石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析.pdf

第 3 2 卷 第 6期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 1 年 1 2 月 石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析 何 斌 ， 陈 阳 中国铝业贵州分公司， 贵』 I 1 贵阳 5 5 0 0 1 4 [ 摘 要] 通过对石油焦煅烧回转窑进行热平衡测试与计算， 掌握 了该炉窑的能量利用情况。 分析 了窑头 温度、 煅烧焦实收率、 窑头负压、 供风位置和供风量以及石油焦中水分和挥发分的含量等参数对热效率的影 响， 结果表明该回转窑的热效率只有 1 4 ． 7 2 ％， 具有很 大的节能潜力， 提 出了提 高该炉窑能量利用率的措施 [ 关键词 ] 石油焦； 回转窑； 热平衡 ； 测试分析 中图分类号 T F 8 0 6 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 4 3 4 5 2 0 1 1 0 6 0 0 2 0 0 3 Th e r ma l Ba l a n c e Te s t a n d An a l y s i s o f Ro t a r y Ki I n f o r P e t r o l e u m Co k e Ca l c i n a t i o n HE Bi n， CHEN Ya ng C h a l c o G u i z h o u B r a n c h ， G u i y a n g ， G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t He a t c o n d i t i o n a n d e n e r g y u t i l i z a t i o n c o n d i t i o n o f p e t r o l e u m c o k e c a l c i n a t i o n r o t a r y k i l n a r e ma s t e r e d b y me a n s o f t h e r ma l b a l a n c e t e s t a n d c a l c u l a t i o n ． T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e i n fl u e n c e o f p a r a me t e r s o n h e a t e ffic i e n c y ， i n c l u d i n g t h e p a r a me t e r s o f k i l n d i s c h a r g e e n d t e mp e r a t u r e ， c o k e r e c o v e ry， n e g a t i v e k i l n p r e s s u r e ， a i r f e e d p o s i t i o n ， a i r f e e d r a t e a n d mo i s t u r e＆ v o l a t i l e c o n t e n t i n p e t rol e u m c o k e ，i t i s s h o w n t h a t t h e t h e r ma l e ffic i e n c y o f t h i s e q u i p me n t i s o n l y 1 4 ． 