撑，砖墩之间的间隙可以走烟气。热烟气就是在这一流动过程中完成对料箱中的制品的热交换。火井及中间隔墙火井位于炉室的前端。只有火井式炉才有火井。送入炉内的燃料，先在火井中与预热空气混合进行燃烧，生成的热烟气再进入炉室，达到温度均匀的目的。无火井式炉， 燃料直接在炉盖下面的空间燃烧。中间隔墙位于相邻两个炉室之间，内中有连通两个炉室的烟道，从前一个炉室炉底流来的烟气，对有火井式炉要经过火井才能到达炉室上部；对无火井式炉， 是通过中间隔墙中的上升火道直接到达炉室上部。当烟气不需引入下一个炉室时，还可通过中间隔墙中的斜坡烟道与侧部烟道接通。燃烧系统中国多数带盖炉以发生炉煤气为燃料，煤气管铺设在炉两侧的地沟内，对应每个炉室设支管， 并以煤气连通罩与炉室接通，送入炉内的煤气经埋砌在砖里的小煤气管从烧嘴砖送入并燃烧， 有火井式炉烧嘴砖砌在火井出口处，煤气在火井上部燃烧，无火井式炉烧嘴砖砌在大墙里，煤气在炉盖下面的空间燃烧。少数炉子以固定在燃烧架上的煤气烧嘴或重油喷嘴直接从炉盖插入进行燃烧。 对于有火井式炉，这种燃烧方式可以使燃烧和空气混合充分燃烧完全。煤气和重油管道应设吹洗清扫装置，重油管道还应有加热保温设施。连通火道在炉子的两个端头，使两排炉室彼此串连起来，烟气能够相通。因为连通火道较长，为防止烟气温度降低太多，有的炉子在连通火道上还设有补充热量的辅助燃烧装置。侧部烟道位于炉子两侧。有砖烟道和钢烟道两种结构，钢烟道的气密性较好。在侧烟道上对应每个炉室设有竖烟道，需要排烟时采用烟气连通罩使炉室和竖烟道接通，这样，炉室的烟气经斜坡烟道、烟气连通罩、竖烟道而进入侧部烟道。从炉室排出的烟气温度在150左右。烟气中含有的焦油会沉积下来，为便于汇集，烟道宜带有坡度。 烟道应定期清扫和焚烧，以免断面减小导致炉子产生负压。回收的焦油可用做燃料供人炉内。炉盖炉室上炉盖后，其上部的敞开部分即为密闭的空间。进入火焰系统的炉室都要加盖，完成焙烧进入冷却的炉室也暂不取盖，这一方面可以减缓冷却，另外还可以提高进入高温炉室作为助燃的预热空气的温度。一个火焰系统需ll 13 个炉盖。炉盖由骨架和耐，使用天车吊运。炉盖所用的耐火材料有耐火砖与浇注料两种。15t l0火材料构成，重约炉盖砖为特异型， 制作困难， 砌筑要求高， 但是使用寿命可长达8 10 年。浇注料炉盖施工简便，造价低，有一定的推广价值。炉盖的骨架是铸铁或铸钢结构，可以保证结构强度的要求。此外，炉盖还应加强保温、防止漏气，以减少散热损失和控制烟气量。强制冷却装置中国大部分带盖炉都采取自然冷却方式，只有在炎热地区或炉子的炉室数较少时才对焙烧后的制品进行强制冷却。这里在炉子四周设强制冷却风管，并配置风机。 工作时将外部空气鼓人炉内冷却制品，被加热了的空气经风管和风机排至车间，风管和炉室的连接也是采用连通罩。无盖炉中国的无盖炉由34 90个炉室组成， 分为 2 5 个火焰系统。 每个系统中有 5 6 个炉室加热， 9 10 个炉室冷却，其余4个炉室用于装出炉和检修。无盖炉的结构见图4。无盖炉没有炉盖， 燃料直接在密闭的火道内或横墙的上部通道燃烧。火道内设有折流墙，使燃烧生成的高温烟气在火道里迂回流动，并经横墙的上部通道流人串连的下一个炉室的火道，在这里再经过一次或两次折流， 翻过横墙又进入第三个炉室的火道。依次，烟气流经串连在一起的火焰系统中每一个炉室的火道，完成对料箱内的生制品的加热和焙烧后，温度已降至350 以下，最后经安装在横墙上的烟道排至环形烟道。无盖炉炉后也设有烟气净化系统，也采用机械排烟。 经过净化的烟气由烟囱排人大气。炉底、侧墙和挡墙无盖炉也有地上和地下两种配置方式。砌在炉基础上的炉底由轻质浇注料，保温砖和耐火砖组成。侧墙为保温砖，挡墙为耐火砖，这两部分相当于有盖炉的大墙。炉底和侧墙的保温砖可防止炉内热量的散失，并使 昆凝土基础表面不超过允许的温度。横墙位于炉室之间， 相当于有盖炉的中间隔墙。横墙上部有与前后火道相对应的通道，其顶部有方孔安全铸铁座和盖。从这里既可供入燃料燃烧，又可以通过烟道抽出废烟气，还可以向冷却炉室送风或抽风，以进行制品的冷却。火道及料箱横墙之间的部分是炉室，由几条平行的纵向道把炉室分为(n 1) 个大条火道。 火道内设有折流墙，使烟气8 6 个料箱， 7 5 小相同的料箱。一般，每个炉室有在火道内按v 形或 w 形做上下曲折的流动。这种流动方式有利于火道内的温度均匀。火道壁的部分砖缝砌筑时做得能够透气，以使料箱内的制品逸出的挥发分能够透过这些砖缝进入火道内燃烧。火道顶部开有2 4 个孔，便于供人燃料， 测温测压及观察等操作。有把火道做成整体装配式的，便于检修火道时用天车进行整体吊装。