工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳技術(shù)應(yīng)用案例2 鋁用炭素焙燒爐提質(zhì)節(jié)能技術(shù)項(xiàng)目

案例2鋁用炭素焙燒爐提質(zhì)節(jié)能技術(shù)項(xiàng)目主要完成單位：中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司主要完成人員：劉建軍、羅英濤、孫麗貞、蘇自偉、胡聰聰、王玉杰、李賀鋁是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重要產(chǎn)品，而鋁用炭素焙燒爐是用于生產(chǎn)鋁的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于焙燒鋁土礦以制取鋁的過程。焙燒是鋁用炭素制品生產(chǎn)關(guān)鍵工藝過程之一，也是能耗最大的環(huán)節(jié)，直接影響到陽極質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)過程中碳排放。一、項(xiàng)目背景鋁用炭素行業(yè)為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳，必須進(jìn)一步降低炭陽極焙燒環(huán)節(jié)的能源消耗。目前焙燒環(huán)節(jié)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括焙燒爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)呈周期性波動(dòng)，缺乏對(duì)爐內(nèi)溫度、氣氛、壓力、焙燒效果等工況運(yùn)行規(guī)律的深入掌握，節(jié)能降耗難度大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等。目前國(guó)內(nèi)陽極炭塊的焙燒天然氣消耗多在50-70Nm3/t-C，陰極炭塊的焙燒天然氣消耗為90-120Nm3/t-C，焙燒爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀況對(duì)焙燒能耗狀況影響很大，但都遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的焙燒爐設(shè)計(jì)目標(biāo)，即陽極天然氣消耗50-55Nm3/t-C（1.8-2.0GJ/t-C）。所以，有必要結(jié)合實(shí)際情況采用新結(jié)構(gòu)、應(yīng)用新材料和研發(fā)新技術(shù)，在保證焙燒效果的前提下實(shí)現(xiàn)焙燒大幅度節(jié)能，突破復(fù)雜的綜合系統(tǒng)技術(shù)瓶頸，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司開展鋁用炭素焙燒爐提質(zhì)節(jié)能技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)運(yùn)行焙燒爐天然氣單耗高、火道使用周期短、爐況不穩(wěn)定，焙燒均質(zhì)性差等現(xiàn)狀，從溫度場(chǎng)分布透視、焙燒效果控制、煙氣成分解析、生產(chǎn)運(yùn)行工藝優(yōu)化、節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)等各方面進(jìn)行研究，建立了國(guó)內(nèi)唯一的焙燒爐綜合測(cè)試平臺(tái)，在國(guó)際上首次開發(fā)了陽極焙燒爐提質(zhì)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)。在保證焙燒塊質(zhì)量的前提下，可降低焙燒天然氣消耗。二、創(chuàng)新點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)內(nèi)容創(chuàng)新點(diǎn)1：研制了多因素優(yōu)化節(jié)能型焙燒爐型傳統(tǒng)焙燒爐多采用單一系統(tǒng)、單一爐室、單一料箱設(shè)計(jì)，能源利用效率相對(duì)較低，焙燒的均勻性、穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率均有待提高。為解決上述問題，項(xiàng)目研制了“多系統(tǒng)-多爐室-多料箱-高填充率-強(qiáng)化保溫”的多因素優(yōu)化節(jié)能型焙燒爐型，設(shè)計(jì)建設(shè)大型工業(yè)窯爐。具體而言，研發(fā)了在聯(lián)跨廠房基礎(chǔ)上的多系統(tǒng)、多爐室、多料箱、高填充料箱的“三多一高”節(jié)能型大型焙燒爐，產(chǎn)能由常規(guī)爐型的6-7萬噸/年·臺(tái)提高至12-40萬噸/年·臺(tái)，提高單臺(tái)焙燒爐產(chǎn)量，降低跨接爐室和邊部火道散熱損耗。同時(shí)，項(xiàng)目開發(fā)了新型保溫結(jié)構(gòu)，采用高性能耐火材料和保溫材料，設(shè)計(jì)新型可調(diào)節(jié)負(fù)壓連通火道、新型保溫爐面預(yù)制塊，加強(qiáng)了爐體保溫性能，減少散熱耗能。有效地提高余熱回收效果，提高熱利用效率，實(shí)現(xiàn)低能耗高質(zhì)量的目標(biāo)，噸陽極天然氣能耗由80~100Nm3降至50Nm3，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。綜合來看，項(xiàng)目所采用的工藝在設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料方面均有所優(yōu)化和創(chuàng)新，能夠顯著提高焙燒爐的生產(chǎn)能力、能效表現(xiàn)和產(chǎn)品質(zhì)量，為工業(yè)生產(chǎn)提供了更加可靠和高效的設(shè)備和技術(shù)支持。