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年产5500吨高纯石墨生产工艺流程全解
发布时间:2020-10-16 20:00    文章作者:pt视讯

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  年产 5500 吨高纯石墨窑炉节能技术改造项目 可行性研究报告 1 第三章 产品市场预测及改造规模 3.1 石墨国内市场预测 3.1.1 石墨级石墨制品的性质、用途及其制品 石墨是典型的层状结构物质,碳原子成层排列,每个碳原子 与相邻碳原子之间等距相连,每一层中的碳原子按六方形环状排 列,上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置 形成层状结构,位移的方向和距离不同就导致不同的结构。上下 两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大(层内 C-C 间=0.142nm,层间 C-C 间距=0.340nm)。石墨由于其结构而具有 以下性质: 1、耐高温型:石墨的熔点为 3850±50℃,沸点为 4250℃, 即使经超高温电弧灼烧,重量的损失也很小。其热膨胀系数很小, 石墨强度随温度升高而加强,在 2000℃时,石墨强度比提高一 倍。 2、导电、导热性:石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。 导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低, 甚至在极高的温度下,石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨 中每个碳原子与其他碳原子之间只形成 3 个共价键,每个碳原子 仍然保留 1 个自由电子来传输电荷。 3、润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片 越大,摩擦系数越小,润滑性能也就越好。 2 4、化学稳定性:石墨在常温下有良好的化学稳定性,能耐 酸、碱有机溶剂的腐蚀。 5、可塑性:石墨的韧性好,可碾成很薄的薄片。 6、抗热震性:石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变 化而不致破坏,温度突变时,石墨的体积变化不大,不会产生裂 纹。 石墨因其独特的性能而广泛运用于冶金、机械、石油、化工、 电子、建材、地质、轻工等领域,主要有以下用途: 1、作耐火材料:石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质, 在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚,在炼钢中常用石墨作钢锭 保护剂、冶金炉的内衬。 2、作导电材料:在电气工业上用来制造电刷、碳棒、碳管、 水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件,电视机显像管的涂层 等。 3、作耐磨润滑材料:石墨在机械工业中常作为润滑剂。润 滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用,而石墨耐磨材 料可以在 200-2000 ℃温度和很高的滑动速度下不使用润滑油工 作。许多输送腐蚀介质的设备广泛采用石墨材料制成的活塞环、 密封圈和轴承,它们运转时不需要加入润滑油。石墨乳也是许多 金属加工(拔丝、拉管)时的良好润滑剂。 4、石墨具有良好的化学稳定性:经过特殊加工的石墨,具 有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点,大量用于制作热交换器, 3 反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、 泵设备等,广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤 维、造纸等工业领域,能够节省大量的金属材料。 5、作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料:由于石墨的热膨 胀系数小,且能耐急冷急热的变化,可作为玻璃器的铸模,使用 石墨后所得铸件尺寸精确,表面光洁,成品率高,不经加工或稍 作加工就可使用,因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶 金工艺,通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶 体生长坩埚,区域精炼容器,支架夹具,感应加热器等都是用高 纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板、底 座、高温电阻炉炉管和棒、板、格棚等元件。 