这样既不会影响炉子运转，又便于检修的作业环境得到改善，从而可获得更好的修炉质量。火焰系统内串连炉室的前后火道是彼此相通的，但横向的各条火道则是彼此独立的。只有在进人烟道后，各条火道的烟气才混合。连通火道位于炉子端部把两排炉室的火道连接起来的通道。连通火道的结构应尽量使烟气重新分配至各条火道时能够均匀。环形烟道安装在炉子周围炉子排烟的通道。环形烟道一般为钢烟道，内衬耐火材料，对应于每个横墙设铸铁的烟气接口，平时加盖， 排烟时用烟斗连接横墙上对应每条火道的方孔和环形烟道上相应的烟气接口，废烟气就从火道导入环形烟道。环形烟道的出口接烟气净化系统。燃烧装置无盖炉一般以发生炉煤气或重油为燃料。无论采用何种燃料，都是以便于移动的燃烧架实现对炉子的供热。燃烧架用软管和安装于炉两侧的燃料管连接，通过横墙口的方孔或火道上的燃烧口向炉子送人燃料。燃烧架的煤气和重油管道应设吹洗清扫装置。重油管道还应有加热保温措施。 对燃料量的控制有手动和自动两种方式，自动的方式可以达到准确控制火道温度，节约燃料的目的。一个炉室用1 2 个燃烧架加热。用2 个燃烧架可以缩小炉室的前后温差。也可以把 2个燃烧架做成一体，即所谓双火焰燃烧架。烟斗用于炉室排烟的可以移动的装置。用烟斗把要排烟的炉室和环形烟道连接起来，就能将炉室的废气引导至环形烟道内，烟斗上设有测温测压装置，根据炉室调温的要求，用手动或自动的方式调节烟斗总管或支管上的蝶阀，就能控制火道的负压。冷却装置无盖炉对焙烧后的制品采用强制的冷却方式，有鼓风和抽风两种冷却装置，鼓进的冷空气在冷却制品的过程中被加热，其中一部分进入高温炉室助燃，另一部分随抽风冷却装置抽进炉内的空气一起被排入车间，由于是鼓风和抽风两台冷却装置同时动作，所以有一个风压平衡问题。一方面要选择好两台装置的作业位置，另一方面装置的风量风压也可以在一定范围内调整。热工特点及控制环式焙烧炉的热工过程是很复杂的，其特点如下：(1) 若干个炉室串连在一起运行，低温炉室用高温炉室的废烟气加热，排烟温度低，烟气的热量得到比较充分的利用。(2) 利用经预热的空气助燃。高温炉室燃料的燃烧是靠负压抽进冷却炉室的热空气而助一般高温炉室都为微负压操作，因此抽进的热空气负压愈大，抽进的热空气就愈多，燃的，量是有限的， 只有采用鼓风的方式才能较为有效地进行调整。利用冷却炉室预热空气回收热量提高炉子的热利用率。(3) 环式焙烧炉按火焰系统运行，其特点是运行时炉室和制品不动，而燃烧装置按一定的火焰周期移动。虽然就整台炉子而言，生产是连续的，但对单个炉室则是从低温到高温，再到冷却，其温度场是变化的，对单个炉室的这种周期性间断作业的方式，炉子要消耗大量热量来加热耐火砌体，因而大大影响了热效率。(4) 采用制品加填充料的装炉方式及间接的加热方式，这就造成制品的加热大大滞后且温度的不均匀，与加热介质形成较大的温差。同一时间，各个部位的制品的焙烧进程是极不一致的。实践中采取在焙烧温度下延长保温时间来缩小这种不一致，以减少制品在焙烧质量上的差异。(5) 在焙烧过程中制品要逸出挥发分气体。在一定的温度下和有充足的空气时，挥发分燃烧而释放出热量。这对炉子的热工过程有较大的影响，在炉子控制上要特别予以考虑。(6) 炉子热工过程控制的依据是焙烧温度曲线，合理的温度曲线的升温速度是两头快，中间慢。在保证制品加热安全的前提下尽量缩短加热时间。 由于是若干个炉室串连组成火焰系统运行， 所以各炉室都采用相同的焙烧温度曲线， 为使炉室温度严格按曲线规定进行升温， 就要对燃料量和炉室负压进行控制和调节， 它仍是根据对温度的测定结果， 用人工或自动方式对燃料量和负压进行调节。有一种对各点温度随时进行扫描、 测定、监视、记录的系统， 使测温工作实现了自动化，但这种自动循环检测的方式也只是提供控制的依据， 而不提供控制的手段， 带盖炉一个炉室只需测定一点 ( 一般设在炉盖下 ) 的温度就能满足控制的要求， 而无盖炉需要对每条火道的温度都进行测定并单独控制才能满足对炉室热工制度进行控制的要求。技术性能。 1 中国典型的有盖和无盖环式焙烧炉的性能举例见表产能计算环式焙烧炉按装炉量计算的年生产能力为：式中 G 为一台炉子的年生产能力( 年装炉量 )t/a；T 为年的日历小时数，h； m为火焰系统中的加热炉室数，个；B 为每个炉室的平均装炉量，h；t 为采用的焙烧周期， t ； n 行为一台炉子的火焰系统数，个。平衡计算对炉子的物料和热量进行的平衡计算。由于计算结果可对炉子的工作状况，特别是热工状况做出分析，以改进炉子的操作，达到高产低耗的目的。下面列出32 室。5)2表(的物料平衡和热平衡1) 表 ( 室无盖炉68 有火井带盖炉和