石墨化炉窑的节能分析及措施

文 / 陈英国

随着现代工业发展和科技进步，工业炉窑正由“高产型”走向“节能型”，在燃料技术、余热回收、耐火材料、计算机仿真与优化技术等方面都取得了长足的发展。炭素炉窑作为工业炉窑的一类，是炭素制品生产中的主要热工设备，也是三大热处理工序不可或缺的高能耗设备。未来的发展将以“节能”为研究中心，以“优质、高产、低能耗、少污染”为行动目标，因此，炭素炉窑的发展趋势与节能措施的研究是密不可分的。本文就炭素炉窑石墨化炉生产过程中的节约能源、降低能耗等方面的潜力和措施做简要分析。

石墨化炉是炭素制品生产的关键设备之一， 也是炭素生产过程中最大的耗能设备之一。石墨化炉生产电耗要占炭素制品生产总电耗的70%左右。据有关资料介绍，艾奇逊石墨化炉生产电耗约为4000～4800kwh/t，内热串接石墨化炉生产电耗约为3300～4000kwh/t。因此有效降低石墨化炉生产电耗是炭素企业节能减排的有效途径之一。

一、艾奇逊石墨化炉节能分析

石墨化炉未来发展尽管以内热串接为主，尤其批量生产大规格产品，但是艾奇逊石墨化炉在生产不同规格产品、异型产品以及装炉搭配和副产品创效上有自身独特的优势，因此至今仍被继续使用。艾奇逊石墨化炉是一种周期性生产的热工设备，通电时间长，散热损失大，热量利用率仅有30%左右，可见，研究并做好石墨化炉的节能工作具有重要意义。以下从5方面浅谈艾奇逊石墨化炉的节能措施。

1.根据热平衡显示，炉体散热是艾奇逊石墨化炉热量损失最严重的一项，因此，针对炉室保温料可以根据各项热力学参数进行理论分析，确定合理的保温料厚度，既可以最大限度的增加保温料厚度减少两侧炉墙烧损，还可以增加副产品SiC产量；既不使保温料过厚蓄热过多，也不让保温料过薄炉体散热损失过大，使保温料厚度处于合理的临界状态，将热能损耗降至最低。

2.艾奇逊石墨化炉炉头、炉尾端墙之间的填充料为石墨粉，尽管作为绝热材料但导热系数仍然较高，并且在生产过程中易烧损，需要定期补充并捣实，但在导电电极下方的填充料一旦烧损很难发现、填充和捣实，致使导电电极氧化，使生产成本增加，因此，可以采用其他的耐高温、绝热填充料代替石墨粉或者与石墨粉混合使用，如氧化铝粉等，可以减少端墙散热损失和导电电极氧化。

3.艾奇逊石墨化炉导电电极的冷却方式有直接水喷淋冷却（外冷）和封闭式间接水冷却（内冷）两种，建议尽量采用内冷方式，一方面可以使冷却水不用净化，实现循环利用，节约水资源（蒸发损耗），另一方面还可以减少水蒸气对导电铜排等金属的腐蚀，节约生产成本。

4.艾奇逊石墨化炉炉底蓄热和散热也是热能损失较为严重的一项。减少炉底散热损失可以从炉底基础着手，有技术研究在炉底采取错位空隙砌筑可以减少热传递，经分析是可行的，因为静止的空气不发生对流传热和热辐射，是最好的绝热材料，在炉底平均温度为1000℃时，黏土质耐火材料的导热系数为1.28～1.42 W/(mK），而此时干空气的导热系数仅为0.0807 W/(mK），在温度低时导热系数更低，因此采用错位空隙砌筑、利用静止空气绝热的特性在减少炉底热量损失上具有可行性；其次，加强炉底余热利用，仿效建筑行业的地热采暖，在炉底铺设循环管线，利用炉底热量逆向加热管线内的水供生产生活使用，使炉底热量得到充分利用，提高石墨化炉的能源利用率。

5.结合上述节能措施，可以将导电电极的冷却出水管与炉底循环管线相连接，冷却水经导电电极换热后直接进入炉底管线，由于热能总是从高温物体传向低温物体或者从物体的高温部位传向低温部位的特性，可以分析，如果炉底温度高于管线内热水温度，则可以继续给管线加热，使水温得到进一步提高，甚至可以产生蒸汽；反之，如果管线内水温高于炉底温度，则可以利用冷却导电电极的热水热量加热炉底，使炉底不仅不向外损失热量，而且还能加热保温料，使石墨化炉的热量向炉内聚集。因此，无论是冷却导电电极的水温高或低，在减少炉底散热损失和能源利用上都能为艾奇逊石墨化炉节约大量热能。