6、用于原子能工业和国防工业:石墨是良好的中子减速剂, 可用于原子反应堆中,铀—石墨反应堆是目前应用较多的一种原 子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高 熔点、稳定性、耐腐蚀性,石墨完全可以满足上述要求。原子反 应堆用的石墨,纯度要求很高,杂质含量不应超过几十个 PPM, 特别是其中硼含量应少于 0.5PPM。在国防工业中还用石墨制造 固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零件、隔热 材料和防射线材料。 随着科学技术的不断发展,人类也开发了许多石墨的新用 途。如柔性石墨密封材料,解决了原子能阀门泄漏问题,石墨还 是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,是制造铅笔、墨汁、 4 黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好 的节能环保材料,美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术 和工业的不断发展,石墨的应用领域还在不断拓宽,已成为高科 技领域中新型复合材料的重要原料,在国民经济发展中具有重要 的作用。 3.1.2 国内石墨及石墨制品市场及其发展趋势 中国是世界上最主要的石墨生产国,生产量占世界水平的 75%,其储量和产量均居世界首位。石墨所特有的金属和非金属 双重工艺技术特性决定了石墨产品的重要性和不可替代性,石墨 可广泛应用于电子、军事、航天、国防、核工业等领域,是我国 继稀土之外的又一优势矿产。我国正处在工业化、城市化、现代 化加速发展的进程中,钢铁以及有色金属、电子、机械、化工、 核能、航空航天等国民经济各部门的持续、快速发展和产业结构 的优化升级对石墨制品的数量、品种和质量提出了更高的要求。 过去十年我国石墨工业得到了较全面的发展。但是,与科学 发展观和新型工业化道路的要求相比,我国石墨工业还存在增长 方式粗放、企业创新能力偏弱、产品结构不合理、产能扩张速度 过快、企业竞争力不强等一系列突出问题。要解决我国石墨工业 发展中存在的诸多问题,使石墨工业更好地满足我国国民经济发 展的需要,就必须全面贯彻落实科学发展观、提高技术创新能力、 转变增长方式,把过去注重数量的粗放发展模式转为节约能源、 提高资源利用率、减少污染、增加品种、提高质量、注重效益的 5 集约型发展模式,走持续、稳定、协调的发展之路。目前石墨发 展具有以下趋势: 1、加大企业技术开发投入力度,提高技术创新能力,提高 企业科技进步水平。当前我国石墨工业发展中,一方面低端产品 如普通功率石墨电极、电极糊、铝用阴阳极炭块等产能过剩、市 场供大于求;另一方面高技术含量、高附加值的产品如大规格超 高功率石墨电极、核石墨、航空航天用石墨和各领域用特种石墨 及碳石墨复合材料等在数量上又有相当大的缺口,需要依靠部分 进口才能解决。这一问题虽然表现为石墨产品结构不合理,但其 深层原因在于技术开发投入不足,产业自主创新和技术集成创新 能力弱,产品结构的优化升级缺乏强有力的技术支撑。因此,加 大研发投入,提高技术创新能力,在品种、质量、成本、服务上 全面提高竞争力,已成为解决我国石墨工业结构性矛盾的主要出 路。首先,加大研发投入,提高技术创新能力,是作为微观经济 主体的石墨企业的内在要求。在市场经济条件下,企业是技术投 入和技术创新的主体。把技术创新纳入到企业的发展规划中去, 结合企业自身技术装备和产品定位情况,确定技术创新的主攻方 向、重点内容;建立符合企业自身发展实际的创新机制和与高校、 科研单位相联合的创新体系。其次要发挥政府的积极作用。对于 重大的技术攻关项目,企业往往没有动力也没有能力独自承担, 因此需要政府的支持,支持的方式除政府直接拨款外,还可采取 政府为之提供财政税收与信贷方面优惠政策的方式,行业协会可 6 以在这方面协助企业争取政府的支持。 2、把节能降耗、改善环保水平作为企业发展的前提,重塑 绿色石墨。要最大限度地实现生产过程中资源循环利用,最大限 度地减少废弃物排放,使石墨工业成为资源节约型和环境友好型 产业。为此,一是要淘汰落后生产设备。要坚决按照国家发改委 颁布的《产业结构调整指导目录(2013 修正本)》淘汰能耗高、 污染大的蒸汽加热混捏、交流石墨化炉、3340KVA 石墨化炉及 其并联机组、最大输出电流 5 万安以下的石墨化炉。