工业领域绿色低碳技术应用案例2 铝用炭素焙烧炉提质节能技术项目.docx

案例2铝用炭素焙烧炉提质节能技术项目主要完成单位：中铝郑州有色金属研究院有限公司主要完成人员：刘建军、罗英涛、孙丽贞、苏自伟、胡聪聪、王玉杰、李贺铝是支撑我国经济社会高质量发展的重要产品，而铝用炭素焙烧炉是用于生产铝的关键设备之一,主要用于焙烧铝土矿以制取铝的过程。焙烧是铝用炭素制品生产关键工艺过程之一，也是能耗最大的环节，直接影响到阳极质量、生产成本和生产过程中碳排放。一、项目背景铝用炭素行业为响应国家“双碳”战略、实现节能降碳，必须进一步降低炭阳极焙烧环节的能源消耗。目前焙烧环节面临诸多挑战，包括焙烧炉结构复杂、生产运行状态呈周期性波动，缺乏对炉内温度、气氛;、压力、焙烧效果等工况运行规律的深入掌握，节能降耗难度大、产品质量不稳定等。目前国内阳极炭块的焙烧天然气消耗多在50-70Nm3t-C,阴极炭块的焙烧天然气消耗为90-120Nm'/"C,焙烧炉的设计和运行状况对焙烧能耗状况影响很大，但都远高于国内外先进的焙烧炉设计目标，即阳极天然气消耗50-55Nm%-C(1.8-2.0GJt-C)0所以，有必要结合实际情况采用新结构、应用新材料和研发新技术,在保证焙烧效果的前提下实现焙烧大幅度节能，突破复杂的综合系统技术瓶颈，推动产业绿色高质量发展。中铝郑州有色金属研究院有限公司开展铝用炭素焙烧炉提质节能技术，针对现运行焙烧炉天然气单耗高、火道使用周期短、炉况不稳定，焙烧均质性差等现状，从温度场分布透视、焙烧效果控制、烟气成分解析、生产运行工艺优化、节能优化设计等各方面进行研究，建立了国内唯一的焙烧炉综合测试平台，在国际上首次开发了阳极焙烧炉提质节能关键技术。在保证焙烧块质量的前提下，可降低焙烧天然气消耗。二、创新点及相关技术内容创新点1:研制了多因素优化节能型焙烧炉型传统焙烧炉多采用单一系统、单一炉室、单一料箱设计，能源利用效率相对较低，焙烧的均匀性、稳定性和产品的质量、生产效率均有待提高。为解决上述问题，项目研制了"多系统-多炉室-多料箱-高填充率-强化保温”的多因素优化节能型焙烧炉型，设计建设大型工业窑炉。具体而言，研发了在联跨厂房基础上的多系统、多炉室、多料箱、高填充料箱的“三多一高”节能型大型焙烧炉，产能由常规炉型的6-7万吨/年台提高至12-40万吨/年台，提高单台焙烧炉产量，降低跨接炉室和边部火道散热损耗。同时，项目开发了新型保温结构，采用高性能耐火材料和保温材料，设计新型可调节负压连通火道、新型保温炉面预制块，加强了炉体保温性能，减少散热耗能。有效地提高余热回收效果，提高热利用效率，实现低能耗高质量的目标，吨阳极天然气能耗由80100Nm3降至50NmI长期稳定运行。综合来看，项目所采用的工艺在设计、结构和材料方面均有所优化和创新，能够显著提高焙烧炉的生产能力、能效表现和产品质量，为工业生产提供了更加可靠和高效的设备和技术支持。图1节能型焙烧炉工程技术创新点2：改进了焙烧炉提质节能测试诊断技术传统焙烧炉的温度检测设备通常只能对焙烧炉表面或者局部区域进行温度监测、监测范围有限，焙烧效果评价缺乏科学的评价标准，通常依靠经验判断焙烧效果、容易出现误差，并且对烟气特性的监测较为有限，难以准确判断焙烧过程中的燃烧状态和气体排放情况，导致产品质量不稳定或者能源浪费等问题。针对上述现实问题，项目研发了“温度场四维透视-等效焙烧效果测控-特征烟气解析”多参数共检的焙烧炉提质节能测试诊断技术。其中，温度场四维透视包括：开发了耐高温耐腐蚀多节点超长测温传感器，实现对火道和料箱内不同深度的温度测试；以及设计定制了多通道连续化数据记录仪，实现从装炉到出炉温度的连续记录。测量整个焙烧周期内（时间维度）炉内三维空间内的温度变化，以付诸实现阳极均匀焙烧。边部料箱中间料箱图2测试点分布示意图等效焙烧效果测控包括：开发了用于科学定量评价焙烧效果的焙烧等效温度技术；研制测定用国家标准样品（国家标样GSB04-3308-2016）,明确了"等效温度标准样品放入土甘蜗-放入炭碗-焙烧-出炉取出标样-分析LC值-计算等效温度”的具体流程，以防止焙烧过度或不足。此外，焙烧炉烟气特性解析主要通过研制耐高温多参数烟气成分传感器实现，有效地测量与分析火道内高温（100OC。）烟气的02、CO2、8、CXHY.So2、H2O等成分以及温度、流速等参数，以判断挥发分的析出与燃烧状态，指导节能措施.a-Da- -Pci55一试分示图测点布意ItInJOOOlC0DD0moQ皿DGoccoo!CDCOOCCD I!ECOg§zooD00D3D图3焙烧炉烟气特性测试与解析创新点3:开发了焙烧炉提质节能运行技术传统焙烧炉温度分布不均匀，控制焙烧效果可能较为困难，依赖于经验和手动调节，易导致焙烧效果不一致、影响产品质量。同时，由于设计的时代局限性，传统焙烧炉通常存在挥发分燃烧不完全或蓄热利用不充分的情况，导致能源浪费。针对上述问题，项目开发了“温度分布均衡-焙烧效果调控-蓄热最大化利用-挥发分充分燃烧”多措并举的焙烧炉节能运行技术,优化焙烧工艺曲线，降低焙烧能耗，提高和稳定炭块焙烧质量。6&吟”温度分布 火g藐一均衡性调控技术HS o.,.M 力XCItAH HMMI 火溟 M挥发分充分燃烧调中磁术图4焙烧炉提质节能运行技术示意图三、经验总结与推广价值铝用炭素焙烧炉提质节能技术项目技术适宜于铝用炭素焙烧的提质降碳，通过外部结构与内部监测诊断结果，开发“温度分布均衡-焙烧效果调控-蓄热最大化利用-挥发分充分燃烧”多措并举的焙烧炉节能运行技术，优化焙烧工艺曲线，降低过程能耗，提高和稳定炭块焙烧质量。根据中铝郑州有色金属研究院有限公司在10余家企业的应用案例测算结果，企业技术改造后均有较为明显的经济效益，其中两家典型企业在3年内增效1.22亿元。同时，项目还具有显著的环境效益。项目降低炭素焙烧阳极气耗，降低工人暴露在有害环境中的时间，减少环境污染与碳排放。其中，两家典型企业吨阳极减少碳排放分别为64kg和28kg。2021年我国工业炉窑行业市场规模为570亿元，但整体增长幅度呈现相对收缩的态势。主要是由于环保限产、各行各业对环保要求的升级等，更新置换与产能置换需求成为行业最为主要的需求，具有高附加值的特种玻璃等领域的高端窑炉成为行业市场最为主要的增量，行业需求逐渐放缓。因此，铝用炭素焙烧炉提质节能技术项目经验具有显著的推广潜力，有助于提升产品经济效益与环境效益。