铝用炭素阴极敞式焙烧炉低温带火焙烧燃控系统

张红亮，任 伟

（山西亮宇炭素有限公司铝用炭素工程技术中心，山西 晋中 030600）

1 低温带火焙烧燃控系统概述

炭素生制品的焙烧过程实质上就是粘结剂的焦化过程，是炭素制品生产的关键环节。炭素生制品通常是在隔绝空气的条件下按照一定的升温速度进行间接加热，在升温的过程中使生制品内部的粘结剂发生分解、聚合、焦化反应，在原有的颗粒、炭粉之间形成新的焦化网络，使焙烧制品的物理、化学性能发生一系列的变化。

新近研发的低温带火焙烧燃控系统对炭素生制品的焙烧控制是从低温预热阶段开始，直到高温焙烧结束，实施的是全过程的温度管控和烟气氮氧化物排放控制。新型控制系统能够克服现用系统的弊端，焙烧制品的性能指标和质量指标均优于原有系统，其控制过程主要分为三个阶段。

低温带火焙烧燃控系统主要包括：低温燃控装置（低温燃烧架）、中温燃控装置（中温燃烧架）、高温燃控装置（高温燃烧架）、排烟装置、网络设施以及中控操作站等设备设施。整个燃控系统共分为两个火焰系统，每个火焰系统可下挂8-13个炉室的燃烧架以及排烟架。在控制室设置的系统操作站可对整个焙烧炉面燃控设备实施监控和管理。按照焙烧温度制度的要求，燃控系统将整个升温控制过程分三个阶段，第一阶段是低温预热温度控制，第二阶段是中温加热温度控制，第三阶段是高温烧结温度控制。制品在不同的温度阶段，控制策略不同，硬件配置也不同，实施差异化燃控策略，对焙烧炉温度制度进行贯彻，精准执行。炭素阴极焙烧炉燃控装置配置示意图见图8。

1.1 低温预热阶段的燃控策略

低温预热阶段，火道温度控制在＜350℃。在这个阶段制品粘结剂几乎没有挥发份溢出，其理化特性也没有大的变化，只是粘结剂软化，并在重力和表面张力的作用下有横向和纵向迁移的趋势，但如果制品温度控制不好，粘结剂的迁移期过长，就会造成粘结剂的大量迁移，焙烧后的制品焦化网络存在严重缺陷，空头大量产生，影响制品质量。所以，该阶段焙烧控制的主要任务是提高升温速度，让粘结剂迁移期尽早结束，防止空头的过量产生。

目前，国内对低温预热阶段的温度是通过排烟架的烟气挡板来间接调节，控制效果不理想，并且，直接影响到上游火道的温度控制，给控制系统带来强烈的干扰，火道温度波动大，对温度制度的执行带来困难。

新型低温带火焙烧燃控系统采用低温快燃技术，较好地解决了安全和快速升温之间的矛盾，利用高速自动烧嘴可迅速提升功率的特点，使低温预热阶段的火道温度可控可调快速提升，自动点火，熄火自动切断燃气，并报警，具备良好的安全性能。

1.2 中温加热阶段燃控策略

该阶段火道温度控制在350～650℃，这个阶段也是粘结剂析出焦化的关键阶段，系统控制的升温速度慢，这将有利于制品内部粘结剂焦化网络的形成和巩固。火道温度从350℃到650℃期间，粘结剂挥发分大量排出，在这个阶段如果升温速度过快，会造成挥发份骤然急剧溢出，产生裂纹，造成制品结构疏松、气孔率增加、体积密度降低。

另外，在此阶段，由于烟气温度较低，燃气无法自行燃烧，一旦熄火，火道温度不升反降，烟气中携带燃料影响到下游设备和炉室的安全运行。

新型低温带火焙烧燃控系统在在这一阶段采用自动燃烧器，自动点火，熄火自动切断燃气等燃烧控制技术，调火控温，降低升温速率，防止挥发份大量溢出，让挥发份有序燃烧，避免了在焦油挥发期间，火道温度大幅波动对制品质量的影响，并且具备良好的安全性能。