二是要树立 清洁生产观念和意识,树立生产全过程中的污染预防思想,把清 洁生产作为提高企业整体形象、增强企业竞争力的重要手段来对 待。三是要强化科学管理,改进操作。实践证明,资源浪费和工 业污染有相当一部分是由于生产过程管理不善造成的。只要改善 管理,改进操作,不需花费很大的经济代价,便可获得明显的避 免浪费和减少污染的效果。主要方法是:落实岗位责任制,杜绝 跑冒滴漏,防止生产事故,使人为的资源浪费和污染减至最小; 加强设备管理,提高设备完好率和运行率;开展物料、能量流程 审核等,减少石墨生产过程中的资源和能源消耗,减轻环境污染。 江西……碳素有限公司是一家专业 从事石 墨 制品 生 产的 企业,公司拥有先进的生产设备及加工中心,生产技术精湛, 检测手段完备。公司的产品销往世界各地,由于产品性能优 异、质量稳定,受到国内外用户的一致好评。公司目前拥有 高纯石墨材料生产线,由于高纯石墨是一种耐高温、耐腐蚀 7 的材料,目前在市场上还没有可以替代的产品,市场需求量 十分大,加上其它高纯石墨生产企业生产的高纯石墨数量有 限,最近几年高纯石墨市场都是供不应求。随着产业结构的 升级,高新技术对特种材料的产量、质量都会有所提升,高 纯石墨的的需求量将会快速增加。 江西……碳素有限公司年产 5500 吨高纯石墨窑炉节能技术 改造项目针对的产品为特种(高纯)石墨,产品市场前景好,符 合特种石墨的发展趋势。节能技术改造将淘汰高耗能、污染大的 4 座 6 室环式炉,将采用高效率、低污染的 18 室环式焙烧炉, 这符合国家的要求,也符合石墨低耗能、低污染、绿色石墨的发 展趋势。 3.2 改造规模 本项目为技能技术改造项目,旨在为企业节约能源消耗,减 少环境污染。江西……碳素有限公司目前年生产能力为 5500 吨 高纯石墨,公司的加工设备中主要耗能设备为 4 座 6 室环式炉, 该窑主要用于石墨焙烧,由于高纯石墨在生产中需要三次焙烧, 每次焙烧后需要将 6 室环式炉完全冷却后取出,并且 6 室环式炉 在焙烧时主要依靠烟气的温度加热石墨块,烟气的热量在窑炉里 面利用率很低,排烟时烟气温度有时能达到一千摄氏度,能量损 失很大,这使得窑炉热效率特别低,由于 6 室环式炉建设时间比 较早,建设时受技术、资金等各方面限制,6 室环式炉燃烧不完 全,会产生大量的烟气,环境污染特别大。根据同行业的一些新 8 窑炉使用情况,结合江西……碳素有限公司目前的工艺及产量情 况,详细对比后,决定使用 1 座新型 18 室环式焙烧炉代替原有 的 6 室环式炉。 9 第四章 生产工艺技术和节能技术改造 4.1 生产工艺技术 4.1.1 技术方案概述 本项目主要针对的产品为高纯石墨,主要是淘汰江西……碳 素有限公司目前使用的 4 座 6 室环式炉,建设 1 座新型的 18 室 环式焙烧炉作为焙烧窑炉。 高纯石墨完整的生产工序主要包括煅烧、破碎、配料、混捏、 压型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工、检验等,在高纯石墨的 生产中,需要进行三次焙烧、两次浸渍才能完成整套工序。江 西……碳素有限公司目前的生产主要是从混捏开始,采购的原料 就是已经通过煅烧、破碎、配料等工序的材料。由于石墨化工序 需要的投资比较大,一次性投入需近亿元,考虑到投入成本和效 益等各方面因素,结合公司建设时的财务情况及周边地区石墨生 产企业的情况,江西……碳素有限公司并未在自己厂区进行石墨 化工序的加工,主要是通过外协加工完成,目前主要是将焙烧完 全但未进行石墨化的产品由江西新卡奔科技有限公司进行石墨 化处理。江西新卡奔科技有限公司是专业生产加工石墨细结构产 品、石墨提纯产品、锂电池负极材料的专业企业,拥有先进的石 墨化设备,完全能够完成江西……碳素有限公司产品石墨化工序 的加工工作。江西……碳素有限公司高纯石墨的生产焙烧工序目 前使用 4 座 6 室环式炉,本项目实施后采用先进的 18 室不带盖 式环式焙烧炉。 10 4.1.2 工艺流程简述 原料 一次磨粉 二次磨粉 成型 一次焙烧 一次浸渍 二次焙烧 二次浸渍 三次焙烧 石墨化(外协) 检验 合格 不合格 成品入库 根据情况处理 销售 工艺过程详述如下: 1、磨粉 原料为已经通过配料的各种粒度料,需要经过两次磨粉达 到粒度要求,再和雷蒙磨加工出的粉料按一定比例配制成干混合 料。 2、混捏、压型 原料经过磨粉,变成不同粒级的焦炭颗粒,分别进入指定的 料仓,再根据配方分别从各种料仓提取不同粒级原料进入混捏 锅,注入一定量的粘结剂沥青,加温至 160~180℃后搅拌,达 到要求后用成型机或挤压机挤压成型。大部分过程将由电脑操作 控制,基本实现自动化,这样能够使配料温度的控制更加准确。 