阳极焙烧炉的结构设计和热工分析

Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｆｕｒｎａｃｅ　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．４　Ｊｕ１．２００４　文章编号：１０Ｏｌ一６９８８（２００４）０４—０００１—０３　阳极焙烧实验炉的结构设计及其热工分析　周　萍，叶良春，周乃君　（中南大学能源与动力工程学院，长沙４１００８３）　摘要：模拟实际工业生产中采用的敞开环式阳极焙烧炉炉室结构，设计了一台小型、简易的实验用阳极焙烧炉。　热工制度上采用了高温烟气回流混合空气助燃方案，实现了高温空气燃烧。对烟气循环倍率——炉子的一个重要运行　参数对燃料消耗量、热效率、烟气混合温度、含氧量、火道内气流速度以及风机流量的影响进行了详细分析与讨论，并对　该参数进行了优化选择。　关键词：阳极焙烧；实验；高温空气燃烧；烟气循环倍率　中图分类号：ＴＦ８０６．１　文献标识码：Ａ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ａｎｏｄｅ　Ｂａｋｉｎｇ　Ｆｕｒｎａｃｅ　ＺＨＯＵ　Ｐｉｎｇ，ＹＥ　Ｌｉａｎｇ－ｃｈｕｎ，ＺＨＯＵ　Ｎａｉ－ｊｕｎ　（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｍａ１］，ｓｉｍｐｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｏｄｅ　ｂａｋｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｐｅｎ　ｉｒｎ￣ｔｙｐｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｂａｋｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｉａｒｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｉｒ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ａ　ｎｅｗ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｄｅ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐ－　ｔｉｏｎ，ｈｅａｔ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｘｙｇｅｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｌｆｕｅ　ｇａｓ，ｇａｓ　ｌｆｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｌｕｅ，ａｎｄ　ｌｆｏｗ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｆｎ　ｉａｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ｒａｔｅ．Ａｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｎｏｄｅ　ｂａｋｉｎｇ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｉｒ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｆｌｕｅ　ｇａｓ　ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ　ｒａｔｅ　１　引言　我国自采用预焙槽电解铝工艺以来，在对国外　技术进行吸收、消化到自主开发的过程中，预焙阳极　发达国家不仅对预焙阳极的物化性能进行了严格的　规定，而且对预焙阳极中的微量元素做出了１０　级　规定，而我国仅对几个基本理化性能指标做出了　规定。　技术得到了很大的发展。但与国外相比，我国预焙　阳极技术仍存在较大的差距，主要表现为两个方面：　①阳极焙烧能耗高，目前发达国家敞开环式焙烧炉　的能耗指标为２．９３×１０６　ｋＪ／ｔ炭阳极，而我国同类型　焙烧炉的能耗指标在６．０×１０　ｋＪ／ｔ炭阳极左右，后　因此，为提高我国铝业竞争力，对预焙阳极技术　加大研究力度是非常必要的。但是，近年来我国的　预焙阳极技术研究趋缓，原因之一是该工艺设备的　复杂性。目前，国内外广泛使用的阳极焙烧设备是　敞开环式阳极焙烧炉，这是一种庞大而复杂的设备，　它由数十个甚至上百个炉室组成，包含多个火焰系　统，进行连续生产，生产周期长达２０多天。在这样　的设备上进行实验研究其难度可想而知。基于此，　本文在敞开环式阳极焙烧炉的基础上设计了一套结　者是前者的两倍多ｕ　；②阳极理化性能不高，一些　收稿日期：２００４—０３—２９　作者简介：周萍（１９６５一），女，教授，主要从事热工理论及计算　机仿真技术研究工作．　构简单的实验设备，可使阳极焙烧技术的研究方法　ｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