7 2 ％ ， wh i c h h a s g r e a t p o t e n t i al f o r e n e r g y s a v i n g ． T h e r e f o r e s o me s u g g e s t i o n s a b o u t e n e r gy s a v i n g w e r e p r o p o s e d i n t h e a r t i c l e ． Ke y wo r p e t r o l e u m c o k e ； r o t a ry k i l n ； t h e r ma l b a l a n c e ； t e s t a n d a n a l y s i s 0 引言 回转窑煅烧石油焦生产工艺是 目前国内广泛采 用的煅烧石油焦生产工艺， 据不完全统计， 我国已有 回转窑煅烧焦厂 4 3 家， 年产量约 4 5 0 万 t ， 占国内总 产量的 5 6 ％tt 1。但在生产过程中， 普遍存在能源消耗 量大、 烧损较大和产品质量不稳定等问题。 随着国家 节能减排工作的推进 ， 对煅烧 回转窑进行节能评价 和技术改造已经刻不容缓。 中国铝业贵州分公 司一台规格为 q b 2 ． 2 mx 4 5 m 的煅烧回转窑， 设计生产能力为 6 t ／ h ， 本文针对该 设备存在的问题进行了热平衡测试， 以期了解煅烧 回转窑目前生产情况和热工制度 ， 掌握该回转窑的 能源消耗分布、 能量利用水平和热效率情况， 并且能 够评价当前工艺控制制度的合理性和有效性 ， 再结 合该炉窑的热工操作、 窑体结构和生产管理方面的具 体情况， 提出节能措施， 从而提高该炉窑的能量利用 率和煅烧质量。 1 煅烧回转窑热平衡测试方案 测试方法采用正平衡 直接测量设备 的工质参 数 、 燃烧消耗量和发热量， 按一定的公式求出设备的 效率 和反平衡 测量设备各项热损失来确定设备效 率的方法 相结合的方法测定设备各种参数。 1 ． 1 热平衡计算基准和测定范围 1 1 基准温度规定为环境平均空气温度， 在距离 被测定体系设备外壁 1 ．0 m处， 用水银温度计测量 ， 体系设备周围均匀测量不少于 8 个点 ， 然后取算术 平均值。 2 1 热平衡测定与计算规定以 1 个标准大气压 ， 即 1 0 1 3 2 5 P a 为计算基准。 3 1 燃料及物料的发热量采用收到基低 位 发热 量直接测定。 4 1 测定区域 内的环境风速规定在距离测定设备 收稿 日 期 2 0 1 卜0 7 1 4 作者简介 何 斌 1 9 7 O 一 ， 男， 工程师， 主要从事热能l丁程及节能的设计管理工作。 第 6期 石油焦煅烧回转窑热平衡测试与分析 2 1 外壁 1 ．0 m处， 用风速仪测定空气的风速。 5 1 物料平衡与热平衡均以 1 t 煅前石油焦 即 1 t 下料量 为基准计算单位。 6 回转窑热平衡测定与计算方法体系包括窑身、 窑头罩、 窑尾罩和焚烧沉降室， 不包括冷却机。 1 ． 2 测定项 目和方法 本次测试是在设备生产稳定正常的情况下进 行 ， 选取 3 个 白班 ， 每个 白班为一个热平衡测试工况。 热平衡测试数据以现场测试为主， 主控室数据为辅， 现场无法获得测试数据时， 使用主控室数据。 测试方 法和计算参照 Y S ／ T 1 2 4 一 l 一 9 4 、 Y S ／ T 1 2 4 1 ． 1 9 4 、 G B ／ T 2 5 8 7 8 1 和 G B ／T 2 5 8 8 8 1 标准执行。具体测试项 目 及方法如下 l 1 使用水银温度计、 大气压力表和干 湿球温度计测量基准环境的温度、 压力和相对湿度； 2 1 使用电子秤、 铠装 K分度热电偶测量人窑石油焦 的质量 和温度 ， 取样化验石油焦 的成分和低位发热 量； 3 1 使用电子皮带秤、 铠装 K分度热电偶测量煅烧 焦的质量和温度， 取样化验煅烧焦的成分和低位发 热量； 4 1 使用平行烟气分析仪测量沉灰室出15烟气 温度、 烟气量和烟气成分， 并查表计算烟气的比热和密 度； 5 1 使用平行烟气分析仪测量烟气含尘量， 并查表 计算烟尘的比热； 6 1 通过现场流量计读取人炉的空 气量 ； 7 1 选取炉体外壁测量点， 采用表面热电偶或红 外温度计测量壁面温度。 