11 3、焙烧 焙烧工序主要是将成型后的石墨坯在隔绝空气的条件下加 热,按一定的升温曲线℃的温度下,使粘结剂完 全焦化,以增强石墨的强度,提高石墨的导电能力。 将不同型号的石墨毛坯放入 18 室环式焙烧炉内,每室由 5 个焙烧箱和烟道组成,在焙烧箱的毛坯周围填充 2~4mm 的河砂 (硅砂),作为支撑保温物,使毛坯均匀加热,不因受热变形。在 环式焙烧炉内经过逐渐加热一保温一升温一保温一冷却后出炉。 出炉时,先由除去焙烧箱上部的密封材料,再由抓斗抓去毛坯上 部覆盖的 300mm 保温料,使毛坯上部暴露后由专用钢丝绳套固 定后由行车吊出炉外,剩余保温料由高压抽吸装置吸回配料部备 用。 该工艺采用不带盖的环式焙烧炉,由奉新县工业园区内的天 然气站供应的天然气作为能源进行加热,焙烧炉运行特点是把整 个焙烧炉划分为若干个火焰系统。加热时,天然气由管口经过连 通管上的喷咀喷入烟道上孔内,每 6 个室为一段火焰系统,串联 运行。首先起重装炉,装炉后通过烟气预热,然后每个炉室的加 热运行时间为 336 小时(14 天),其中恒温 8 天,然后出炉冷却。 每段按顺序装炉、预热、加热、冷却、出炉形成环型加热,连续 生产。焙烧炉生产中排出的含有沥青的废气,经过静电除尘得以 净化,净化达标后的尾气由引风机送入烟囱排放。 4、浸渍 12 为使石墨制品减少孔隙,增加比重,以达到提高其导电率和 机械强度的目的,把焙烧石墨预热至一定温度,放入浸渍罐,抽 真空至一定的真空度后注入沥青,沥青在一定的压力下,浸到石 墨体内,卸压后冷却出罐,再根据要求返回进行二次焙烧。 5、石墨化 经过多次焙烧浸渍后的材料需要经过石墨化,石墨化工序一 般使用电力作为能源。此工序主要是将杂质的含量降低,提高碳 的纯度,从而获得高纯度石墨。 6、检验、包装、入库、出厂。 4.2 节能技术改造 4.2.1 焙烧炉改造方案概述 焙烧工序是高纯石墨生产过程中的重要工序之一,也是高纯 石墨生产过程中生产周期较长的工序。在保证产品质量的前提 下,缩短焙烧工序生产时间、提高焙烧工序的产量、加快资金周 转率、降低生产成本,对增加企业的经济效益是很有益处的。 焙烧的过程分为三个阶段:预热阶段、挥发排除阶段、冷却 阶段。目前由于环保和节能减排的需要,过去投资小、污染大、 能耗高的炉型已被禁止和淘汰。而隧道窑一般用于二次焙烧的产 品,有其局限性,因此建设量少;车载式焙烧炉投资大,能耗高, 不适应推广使用。 现在各石墨生产厂家优先选择应用的是环式焙烧炉,具有环 保、节能、产能和投资的比例合理等优点。 13 一座好的焙烧炉首先考虑焙烧制品的工艺要求。达到要求的 热工性能,主要考虑以下几个方面: 1、火道的高温热工稳定性; 2、炉面操作要方便; 3、火道的热转导性能; 4、箱体的上下温差要小; 5、炉子的保温性能要好; 6、异形砖要少,砖的采购方便; 7、烟气的流动要合理,烟道设计阻力小; 8、烟气流动性要好,即负压要好,且负压调节方便。 本项目技术改造之前焙烧用窑为 4 座 6 室环式炉。所谓 6 室 环式炉,是一种间歇式的窑炉,烟在内部反复运动达到热传输的 目的。 6 室环式炉优点:结构比较简单,投资少,建设周期短,不 用复杂的异形耐火砖,炉体尺寸可大可小,使用燃料焙烧具有较 大灵活性,操作较易掌握,对制品的加热比较充分、均匀。一方 面,火焰从喷火口出来在上行至窑顶的过程中,通过对流、辐射 把热量传给烧制品,当火焰到达顶部时,又对顶部制品进行加热, 然后折向下行,在下行时通过对流、辐射对制品进行一次全面充 分的加热,使窑内形成一个四周温度很均匀的环境;另一个优点 是适应性很强,因为是间歇式的,所以可以根据不同的制品来调 节焙烧时间。 14 6 室环式炉缺点:单窑生产能力低,热效率低。火焰自窑顶 下行后,即经烟道,烟囱排出,排出温度要很高,才能使下部产 品烧成熟。此外,因为是间歇式的,余热利用困难,窑体本身积 蓄的热损失很大,造成了能源上的浪费,并使烧制的成本上升, 劳动强度加大。装窑、出窑均是工人在窑内操作,环境条件差。 6 室环式炉主要由燃烧室、料箱、火道、大拱顶、炉底、烟 道等组成。燃烧室设在炉两侧,燃烧室的大小和数量是根据 6 室 环式炉的产能或燃料品种来决定的,料箱由火道、炉底组成,是 装焙烧品的地方。大拱顶使料箱的上部形成一个封闭的空间,高 温烟气在此进入火道。炉底是架空的,流经火道和炉底的烟气对 料箱进行间接加热。完成热交换的废烟气经炉底烟道进入车间烟 道,最后从烟囱排入大气,6 室环式炉大多为自然排烟,在烟道 上设烟道闸门以调节炉内压力燃烧室产生的高温烟气沿挡火墙 围成的喷火口上升至窑顶,然后折回向下流经砖坯加热烧成。废 气经窑底孔汇集于总烟道,由烟囱排至大气。