实验研究：炭阳极焙烧实验炉的结构设计及其热工分析　得到大大改进。　具体尺寸确定根据某厂所采用的敞开式阳极焙烧炉　单炉室尺寸，结合相似原理，按１／２比例缩小。局部　２　炉体设计　尺寸结构结合阳极焙烧工艺和实际条件适当作些修　改，例如考虑到按比例缩小后火道变得很窄，在炉子　敞开式环式焙烧炉通常由３４、３８或５４个彼此　运行时很容易造成火道烧损，将其宽度放大到　分离的炉室以及４～１０条火道组成，由重油和煤气　２４２　ｍｍ。最后得到的炉体总体尺寸为３　７６２　ｍｍ　Ｘ　在火道内燃烧后，通过火道壁间接加热，完成对阳极　１　６８６　ｌｎｎｌ　ｘ　１　９４５　ｌｎｎｌｏ　块的焙烧。本实验炉为简化结构，只采用一个炉室，　各结构尺寸、材质参数＿２　如表１所示。　表１实验炉主要尺寸和材料　火焰亮度明显改变，火焰峰值温度降低，火焰温度分　３热工制度设计　布较均匀¨５　Ｊ，这些特点使其具有节能、低ＮＯ　污染、　燃烧噪音低等传统燃烧技术难以达到的优势。用高　工业生产中采用的阳极焙烧炉是一种大型的、　温空气燃烧技术改造的新型工业炉与传统的工业炉　可进行连续生产的设备系统，其焙烧段产生的高温　相比，废热回收率高达８５％～９５％，燃料节省可达　烟气可用来在预热段进行生阳极预热，从而较充分　２５％以上，因此也相应地降低了ＣＯ２的排放　Ｊ。　地利用了烟气的余热，实现了较低的排烟温度，约为　２００℃＿３　Ｊ。本实验炉只设一个炉室，因此只能间歇　式地运行。如果采用普通的烟气直排式热工制度，　则无法有效利用烟气余热，从而导致燃料消耗大大　增加，即使作为实验炉，也是令人难以接受的。为　此，在本实验系统中采用了一种烟气回流混合空气　助燃的方案，烟气流程图见图１。高温烟气从炉内　排出后，小部分排人大气，大部分回流至入口与部分　冷空气混合，形成一股高温低氧气流，再进入炉内助　图１烟气流程示意图　燃。这样一来，不仅有效地利用了烟气余热，还实现　了高温空气燃烧（ＨＴＡＣ）。　高温空气燃烧是２０世纪９０年代在国际燃烧界　兴起的一项新型燃烧技术。它要求同时具备助燃气　４烟气循环倍率确定　流温度在８００℃以上，含氧量在ｌ５％以下的燃烧条　件＿４Ｊ。与在空气（含氧量为２１％）、富氧（含氧量大　在本实验系统的热工制度中，有一个非常重要　于２１％）、甚至纯氧燃烧条件下的传统燃烧相比，其　的运行参数需要确定，即烟气循环倍率，其含义为在　２　维普资讯 http://www.cqvip.com

火道内流过的烟气量与燃料燃烧实际产生的烟气量　之比。它的确定需综合考虑多方面因素，包括燃烧　稳定性、炉子工作制度等。本文作者以液化石油气　为燃料，采用Ｍａｔｌａｂ程序设计语言编制了一个稳定　焙烧态热平衡计算程序，利用程序对烟气循环倍率　的变化对炉内其它运行参数的影响进行了大量计　算，以实现较佳的热工状况为目标，对烟气循环倍率　进行了寻优。　４．１烟气循环倍率对燃料消耗量与热效率的影响　图２是烟气循环倍率与炭阳极最终稳定焙烧状　态下的燃料消耗量和炉子热效率之间的关系。从图　中可以看出，在烟气循环倍率较小时，燃料消耗量随　循环倍率的增大迅速减小，热效率迅速提高。当烟　气循环倍率从１。５增大到６时，燃料消耗量从４．７８　减小到了３，减小幅度达４４．５％，热效率从１３．１％增　大到２０．８％，增幅达５８．８％。当烟气循环倍率较大　时，燃料消耗量随烟气循环倍率的增大减小的幅度　很小，热效率的增加幅度也不大。在烟气循环倍率　从６增大到１Ｏ时，燃料量从３．２１减小到２．８５，减幅　为１１％，热效率从２０．８％增加到２２％，增幅仅为　５．８％。由以上的分析可知：当烟气循环倍率较小时　（小于６时），增大其值可以大大减少燃料消耗量和　提高热效率，在烟气循环倍率已经较大时（大于６　时），再增大其值对减少燃料量和提高热效率就没有　太大的意义了。　｛　卿　龚　肇　图２燃料消耗量、热效率与烟气循环倍率关系图　４．２烟气循环倍率对混合烟气的温度以及含氧量　的影响　图３是高温烟气与冷空气混合后温度、含氧量　与烟气循环倍率的关系图。从图中可以看到，图３　与图２中曲线变化趋势相似。在烟气循环倍率较小　时，混合烟气温度随其值增大迅速，当空气的预热温　度给定时，燃烧火焰的稳定性随含氧量的减少而下　《工业炉》第２６卷第４期２００４年７月　降。当含氧量不变时，燃烧火焰的稳定性随空气预　热温度的增加而增加。