2 物料平衡和热平衡计算结果与分析 煅烧 回转窑物料平衡示意如图 1 所示 ， 物料平 衡如表 1 所示。 原 煅烧炉 。‘ 一 磁 磊 焦 图 1 煅烧回转窑物料平衡示意 表 1 物料平衡 热收人项为石油焦带进的化学反应热， 热支出项 包括煅烧焦带走的物理热、 烟气带走的物理热、 烟气 带走的化学热、 烟尘带走的物理热、 热窑体表面散失 总热量、 冷却水带走的物理热和其他热损失。 煅烧回 转窑热平衡如表 2所示 。 表 2煅烧 回转窑平衡 经过计算， 该煅烧回转窑的热效率只有1 4 ．7 2 ％， 根据 Y S ／T 1 3 1 一 l 一 9 4回转窑等级标准， 煅烧回转窑热 效率 一等为 1 9 ％； -U 等为 1 7 ．3 ％三等为 1 5 ． 8 ％， 由此 可知， 该回转窑的热效率等级低于三等， 能源利用率 水平很低 。经分析主要原因如下 1 1 烟气带走的热损失是碳素回转窑最主要的热 损失 ， 约 占总支出热量 的 8 2 ％。 排烟温度过高、 烟气 量大， 使烟气带走了大量的物理热， 降低了回转窑的 热效率。 2 1 在现场测试中发现， 窑表面温度大部分居于 1 5 0 ～ 2 0 0 C 之间， 部分区域高达 2 3 0 2 ， 由计算结果可 知回转窑表面散热损失所占比例高达 5 ． 1 2 ％。而按 照热工设备没 见 范，其表面温度应当低于 1 0 0 C ， 表面 温度过高不仅恶化了操作环境， 而且也造成了能量的 浪费， 增大了散热损失， 降低了回转窑的热效率。 3 煅烧焦的实收率约为 6 9 ％， 而先进的碳素回 转窑的实收率在 7 5 ％以上 ， 烧损的碳及挥发物在燃 烧过程中产生大量的热量约占总供给热量的8 9 ％以 上 ， 实收率低， 将增大碳素回转窑的总供给热量， 因 此， 较低的实收率导致煅烧回转窑的热效率降低。 3 计算结果分析与节能措施 由上述可知， 该炉窑的热效率只有 1 4 ．7 2 ％， 还有 很大的节能潜力 ， 下面将通过分析窑头温度、 煅烧焦 实收率 、 窑头负压 、 供风位置和供风量 以及石油焦 中 水分和挥发分的含量等参数对热效率的影响， 提出提 高该炉窑能量利用率的措施。 3 ． 1 降低 窑头温度 回转窑煅烧石油焦工艺技术标准要求的窑头温 度 9 0 0 ℃[ 2 1 ，而本 回转窑窑头 温度约为 1 2 0 0 C 左 右 ， 过高的窑头温度既增加碳质的烧损 ， 又不利于 焦炭的冷却 ， 同时也会增加窑头的散热量。影响窑 头温度的主要因素是窑头的负压， 当窑头负压增大时， 吸风量会增加， 致使碳质烧损增加。 烧损放出的热量 会使窑头温度提高， 导致窑头工作环境恶化， 同时使 窑头的结构发生变形。 为了保证窑头温度不超过合 2 2． 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 2卷 理数值， 必须降低窑头负压。 3 ． 2 优化窑的 内衬设计减少壳体散热损失 由测试可知， 窑壳体温度大部分居于 1 5 0 2 0 0 12 之间， 部分区域高达 2 3 0 0 ] ， 造成工人操作环境恶劣， 散热损失大 。 解决 的办法是在 内衬总厚度不变的情 况下， 将其改为 3 层， 从内到外分别为钢纤维浇注料、 高铝浇注料和轻质浇注料 ， 以降低窑皮表面温度。 3 ． 3 提高煅烧焦实收率 由测试数据可知， 该回转窑的实收率约为 6 9 ％， 低于先进水平。 根据热平衡测试期间石油焦及煅烧 焦化验结果， 石油焦煅烧产生的热量高于 9 ．6 0 k J ／ t ， 而据相关资料显示 ， 煅烧热量仅需 2 ．7 8 k J ／ t p 3 ， 碳质 烧损大是导致实收率低的重要原因之一。 碳质烧损 是碳质在高温环境下被氧化造成的， 减少碳质的烧损 必须减少高温焦炭与氧气的接触 ， 采取提高窑头密 封 、 减少一次风的供给量和减少生焦中粉料含量等 方法解决。 如果进入窑内的生焦粉料太多， 不仅由于 其表面积大， 会增加碳质烧损， 而且会造成煅烧带的 波动， 同时粉料极易被气流带人燃烧室， 增加了燃烧 室的负荷。 