1.3 高温烧结阶段的燃控策略

当制品焙烧到850℃时，粘结剂的焦化作用已经基本完成，但是为了使焦化过程更加完善，进一步提高制品的各项物理化学性能，还需要将火道温度提高到1200℃左右。此阶段升温速度加快，并且在最高温度下保温,以减少制品在焙烧质量上的差异。

在此阶段，新型低温带火焙烧燃控系统采用高温机械烧嘴高速喷射燃气，长火焰进行调火控温，完成制品焙烧。

1.4 火道负压控制策略

焙烧炉的燃烧控制要充分利用冷却炉室残余的固体蓄热，一方面可以对焙烧制品进行降温，另一方面也可以对助燃空气进行预热，降低燃气消耗和运行成本。对火道负压实施控制有助于稳定燃烧工况，避免过氧燃烧浪费燃气，同时也可以保证挥发份的有序燃烧，改变通过调节负压控制预热炉室的温度的传统做法，稳定上游炉室的燃烧工况，这对焙烧炉实施温度精确控制奠定了基础。

1.5 排放烟气氮氧化物含量控制

采用选择性非催化还原方法脱硝，并根据排放烟气中氮氧化物的指标适当调整还原剂的供给量来控制。

2 燃控装置的配置及原理

随着炭素行业下游企业冶炼技术的提升，原有的炭素焙烧炉燃控设备的配置和硬件设施越来越难以适应客户对炭素制品质量的要求，目前，国内炭素焙烧炉的装炉量越来越大，传统的燃控设备的局限性也显得越发突出。制品低温预热阶段要求快速升温，传统的燃控系统处于安全考虑没有配备燃控设备；中温加热炉室由于燃气熄火无法检测，安全隐患大，温度控制方式简单粗放，难以满足慢升温的控制要求；高温烧结阶段串火、返火现象时有发生，这些问题的存在，迫切需要对传统燃控设备进行性能提升以满足使用要求。

因此，根据敞式焙烧炉火道温度和负压分布情况（图2），以及制品各阶段燃控特点和火道的燃烧工况，配置燃控设备，重新布局才能生产出高质量的炭素制品。

图2 炭素阴极焙烧炉火道温度及烟气负压运行模型

2.1 制品低温预热阶段设备配置及控制原理

制品在这一阶段实施带火焙烧，以弥补预热炉室热量的不足，能迅速提升火道温度，

实现制品预热阶段快速升温的目的。

在该阶段燃控设备配备有低温燃烧架（图3），架上装备（图4）有：高速自动烧嘴、空燃比例机构、测温元件和控制柜，可实现现场自动控制、安全联锁和远程管理。

图3 低温燃烧架结构示意图

图4 低温燃烧架燃烧控制硬件配置示意图

该阶段的温度控制是以预热阶段曲线温度作为温度控制的目标并和火道当前实测温度比较，实施算法控制，天然气和空气按一定比例混合，确保自动点火和持续燃烧，火焰熄灭自动检测报警，并再次点火，点火失败后自动切断燃气，防止天然气泄漏引发安全事故。控制原理见图5。

图5 低温燃烧架燃烧控制原理图

2.2 制品中温加热阶段设备配置及控制原理

制品在这一阶段实施自动点火焙烧，避免操作人员频繁操作和燃烧器熄火给焙烧炉和净化系统带来安全隐患。在该阶段燃控系统小火焙烧，缓慢升温，提高制品粘结剂的成焦率。

在该阶段燃控设备（图6）配备有中温燃烧架，架上装备有燃气调节阀、自动烧嘴、测温元件和控制柜（图7），可实现现场自动控制、安全联锁和远程管理。

图6 中温燃烧架结构示意图

图7 中温燃烧架燃烧控制硬件配置示意图

该阶段的温度控制是以中温加热阶段曲线温度作为温度控制的目标并和火道当前实测温度比较，实施算法控制、自动点火、火焰检测、安全联锁和熄火报警等功能，避免火道串火、串气和温度失控等现象的发生，让挥发份有序释放，缓慢燃烧。控制原理见图8。