因此，为确保燃烧的稳定，确　定烟气循环倍率时，在考虑到可以接受的砌炉材料　及配套设备的成本情况下，应尽可能地选择较高的　助燃气流温度（至少大于８００℃）和合适的含氧量。　从图３可知，当烟气循环倍率为５时，混合烟气温度　达到了８００ｑＣ。但图３显示与烟气混合温度与含氧　量随烟气循环倍率变化的趋势相反，烟气混合温度　升高时，含氧量减少，这就形成了一对矛盾。但通过　进一步分析可知，在烟气循环倍率大于７时，烟气混　合温度与含氧量随烟气循环倍率变化趋向平缓，此　时对燃烧稳定性已没有太大的影响。　烟气循环倍率　图３烟气混合温度及含氧量与烟气循环倍率关系曲线图　４．３烟气循环倍率对火道内气流速度与风机流量　的影响　图４是火道内烟气实际流速、风机流量与烟气　循环倍率的关系曲线图，从图中可看出，烟气流速和　风机流量基本上随烟气循环倍率的增大呈线性递增　关系。根据炭阳极焙烧工艺，火道内烟气流速不能　过高，否则烟气过度冲刷火道耐火砖表面造成侵蚀，　但也不宜过低，否则不能正常进行热交换，一般４　８　ｍ／ｓ为宜，据图４其对应的烟气循环倍率为４　８。　烟气循环倍率　图４火道内烟气实际流速、风机流量与　烟气循环倍率关系曲线图　（下转第６页）　３　维普资讯 http://www.cqvip.com

５．２韧性方面在保证钢具有奥氏体基体所需要的必要含镍量的前提下，解决其抗氧化性和韧性矛盾的方法是高６结论铬并辅有一定量的硅作为抗氧化元素，进一步提高镍的含量。Ｓｊ可提高氧化物的稳定性，但是Ｓｊ含量（１）细粒的二次碳化物弥散分布在晶内，有利于提高材料的高温强度。不能过高，否则钢将脆化。ＨＰ４０和ＨＫ４０在韧性方（２）ＨＰ４０铸态组织中的碳化物数量比ＨＫ４０面差别不大。高，这样在含碳量相同的情况下，ＨＰ４０能形成更多５．３抗蠕变性能的共晶碳化物，提高了抗蠕变断裂性能。ＨＰ４０因其中加人较多的Ｃｒ、Ｎｉ等合金元素，减（３）Ｃｒ能够显著提高材料的抗氧化性，在高ｃｒ的少了碳在奥氏体中的溶解度，且第二次碳化物长大同时，提高Ｎｊ的含量，可进一步增强材料的抗氧化性。较慢，不易生成６相，所以ＨＰ合金有较小的蠕变速（４）由于Ｍ含量的增加，使ＨＰ４０的抗氧化性、率和较高的抗蠕变断裂强度。抗蠕变性、高温持久强度方面都高于ＨＫ４０。５．４高温强度方面无论是ＨＫ４０还是ＨＰ４０，基体中都固溶了大量参考文献：的Ｎｊ，形成置换固溶体。Ｎｊ比Ｆｅ的原子直径小，使［１］侯重耀．ＩＮＣＯＬＯＹ８００Ｈ、ＨＫ４０、ＨＰ４０炉管缺陷的分析与探讨［Ｊ］．机械设备，１９９５，２（３）得Ｆｅ—Ｍ置换固溶体的间隙变小，从而使溶碳量降［２］关家锟．裂解炉管渗碳损伤的研究［Ｊ］．石化技术，１９９７，４（４）低。由于ＨＰ４０的含Ｎｉ量比ＨＫ４０的大，一方面增［３］丁毅，沈复中，吕勇．不同服役期的ＨＫ４０炉管显微组织分析强了固溶强化效果，另一方面使Ｆｅ—Ｎｉ置换固溶体［Ｊ］．机械工程材料，２００２，（７）间隙变小，溶碳量降低，使共晶碳化物的数量增多，［４］刘志国．合金元素对耐热钢组织及性能的影响［Ｊ］．材料开发与利用，１９９７，（２）析出的二次碳化物也增多，因此，ＨＰ４０的高温持久［５］黄世民．高温炉用奥氏体耐热钢的新成分设计探讨［Ｊ］．上海铁强度高于ＨＫ４０。道学院学报，１９９０，（３）（上接第３页）通过以上分析，综合考虑能耗、热效率、燃烧稳烧态的高温空气燃烧。它可为炭素科技工作者进行定性，以及火道内烟气流速，将烟气循环倍率确定为阳极焙烧技术研究提供一个方便、优越的实验平台。７，此时整个炉子运行处于一个比较理想的状态。具可以此为依托，进行阳极焙烧方面诸多相关技术的体参数见表２。研究。如炉内三场研究、焙烧工艺改进、炉子结构优表２烟气循环倍率为７时实验炉运行参数化、燃烧技术研究、环保技术研究等，逐步开发出具有我国自主知识产权的阳极焙烧相关技术。烟气混合温度／￣Ｃ９２７混合烟气中的氧含量／％４．８３参考文献：风机流量／ｍ。・ｈ“３６８４火道内烟气实际流速／ｍ・ｓ１１７．５［１］姜玉敬．我国铝用预焙阳极炭块生产现状及发展预测［Ｊ］．世热效率／％２１．２界有色金属，２００１，（６）：４—８［２］有色冶金炉设计手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２０００［３］姚广春．冶金炭素材料性能及生产工艺［Ｍ］．北京：冶金工业出５结语版社，１９９１［４］艾元方，蒋绍坚，周孑民．高风温无焰燃烧装置的开发与应用［Ｊ］．煤气与热力，２００１，（２）：１３０—１３５本实验炉是以工业生产中常用的敞开环式阳极［５］周怀春，盛锋，姚洪．高温空气燃烧技术——２ｌ世纪的关键技焙烧炉单个炉室为原型，根据相似原理设计而成，在术之－－［ｊ］．工业炉，１９９８，２０（４）：１９—３１其热工制度上采用了烟气回流助燃，实现了稳定焙［６］马宪国，郑国耀，李道林．高温贫氧燃烧技术的研究与应用［Ｊ］．动力工程，２００１，２１（１）：１０６５—１０６８