在维持正常煅烧条件下， 尽量降低窑尾烟 气流速和温度， 使窑尾负压不要太大， 这样可以使焦 粉抽走量减少。另一有效措施是减少石油焦中粉尘 的含量 ， 为此 ， 物料在入窑前应进行筛分 ， 过大颗粒 应进行破碎， 较小的颗粒应进行球团化处理， 一般保 持粒径在 3 0 ～ 4 0 m m之间 。 3 。 4 降低窑头负压 由测试结果可知， 焚烧室出口含氧量约为 6 ％， C O含量在 2 ％ 左右， 沉灰室进口温度 9 8 0 0 ] 左右， 出 口 1 2 5 0 C 左右， 这说明还有一部分挥发分在窑内没 有完全燃烧。 由于窑尾存在较大的负压， 这些可燃气 体被抽人沉降室上方的燃烧室内继续燃烧， 从而造 成能源的极大浪费。 3 ． 5 改变供风位置及供风量 回转窑的二次风、三次风供风位置及供风量对 窑内的燃烧状况及温度分布有很大影响， 进而对石 油焦的成品质量起着决定性的作用。最佳的供风位 置及供风量应保证析出的挥发分能够尽快完全燃 烧， 使煅烧带维持一定的温度水平 ， 同时也应保证空 气系数合理， 不至于石油焦氧化烧损过大。 挥发分的 逸出位置和逸出速率以及二次风的供风位置是影响 挥发分在窑内的燃尽程度的主要因素。 3 ．6 减少石油焦中水分和挥发分的含量 从石油焦的化验分析可知 ， 石油焦中水分和挥 发分含量明显偏高。 石油焦经高温煅烧， 水分含量应 保持在 0 ． 3 ％以下。资料表明石油焦水分含量增大 5 ％， 煅烧实收率将下降 1 ． 3 8 ％t5 1 ， 同时， 石油焦中的 水分在高温下被快速汽化成过热蒸汽 ， 不仅造成物料 孔隙度增大， 而且也增加了窑尾总排烟量， 增大了排 烟热损失。 原料进厂后， 应使原料在仓库内的贮存周 期适当延长， 通过静置脱水和自然干燥的方法， 去掉 一 部分水分； 也可以配置石油焦干燥工段 ， 对进厂的 石油焦进行干燥， 保证石油焦的含水率降到 3 ％以下。 一 般石油焦挥发分含量控制在 1 0％左右较为 理想。 若石油焦挥发分含量偏大， 大量挥发分在排出 过程中会吸收窑内大量 的热 ， 部分挥发分还会被抽 到窑尾燃烧， 造成窑尾温度过高。 若石油焦挥发分含 量偏小， 则会导致煅烧带热量供应不足， 煅烧温度达 不到工艺要求， 操作上不得不采用增加空气和煤气 用量、 降低窑速、 提高窑头窑尾负压等方法以满足工 艺要求， 进而造成物料在窑内停留时间延长、 碳质烧 损加剧和粉焦抽出量增大等情况， 严重降低了实收 率， 增加了灰分含量， 而且也降低了煅烧焦的质量和 产量。 在实际生产中， 同一厂家在不同时期的石油焦 挥发分含量都有一定的波动， 因此， 应切合企业生产 实际， 对不同批次石油焦及时取样化验， 依据化验结 果进行合理配料后， 再堆料或上线煅烧。 4 结论 1 1 通过对煅烧回转窑进行热平衡测试， 得到了 该设备能量分布和利用情况， 结果表明 该炉窑的排 烟热损失是主要的热损失， 约占总支出热量的 8 2 ％。 热效率只有 1 4 ．7 2 ％， 能量利用效率低 ， 还有很大的 节能潜力 。 2 1 通过分析窑头温度、 煅烧焦实收率 、 窑头负 压 、供风位置和供风量以及石油焦 中水分和挥发分 的含量等参数对热效率的影响 ， 提 出了提高该炉窑 能量利用率的措施 。 参考文献 【 1 】王建兵． 回转窑煅烧石油焦清洁生产方案研究【 D 】 ． 天津 南开大 学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 】刘志山． 回转窑煅烧石油焦工艺分析及技术改造[ D ] ． 长沙 中南大 学， 2 0 0 5 ． 【 3 ]李圣华．石墨电极生产【 M 】 ．北京 冶金工业出版社， 1 9 9 7 ． 【 4 】孙 舫． 我国延迟石油焦原料现状及煅烧对策[ J 1 ．轻金属， 2 0 0 5 1 0 6 0 6 2 ． [ 5 1张有泉．提高回转窑煅烧实收率的过程控制[ J J _ 碳素工艺与设备 ， 2 0 0 7 1 2 1 1 6 1 1 9 ．