这种装、出炉方式 为人工作业,劳动强度大,劳动条件差,每次都要砌和拆端墙。 6 室环式炉停火之后,为了减少制品在装运阶段的内外温差, 不能立即打开炉门,应让其自然冷却。石墨在冷却 80h(10 个班) 左右才出炉。空窑还要冷却 16-24h,降温度至 60℃以下,才能 进行下一步操作。 6 室环式炉的年运转次数 n 取决于运转周期,装炉密度取决 于制品规格和装炉方式,成品率则与影响焙烧质量的多种因素有 15 关。 目前普遍认为敞开式环式焙烧炉是比较理想的炉型。环式焙 烧炉是由几条平行的垂直而且密闭的火道组成,两个火道之间构 成一个料箱,用于装产品并进行生制品的热处理,通过加热使产 品达到本工序要求的物理化学性能,为下一工序做准备。一般每 室由多个料箱组成,每座环式焙烧炉由多个室组成,具体室数由 投资和产量要素综合考虑。 环式焙烧炉由若干个结构相同的炉室呈双排布置,按移动的 火焰系统运转,并对压型生制品进行焙烧热处理。组成环式焙烧 炉的炉子各炉室之间既可连通,也可切断。生产时,把几个炉室 串连起来组成一个火焰系统。对于火焰系统中的每一个炉室都依 次经历烟气预热、焙烧和冷却阶段,然后进行预备作业。由上可 见,环式焙烧炉火焰系统是连续作业,而单个炉室则是间断式周 期性作业。 敞开式环式焙烧炉的燃料直接在密闭的火道内或横墙的上 部通道燃烧。火道内设有折流墙,使燃烧生成的高温烟气在火道 里迂回流动,并经横墙的上部通道流入串连的下一个炉室的火 道,在这里再经过一次或两次折流,翻过横墙又进入第三个炉室 的火道。烟气依次流经串连在一起的火焰系统中每一个炉室的火 道,完成对料箱内的生制品的加热和焙烧后,温度已降至 350℃ 以下,最后经安装在横墙上的烟道排至环形烟道。炉后设有烟气 净化系统,采用机械排烟。经过净化的烟气由烟囱排入大气。 16 高温炉室内生制品在达到焙烧工艺要求的温度后,就退出火 焰系统,进入冷却系统,同时下一个装好生制品的炉室进入火焰 系统进行焙烧处理,如此不断地循环运行。 本项目将 6 室环式炉改造为 18 室环式焙烧炉,18 室环式焙 烧炉具有环保、节能、产能高和投资比例合理等优点,故采用 18 室环式焙烧炉是合理的。 4.2.26 室环式炉改造 本项目在技术改造前焙烧工序采用 4 座 6 室环式炉,年生产 石墨 5500 吨,现有 6 室环式炉需要将焙烧原料人工搬运到 6 室 环式炉内,且高纯石墨需要经过焙烧—浸渍—焙烧—浸渍—焙烧 等工序,焙烧后还需要人工搬运出来,窑炉完全冷却后才能让人 进入,故 6 室环式炉在焙烧阶段会散失大量的热量,导致 6 室环 式炉的热效率低下。 通过调查发现,项目现有 4 座 6 室环式炉主要存在以下几个 问题: (1)6 室环式炉只在周围使用了耐火砖,没有其他较好的保 温措施,在焙烧时热量散失较为严重。 (2)窑炉的烟气流动长度较短,又没有使用烟气余热回用 装置,导致烟气排放时温度很高,带走了大量的热量。根据本项 目实际情况,未设置烟气余热回收装置的焙烧窑,在烟气排放时 温度高达 800~1000℃,烟气带走的燃量高达总热量输入的 40%。 (3)6 室环式炉在装卸石墨材料时,需等窑炉完全冷却后, 17 人工进入窑炉内装卸,也导致大量热量的散失。 本次节能技术改造主要针对 6 室环式炉,利用 1 座先进的 18 室环式焙烧炉代替原来的 4 座 6 室环式炉,并且配备 5t 行车吊 装石墨,替代原来的人工搬运。 环式焙烧炉的特点如下: (1)若干个炉室串连在一起运行,低温炉室用高温炉室的废烟 气加热,排烟温度低,烟气的热量能够得到比较充分的利用。 (2)利用经过预热的空气助燃。高温炉室燃料的燃烧是靠负压 抽进冷却炉室的热空气助燃的,负压愈大,抽进的热空气就愈多。 利用冷却炉室中待冷却的焙烧成品预热空气可回收热量提高炉 子的热利用率。 (3)环式焙烧炉按火焰系统运行,其特点是运行时炉室和制品 不动,而燃烧装置按一定的火焰周期移动。虽然就整台炉子而言, 生产是连续的,但对单个炉室则是从低温到高温,再到冷却,其 温度场是变化的,对单个炉室的这种周期性间断作业的方式,炉 温可由在火道和烟道内的高温烟气来加热,冷却时则由进入冷却 区的冷空气带走热量,避免了 6 室环式炉等炉子冷却炉膛时热量 的散失,有效提高了炉子的热效率。 (4)采用制品加填充料的装炉方式及间接的加热方式,这就造 成制品加热滞后和温度不均匀的情况,并且与加热介质形成较大 的温差。同一时间,各个部位的制品的焙烧进程是极不一致的。 实践中采取在焙烧温度下延长保温时间来缩小这种不一致,以减 18 少制品在焙烧质量上的差异。 (5)在焙烧过程中制品要逸出挥发性气体。在一定的温度下和 有充足的空气时,挥发分燃烧而释放出热量。这对炉子的热工过 程有较大的影响,在炉子控制上要特别予以考虑。 (6)炉子热工过程控制的依据是焙烧温度曲线,合理的温度曲 线的升温速度是两头快,中间慢。在保证制品加热安全的前提下 尽量缩短加热时间。 本项目所选 18 室环式焙烧炉其优点主要体现在以下几个方 面: (1)采取了先进的窑炉控制系统,对焙烧曲线精确控制 在焙烧过程中,挥发物热量若能充分利用,可占总热量输入 的 15%-35%,严格控制好挥发物的逸出速度和燃烧位置将直接 影响焙烧石墨的焙烧质量和热效率,合理控制焙烧曲线对提高环 式焙烧炉的热效率有积极意义。本项目合理设计焙烧曲线,利过 窑炉控制系统对焙烧温度、烟气排放温度(200-300℃)、烟气量。 烟气压强等都能做到精确控制,有效提高焙烧炉的热效率。 (2)预防炉室内火道的空气渗漏,减少烟气带走的化学热 烟气带走的化学热占供入热量的 20%以上,主要是出炉烟 气中可燃成分没有完全燃烧造成的热损失,烟气中的可燃成分主 要由 CO、CH4、CmHn 等可燃物,产生的原因是天然气燃烧不 充分和产品及填充料在低温加热过程中析出的挥发物。大量烟气 没有经过高温炉室燃烧就直接进入烟道跑掉,充分利用焙烧炉烟 19 气中的热量一直是焙烧炉节能方面的一种重要课题,预防炉室内 火道的空气渗漏,增强对炉室内烟气的利用,可有效减少烟气带 走的热能。本项目对窑炉的密封状态能够有效控制,有效减少烟 气的渗漏,减少能量的损失。 (3)增强炉体保温,减少炉体散热 炉体散热占供入热量一部分,炉体散热主要由炉墙散热、炉 底散热和其他散热等七个方面,炉墙散热和炉底散热为炉体散热 的主要方面,采用导热率低的新型耐火材料砌筑炉体,是减少散 热损失的有效措施。本项目选用炉内衬采用聚轻莫来石隔热砖; 焙烧炉从内到外第二层为保温层,采用硅酸铝纤维保温棉;第三 层为耐火砖,采用重质高铝耐火砖;第四层为表面,采用普通红 砖;炉底采用 500mm 的钢筋混凝土基础,能有效降低炉体的散 热量,提高环式焙烧炉的热效率。 本项目 6 室环式炉和 18 室环式焙烧炉的特点可进行对比如 下: 表 4-1 6 室环式炉和环式焙烧炉对比表 6 室环式炉 18 室环式焙烧炉 规格(mm) 13.896*5.23*2.271 48.66*20.74*4.766 焙烧周期(焙烧加冷却) 燃料种类 焙烧单位产品耗能 620h 天然气 1712.15m?/t 20 336h 天然气 945.9m?/t 焙烧温度/℃ 装炉方式 操作方式 烟气排放温度 热效率 1250 人工 人工 800~1000℃ 低 1250 机械 自动控制 200~300℃ 高 4.2.2.1 环式焙烧炉的工作原理 燃料从焙烧区中的六个炉室送入并燃烧,成为温度最高的炉 室,完成对生制品焙烧后,高温废烟气并不立即排入烟道,而是 在负压抽力的作用下依次流经预热区的几个炉室,利用其余热对 生制品进行焙烧前的预热,在这一过程中,烟气温度逐渐降低, 从预热区炉室流出后,已无再利用的价值,便经连通罩排入烟道。 于是焙烧区和预热区的炉室便构成一个火焰系统。冷却区炉室是 焙烧完的制品通行冷却的炉室,冷却制品的空气由鼓风机强制鼓 入。冷却用空气在流经冷却区炉室时,与进入冷却温度高达 1000℃的制品发生热交换,既冷却了制品,又加热了自身(一般 可达 800℃以上)。然后进入焙烧区炉室供烧料燃烧,起到提高热 利用率和焙烧温度的目的。预备区炉室则分别处于出炉、修炉、 装炉,即待加热作业阶段。 炉子运行一定的间隔时间后,焙烧区炉室的制品焙烧结束, 停止向其供热,将燃烧装置移至预热区炉室。刚才的预热区炉室 变为焙烧区炉室;刚才的焙烧区炉室进入冷却阶段,变为冷却区 21 炉室;刚才的预备区炉室变为预热区炉室,环式焙烧炉的运行就 是火焰系统按一定的作业周期这样周而复始的循环。火焰系统预 热区、焙烧区和预备区沿环形路线在逐渐在变换。火焰系统中的 每一个炉室都依次经历烟气预热、焙烧和冷却阶段,然后进行预 备作业。由上可见,环式焙烧炉的火焰系统是连续作业,而单个 炉室则是间断式周期性作业。一个火焰系统所辖的炉室数可按生 产的具体情况加以调整,一台炉可有一个或几个火焰系统,根据 炉子的产能决定。几个火焰系统同时运行时,焙烧的作业周期应 协调一致。 4.2.2.2 环式焙烧炉的结构 敞开式环式焙烧炉没有炉盖,燃料直接在密闭的火道内或横 墙的上部通道燃烧。火道内设有折流墙,使燃烧生成的高温烟气 在火道里迂回流动,并经横墙的上部通道流人串连的下一个炉室 的火道,在这里再经过一次或两次折流,翻过横墙又进入第三个 炉室的火道。依次,烟气流经串连在一起的火焰系统中每一个炉 室的火道,完成对料箱内的生制品的加热和焙烧后,温度已降至 350℃以下,最后经安装在横墙上的烟道排至环形烟道。敞开式 环式焙烧炉后也设有烟气净化系统,也采用机械排烟,经过净化 的烟气由烟囱排入大气。 