二、内热串接石墨化炉节能分析

内热串接石墨化炉是一种不用电阻料，电流直接通过由数根焙烧品纵向串接的电极柱产生高温使焙烧品石墨化的炉窑设备。目前，国内外已有多家炭素企业采用内热串接石墨化技术生产大规格超高功率石墨电极，与艾奇逊石墨化炉相比，具有加热速度快、电耗低、石墨化程度均匀等优点，表1为艾奇逊石墨化炉与内热串接石墨化炉热平衡的比较参数。

表1 艾奇逊石墨化炉与内热串接石墨化炉热平衡

根据热平衡比较显示，内热串接石墨化炉比艾奇逊石墨化炉热量损失低26%，节能的主要原因是内热串接石墨化炉完全利用装入焙烧品的自身电阻发热，通电时间较短，由保温料向周围空间辐射的热量损失较少；艾奇逊石墨化炉大量电能用于加热电阻料，通过电阻料的电阻发热使焙烧品达到高温，在通电后期，为使全炉各处温度都达到较高水平，需要在高功率下继续通电数小时，而内热串接石墨化炉却不需要，因此，内热串接石墨化炉在节约能源和产品产量上较艾奇逊石墨化炉具有很大的优势，内热串接石墨化工艺具有“优质、高效、低耗”的特点，是未来石墨化炉发展的方向。

三、石墨化炉窑节能的其它途径与措施

（一）生产工艺创新

根据炉窑设备状况确定合理的升温曲线，大力推进艾奇逊石墨化炉的工艺革新，使炉窑的温度、能耗等指标合理受控。在艾奇逊石墨化炉工艺，加大研究送电曲线、装炉技术、保温料配比和能源利用的力度。

（二）技术改造

技术改造主要体现在炉窑设备的结构改进和新材料新技术的应用上，由于工业炉窑砌筑将向整体化和轻型化方向发展，因此，应用新型耐火材料是工业炉窑未来节约能源的主要发展趋势。炉窑的技术改造可以利用炉窑设备的日常维护、大中修等对炉体结构进行技术革新。在艾奇逊石墨化炉上，减少导电铜排电损，提高电流密度以及提高导电电极理化指标等，均可为炉窑设备节约大量能源，国内也有许多相关方面的研究和成形的技术可供参考。因此，在技术改造上专业技术管理人员要立足本岗，挖掘潜能，结合实际，不断开拓，要勇于向技术要创新，向设备要效益。

（三）强化管理

炉窑设备的最大节能潜力最重要的不仅仅是改进炉型结构、采用新材料新技术，而且在于加强生产管理，如：加强生产计划组织、改进加热工艺、优化升温曲线、加强炉窑的维护和修理、规范操作人员严格按照标准规程进行操作等。技术改造是炉窑设备节能的关键，而管理才是炉窑节能的基础保证，先进的技术必须与先进的管理措施有机结合，才能达到炉窑设备节能降耗的最佳效果。因为生产上的一个疏忽、维护上的一个怠慢就可能会造成能源的过度消耗和热能的大量流失，因此，需要炉窑技术管理人员和操作使用人员共同树立节能意识、节约意识、大局意识和责任意识。技术管理人员是炉窑设备的管理者和监控者，要充分重视炉窑的能源管理控制、重视炉窑的能耗动态变化、重视炉窑的经济效益优化，全员参与管理、全过程推进和全方位考核，在不付出任何额外投资的情况下争取获得显著的节能效果。

四、结束语

炭素企业石墨化炉生产过程中的节约能源、降低能耗的工作，是一个复杂的系统工程，也是现代炭素企业生产从“高产型”转向“节能型”的必由之路。首先要加强炭素企业炉窑设备的生产工艺技术创新和改进工作；其次要加快炭素炉窑的技术改造、结构改进工作，同时大力推广新型节能材料和新技术的应用。再次要强化炉窑设备的管理，炉窑技术管理人员和操作使用人员共同树立节能意识，形成全员参与管理、全过程推进和全方位考核的节能减排管理体系，以达到节能减排的目的。从而实现炭素企业石墨化炉窑由“高产型”向“节能型”转变，以实现企业增效和国家节能减排综合目标。