一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統及其工藝控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種炭陽極的生產系統，特別是涉及一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，以及利用該焙燒系統進行炭陽極焙燒的工藝控制方法。
【背景技術】
[0002]炭陽極的焙燒過程，就是粘結劑一一瀝青炭化變成焦碳陽極的熱處理過程。通過焙燒使炭質顆粒間的瀝青轉變成固體的焦碳膜，使炭質顆粒連接成具有一定的機械強度和物理、化學性能的整體。瀝青變成焦碳的數量和質量直接影響著成品的性能。在炭陽極焙燒過程中，生坯中的瀝青將發生一系列復雜的分解和聚合反應，其變化過程大致可分為五個階段:(I)從室溫升高至200°C的過程中，生坯軟化，其中的瀝青處于塑性狀態并呈現緩慢的流動和擴散，體積略有膨脹。(2)在200°C?300°C之間，生坯逐漸排出水分、二氧化碳、一氧化碳和輕油等成分，并進行部分脫氫縮聚反應。(3)從300°C?500°C之間，瀝青發生快速分解反應，大量排出揮發份，同時伴隨少量聚合反應。為使揮發份的排出不至于過分激烈導致制品產生裂紋，這一階段的升溫速率應該放慢。(4)當溫度達到500°C以上時，聚合反映加速，瀝青焦化形成瀝青焦;750°C?800°C時瀝青的聚合反應基本完成，但仍有部分揮發份排出，這一階段的升溫速率也不能過快；(5)在800°C以后的焙燒過程中，是使異類原子和基團從生成的焦碳的大分子中分離出來，并使分子結構重新排列，使焦化過程進一步完善，該階段升溫速率可以加快。
[0003]由于瀝青的苯環中碳一碳鍵強度比其他原子間鍵的強度大的多，因此當瀝青發生熱分解時，異類原子如氫、氧等首先發生反應，以H2、C02、C0、CH1等小分子的揮發物逸出，氮、硫、硼等元素則根據它們與碳的結合形式，析出或留在焦炭中。分子的熱分解將在斷裂處產生不飽和鍵力，它們會在更高的溫度下把異類原子或基團分離出來，再與其他不飽和分子聚合。連接牢固的分子將集積為不揮發的殘渣并逐漸形成分層的巨大平面分子，即瀝青焦。由于層間非定域的鍵作用，在800°C以上的縮聚反應得到的焦炭，其電導率和導熱率將急劇增大。生坯中的瀝青在焙燒過程中的焦化是在固體炭質表面進行的，具有氧化脫氫縮聚的特征。在料坯混捏過程中固體炭質顆粒表面都不同程度地吸附有氧、氮、二氧化碳、一氧化碳等氣體，吸附的氣體分子具有與瀝青分子進行氧化一還原反應的活性，可促進炭質顆粒表面與瀝青間橫向鍵的形成，并使之固化在一起，從而使焙燒后制品的密度和強度都得到提高。
[0004]升溫速率對生坯中的粘結劑一一瀝青的析焦量及成焦的密度有很大的影響。升溫速度慢時，瀝青有足夠的時間進行聚合與分解反應，析焦量增大，成焦密度也大，因此可提高制品的密度和及機誡強度。同時，升溫速度慢時由于焙燒體系中溫度場分布較為均勻，可以防止制品在焙燒過程中出現裂紋。在焙燒過程中，瀝青組分的分解與聚合反應成一對互逆的動態平衡過程，因分解反應為吸熱過程，聚合反應為放熱過程，故升溫會使平衡狀態向分解方向進行，而降溫使反應向聚合方向進行。焙燒溫度是表示陽極受熱處理程度大小的重要指標，它對陽極的機誡強度、孔隙度、比電阻、反電動勢、氣體侵蝕速率及電解單耗等一系列物理化學性能都有重要的影響。因此采用最優的焙燒制度，對提高炭陽極的成品質量有著至關重要的作用。