图8 中温燃烧架燃烧控制原理图

2.3 制品高温烧结阶段设备配置及控制原理

制品在高温烧结阶段，按照焙烧温度制度的要求，升温速度加快，并在高温状态下保温，消除制品内外温差。但是该阶段制品所在炉室处于火焰系统的末端，火道负压低，特别是在火焰系统中存在失修炉室，会出现燃烧状态不稳定、串火、返火等现象，造成该阶段升温速度慢，影响下游燃控装置的温度控制。

在该阶段燃控设备（图9）配备有高温燃烧架，架上装备有：燃气阀、高温烧嘴、测温元件和控制柜（图10），可实现现场自动控制、安全联锁和远程管理。控制原理见图11。

图1 炭素阴极焙烧炉燃控装置配置示意图

图9 高温燃烧架结构示意图

图10 高温燃烧架燃烧控制硬件配置示意图

图11 高温燃烧架燃烧控制原理图

该阶段燃控系统的控制策略是：

2.4 排烟装置

排烟架（图12）的功能是调节各火道负压，确保燃料，包括挥发份能够在火道中有充足的氧气燃烧，让焙烧尾气经排烟架排出至净化系统。

图12 排烟架结构示意图

架上配备有电动烟气负压调整挡板、负压变送器、测温元件和控制柜，可实现现场自动控制、安全联锁和远程管理(图13)。

图13 排烟架燃烧控制硬件配置示意图

新型低温带火焙烧燃控系统负压控制的目的是：建立火焰系统稳定的燃烧控制环境，确保制品在中温阶段温度控制精准、燃气燃烧充分，避免火道氧含量过高，浪费燃气。

具体实施时可根据烟气中含氧量的富裕程度确定火焰系统的负压基准，并实施控制。控制原理见图14。

图14 排烟架燃烧控制原理图

2.5 SNCR脱硝及烟气阻火装置

SNCR架是还原剂定量投放架(图15)，操作人员可根据排放烟气中氮氧化物的含量设定排放速度,控制其指标排放。控制原理见图16。

图15 SNCR架结构示意图

图16 SNCR架电气控制配置示意图

另外，为了防止净化系统烟道着火，在焙烧炉出口烟道上安装高压喷淋装置，喷雾阻火。设备配置见图17。

图17 排烟脱硝阻火装置示意图

3 控制室操作控制站

控制室操作站(图18)PC通过交换机和现场各类燃烧架和排烟架通讯，采集各火焰系统的参数，对炭素制品焙烧过程进行管理和控制。

图18 中控室操作控制站示意图

控制室操作站(图19)具备以下功能：⑴ 显示PC和现场各燃烧架和排烟架的通讯状态；⑵ 允许操作人员修改或绘制焙烧曲线；⑶ 操作界面通过形象化的图表显示各炉室火道温度、烟气负压等参数，通过文字和图形对燃烧状态预警，可对控制参数设定值进行修改；⑷ 故障监测与报警信息跟踪记录。

图19 炭素阴极焙烧燃控系统示意图

控制室操作站上可绘制5条焙烧标准曲线，并可通过网络下载到各燃烧架和排烟架的PLC中，供选择调用。标准曲线的绘制操作见图20。

图20 标准曲线的绘制操作界面示意图

控制室操作站上的操作界面，按火焰系统分别显示，可在一幅画面上显示各火道温度负压以及炉号、工作状态，燃烧器熄火点火，温度传感器是否损坏等报警信息。操作站的操作界面见图21。

图21 操作站操作界面示意图