1、炉底、侧墙和挡墙 砌在炉基础上的炉底由轻质浇注料,保温砖和耐火砖组成。 侧墙为保温砖,挡墙为耐火砖。炉底和侧墙的保温砖可防止炉内 22 热量的散失,并使混凝土基础表面不超过允许的温度。 2、横墙 横墙位于炉室之间,上部有与前后火道相对应的通道,其顶 部有方孔安全铸铁座。从这里既可供入燃料燃烧,又可以通过烟 道抽出废烟气,还可以向冷却炉室送风或抽风,以进行制品的冷 却。 3、火道及料箱 横墙之间的部分是炉室,由几条平行的纵向道把炉室分为 5 个大小相同的料箱,有 6 条火道。火道内设有折流墙,使烟气在 火道内按 v 形或 w 形做上下曲折的流动。这种流动方式有利于 火道内的温度均匀。火道壁的部分砖缝要求能够透气,以使料箱 内的制品逸出的挥发份能够透过这些砖缝进入火道内燃烧。火道 顶部开有 2~4 个孔,便于供入燃料、测温、测压、观察等操作。 有把火道做成整体装配式的,便于检修火道时用天车进行整体吊 装。这样既不会影响炉子运转,又便于检修的作业环境得到改善, 从而可获得更好的修炉质量。火焰系统内串连炉室的前后火道是 彼此相通的,但横向的各条火道则是彼此独立的。只有在进入烟 道后,各条火道的烟气才混合。 4 连通火道 连通火道位于炉子端部,是把两排炉室的火道连接起来的通 道。连通火道的结构应尽量使烟气重新分配至各条火道时能够均 匀。 23 5、环形烟道 环形烟道是安装在炉子周围炉子排烟的通道。环形烟道为钢 烟道,内衬为耐火材料,对应于每个横墙设铸铁的烟气接口,排 烟时用烟斗连接横墙上对应每条火道的方孔和环形烟道上相应 的烟气接口,废烟气就从火道导入环形烟道。环形烟道的出口接 烟气净化系统。 6、燃烧装置 敞开环式焙烧炉一般采用气体燃料,以便于移动的燃烧架对 炉子供热。燃烧架用软管和安装于炉两侧的燃料管连接,通过横 墙口的方孔或火道上的燃烧口向炉子送入燃料。燃烧架的天然气 管道应设吹洗清扫装置。对燃料量的控制有手动和自动两种方 式,自动的方式可以达到准确控制火道温度、节约燃料的目的。 7、烟斗 烟斗是用于炉室排烟的可以移动的装置。用烟斗把要排烟的 炉室和环形烟道连接起来,就能将炉室的废气引导至环形烟道 内。烟斗上设有测温测压装置,根据炉室调温的要求,用手动或 自动的方式调节烟斗总管或支管上的蝶阀,就能控制火道的负 压。 8、冷却装置 无盖炉对焙烧后的制品采用强制冷却方式,有鼓风和抽风两 种冷却装置,鼓进的冷空气在冷却制品的过程中被加热,其中一 部分进入高温炉室助燃,另一部分随抽风冷却装置抽进炉内的空 24 气一起被排入车间,由于是鼓风和抽风两台冷却装置同时运作, 所以有一个风压平衡问题。一方面要选择好两台装置的作业位 置,另一方面装置的风量风压也可以在一定范围内调整。 4.2.3 技术支持 国内外燃气环式焙烧炉制造技术和节能技术成熟。节能减排 技术的研发和节能工程改造技术在不断进步,节能技术有非常大 的上升空间。本次改造的环式焙烧炉由专业窑炉设计公司特别设 计定做,该公司有着数十年窑炉设计制作经验,并且为多家企业 设计过此类窑炉,经过实践证明节能效果好,获得同行业的赞同。 本项目控制系统技术采用北京西玛通科技有限公司的控制系统 技术,该公司自 1998 年成立以来,与美国 CIMA 集团公司进行 技术合作,采用国外先进 PLC 控制系统和 DCS 控制系统,依托 强大的技术力量和认真负责的施工安装队伍,根据用户要求和工 程需要,进行自控系统的设计、咨询、软件编制、前期组态、安 装及现场测试、培训及维护,采用先进的软硬件技术,结构灵活、 安全可靠、安装便利、维护简单、大幅度节约使用成本, 经过 大量的工程实践证明,该公司设计的控制系统运用于高纯石墨焙 烧具有良好的效果。本项目有先进节能技术及优秀的设计施工团 队支撑,可以保证项目建成后节能目标的实现。 25 5.2 建设方案 5.2.1 工程方案 根据公司现有的厂房、设备及基础设施条件,新建焙烧厂房 与仓库,拆除原来的 4 座 6 室环式炉,改造为 1 座先进的 18 室 环式焙烧炉,并建设 1 座 18 室环式焙烧炉所需的建筑,并配套 生产需要的行车。改造后的 1 座 18 室环式焙烧炉总长 49660 毫 米,内空长 48660 毫米,水泥墙厚 500 毫米,总宽 21740 毫米, 内宽 20740 毫米,炉深 4766 毫米,其中包括基础厚度 500 毫米。 炉子分为 18 室,每一室有五个炉膛,一共有 90 个炉膛,每个炉 膛的尺寸为厂 4043 毫米,宽 1170 毫米,高 4600 毫米。18 室燃 气环式焙烧炉配备 50 米烟囱,烟囱直径为 5500 毫米,深 2350 毫米,包括 800 毫米基础。 