圖SEQ圖\*ARABIC61節(jié)能型焙燒爐工程技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)2：改進(jìn)了焙燒爐提質(zhì)節(jié)能測(cè)試診斷技術(shù)傳統(tǒng)焙燒爐的溫度檢測(cè)設(shè)備通常只能對(duì)焙燒爐表面或者局部區(qū)域進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)范圍有限，焙燒效果評(píng)價(jià)缺乏科學(xué)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通常依靠經(jīng)驗(yàn)判斷焙燒效果、容易出現(xiàn)誤差，并且對(duì)煙氣特性的監(jiān)測(cè)較為有限，難以準(zhǔn)確判斷焙燒過程中的燃燒狀態(tài)和氣體排放情況，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定或者能源浪費(fèi)等問題。針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)問題，項(xiàng)目研發(fā)了“溫度場(chǎng)四維透視-等效焙燒效果測(cè)控-特征煙氣解析”多參數(shù)共檢的焙燒爐提質(zhì)節(jié)能測(cè)試診斷技術(shù)。其中，溫度場(chǎng)四維透視包括：開發(fā)了耐高溫耐腐蝕多節(jié)點(diǎn)超長(zhǎng)測(cè)溫傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)火道和料箱內(nèi)不同深度的溫度測(cè)試；以及設(shè)計(jì)定制了多通道連續(xù)化數(shù)據(jù)記錄儀，實(shí)現(xiàn)從裝爐到出爐溫度的連續(xù)記錄。測(cè)量整個(gè)焙燒周期內(nèi)（時(shí)間維度）爐內(nèi)三維空間內(nèi)的溫度變化，以付諸實(shí)現(xiàn)陽極均勻焙燒。圖SEQ圖\*ARABIC62測(cè)試點(diǎn)分布示意圖等效焙燒效果測(cè)控包括：開發(fā)了用于科學(xué)定量評(píng)價(jià)焙燒效果的焙燒等效溫度技術(shù)；研制測(cè)定用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品（國(guó)家標(biāo)樣GSB04-3308-2016），明確了“等效溫度標(biāo)準(zhǔn)樣品-放入坩堝-放入炭碗-焙燒-出爐取出標(biāo)樣-分析Lc值-計(jì)算等效溫度”的具體流程，以防止焙燒過度或不足。此外，焙燒爐煙氣特性解析主要通過研制耐高溫多參數(shù)煙氣成分傳感器實(shí)現(xiàn)，有效地測(cè)量與分析火道內(nèi)高溫（1000℃）煙氣的O2、CO2、CO、CXHY、SO2、H2O等成分以及溫度、流速等參數(shù)，以判斷揮發(fā)分的析出與燃燒狀態(tài)，指導(dǎo)節(jié)能措施。 圖SEQ圖\*ARABIC63焙燒爐煙氣特性測(cè)試與解析創(chuàng)新點(diǎn)3：開發(fā)了焙燒爐提質(zhì)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)傳統(tǒng)焙燒爐溫度分布不均勻，控制焙燒效果可能較為困難，依賴于經(jīng)驗(yàn)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，易導(dǎo)致焙燒效果不一致、影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)的時(shí)代局限性，傳統(tǒng)焙燒爐通常存在揮發(fā)分燃燒不完全或蓄熱利用不充分的情況，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。針對(duì)上述問題，項(xiàng)目開發(fā)了“溫度分布均衡-焙燒效果調(diào)控-蓄熱最大化利用-揮發(fā)分充分燃燒”多措并舉的焙燒爐節(jié)能運(yùn)行技術(shù)，優(yōu)化焙燒工藝曲線，降低焙燒能耗，提高和穩(wěn)定炭塊焙燒質(zhì)量。圖SEQ圖\*ARABIC64焙燒爐提質(zhì)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)示意圖三、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與推廣價(jià)值鋁用炭素焙燒爐提質(zhì)節(jié)能技術(shù)項(xiàng)目技術(shù)適宜于鋁用炭素焙燒的提質(zhì)降碳，通過外部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部監(jiān)測(cè)診斷結(jié)果，開發(fā)“溫度分布均衡-焙燒效果調(diào)控-蓄熱最大化利用-揮發(fā)分充分燃燒”多措并舉的焙燒爐節(jié)能運(yùn)行技術(shù)，優(yōu)化焙燒工藝曲線，降低過程能耗，提高和穩(wěn)定炭塊焙燒質(zhì)量。根據(jù)中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司在10余家企業(yè)的應(yīng)用案例測(cè)算結(jié)果，企業(yè)技術(shù)改造后均有較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益，其中兩家典型企業(yè)在3年內(nèi)增效1.22億元。同時(shí)，項(xiàng)目還具有顯著的環(huán)境效益。項(xiàng)目降低炭素焙燒陽極氣耗，降低工人暴露在有害環(huán)境中的時(shí)間，減少環(huán)境污染與碳排放。其中，兩家典型企業(yè)噸陽極減少碳排放分別為64kg和28kg。2021年我國(guó)工業(yè)爐窯行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為570億元，但整體增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)相對(duì)收縮的態(tài)勢(shì)。主要是由于環(huán)