5.2.2 设计原则 1、本着先进、可靠、灵活、节能、优质、高产、低耗、环 保达标、安全可靠的原则、设计窑炉结构及其工作系统; 2、根据石墨产品的焙烧工艺要求及特点,保证产品的质量 及其它理化性能; 3、窑炉建造符合中华人民共和国行业标准《工业窑炉施工 及验收规范》和《窑炉施工企业内部执行标准》; 4、对整个窑炉系统进行精心设计、合理选材、认真施工、 严格验收、细心调试; 5、综合在国内同类窑炉成功经验和先进技术,对本环式焙 26 烧炉工程进行设计和施工; 6、结合在有关权威单位鉴定的《窑炉节能技术开发与应用》 标准,在达到国内领先、国际先进水平的基础上,对窑炉进行综 合设计。 5.2.3 环式焙烧炉特点: (1) 环式焙烧炉一共有 18 室,每室分为 5 个炉膛; (2) 环式焙烧炉炉顶采用平顶; (3) 环式焙烧炉烟气先在内部流动,降低到一定和温度后排烟 采用管道排烟结构,经过除尘装置,再通过 50 米高烟囱排 放到大气; (4) 采用天然气调温高速烧咀:使窑内热气流充分搅拌,以达 到减少温差的要求; (5) 助燃风经烟气高效换热装置加热后与燃气混合燃烧,以达 到良好的节能效果; (6) 炉外表为整体钢结构,稳定性好,外观美观; (7) 炉顶采用 5t 行车吊装产品,减少人力搬运。 5.2.4 主要设计用材: a. 环式焙烧炉内衬采用聚轻莫来石隔热砖,室与室之间、炉 膛与炉膛之间使用耐火砖。 b. 环式焙烧炉从内到外第二层为保温层,采用硅酸铝纤维保 温棉; c. 环式焙烧炉从内到外第三层为耐火砖,采用较好的高铝耐 27 火砖; d.环式焙烧炉从内到外第四层为表面,采用普通红砖; e.环式焙烧炉在地下,地下开挖处采用水泥刷墙作为环式焙 烧炉和和泥土的分割; f.环式焙烧炉底部为 500mm 的钢筋混凝土基础; g.烟囱采用普通红砖; h.烟囱的基础采用 800mm 厚的钢筋混凝土; i.烟道采用钢板卷成的圆柱形烟道; j.烟道的固定采用耐火砖固定; k. 烟道顶部采用沙子铺盖; l. 整个环式焙烧炉在钢结构里面; m.天然气输送使用无缝钢管; n.空气的输送采用普通钢管。 5.2.5 环式焙烧炉配置: (1) 5t 行车; (2) 燃气调温高速烧嘴; (3) 自动点火器; (4) 金属烧箱; (5) 热电偶及温度仪表; (6) 自动监控系统; (7) 配高效不锈钢换热器; (8) 助燃风机; 28 (9) 除尘装置; (10) 排烟风机; (11) 调温风机; (12) 配排烟风管一套; (13) 配调温风管一套; (14) 配助燃风管一套; (15) 配供燃气管道; (16) 烟气管道及送风管道。 5.3 建设方案优点 本项目建设方案通过对比而来,综合考虑了项目建设成本及 项目建成后的使用成本、使用效果、使用年限等各方面要素,本 建设方案的优点如下: 1、节能。本项目建设的 1 座 18 室环式焙烧炉能够充分利用 烟气温度对其他室进行预热,利用了烟气中的能量,减少热量损 失。建设时采用较好的保温材料,加上良好的保温措施,能够有 效减少热量的损失,提高热效率,节约能源。 2、环保。本项目建设的 1 座 18 室环式焙烧炉以天然气作为 燃料,天然气主要成分为甲烷,甲烷燃烧的化学方程式为 CH4 +2O2 =CO2 +2H2O ,由方程式可知燃烧一个体积的天然气需要两 个体积的氧气,充分燃烧产物为水和二氧化碳,对环境影响较小。 3、操作方便。本项目使用的环式焙烧炉装料及取料使用行 车,减少人力资源的使用,点火、温度控制全部采用自动化控制 29 系统,并且使用天然气为燃料也有利于点火。 4、产品质量好。本项目建设的 1 座 18 室环式焙烧炉容量大, 能够在 18 室里同时放置产品,项目利用余热进行预热,焙烧时 温度均匀,焙烧的产品质量好、合格率高。 表 6-1 节能技术改造前后情况表 使用窑炉名称 窑炉规格 窑炉先进性 使用燃料种类 每吨产品焙烧耗燃 料量 年产量 燃料数量 电力 燃料折标系数 炉膛温度 燃烧效率 能源使用效率 烟气温度 排放物 有无烟气处理装置 改造前 6 室环式炉 6室 一般 天然气 改造后 环式焙烧炉 1 座 18 室共 90 炉膛 最先进 天然气 1712.15 m? 945.9 m? 5500 吨 9416850m? 32.81 万 kWh 1.2143tce/ m?天然气 1250 低 低 高 二氧化碳、水 无 5500 吨 5202450m?? 29.83 万 kWh 1.2143tce/ m?天然气 1250—1300 高 高 低 二氧化碳、水 有 备注 除尘器 综上所述,本节能技术改造项目符合国家的要求,本项目先 进的环式焙烧炉,项目实施后能够减少污染物排放,保护环境, 项目实施后每年能够节约标煤 5121.21tce,节能减排效果显著。 30


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