[0005]但目前的炭陽極生產焙燒系統存在余熱利用率低、生產成本高、安全性低的問題，如圖1所示的54爐室的焙燒系統，共配置3套火焰控制單元，每套火焰控制單元在一個火焰控制周期內控制18個爐室，并在每個火焰控制周期結束后向前移動一個爐室，以便循環焙燒生產。其爐室與爐室通過隔墻隔開并沿主軸線平行排列，每個爐室由多個敞口料箱以及對應的封閉火道組成，相鄰爐室對應的火道穿過隔堵連通，隔墻中可插入插板閥用于切斷相鄰爐室之間的火道通路。生產焙燒時，將生陽極裝入由空心火道墻隔開的敞口料箱，并用填充料填充縫隙且覆蓋陽極上面。從一個爐室到另一個爐室，通過隔墻火道可沿著焙燒爐形成多條獨立且循環的火道。每個爐室對應的各火道的上側壁上均設置了可啟閉的四個燃燒測量孔，用于測量該處火道中的溫度和壓力，以便進行參數控制。就現有的每套火焰控制單元控制18個爐室來說，為滿足炭陽極焙燒的工藝條件，每個火焰控制周期至少需要28小時，有的甚到長達36小時，生產效率較低，且其排煙架ER的支管煙氣溫度一般控制在550°C左右，一方面因高溫燃燒架HR3至排煙架ER之間的爐室較少，使余熱利用率較低，能源浪費較多，同時也使高溫燃燒架HR3至排煙架ER之間的各爐室升溫相對較快，容易造成炭陽極成品出現裂紋，影響質量和成品率。另一方面，由于排煙架(ER)煙氣的溫度較高，后續凈化處理工序的壓力較大，且安全性較低容易引火災事故。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統及其工藝控制方法，所述焙燒系統具有結構簡單、成本低廉、成品率高的優點，所述工藝控制方法具有生產效率高、操作簡便、安全可靠的優點，采用本發明可有效提高生產率15%以上，并降低燃料消耗10 ?25%。
[0007]為解決現有技術中的炭陽極焙燒系統其生產效率低、余熱利用率低、燃料消耗較高，且容易出現裂紋影響成品質量的問題，本發明提供了兩種結構形式的鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，其中一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，包括由多個爐室組成的循環焙燒爐單元、由多種控制架組成的至少一套火焰控制單元、以及用于移動火焰控單元中控制架的吊梁裝置，每一個爐室均包括并排設置的多個敞口料箱，每一個料箱的兩側均設有封閉的火道且使相鄰的兩個料箱之間只設置一條火道，每條火道的上側壁上沿長度方向均設有均布的四個燃燒測量孔，燃燒測量孔連通火道的內腔且設有封蓋，相鄰的兩個爐室之間設有隔墻且使相鄰爐室的對應火道穿過隔墻相互連通，隔墻中設有用于切斷或開啟相鄰爐室之間對應火道的插板閥；每套火焰控制單元均包括排煙架ER、測溫測壓架TPR、低溫燃燒架HRl、中溫燃燒架HR2、高溫燃燒架HR3、零壓架ZPR、鼓風架BR和冷卻架CR;
[0008]其中:每套火焰控制單元在一個火焰控制周期內控制20個爐室并在每個火焰控制周期結束后向前移動一個爐室;所述20個爐室沿火焰移動方向從上游至下游依次為預裝生塊爐室、出熟塊爐室、第一預出爐冷卻爐室、第二預出爐冷卻爐室、第一冷卻爐室、第二冷卻爐室、第三冷卻爐室、第四冷卻爐室、第五冷卻爐室、第六冷卻爐室、第七冷卻爐室、高溫焙燒爐室、升溫爐室、中溫焙燒爐室、低溫焙燒爐室、第一預熱預熱爐室、第二預熱爐室、第三預熱爐室、第四預熱爐室和密封爐室;所述排煙架ER架設在第四預熱爐室的上側且處于下游端，測溫測壓架TPR架設在第三預熱爐室的上側且處于下游端，低溫燃燒架HRl架設在第三焙燒爐室的上側中部，中溫燃燒架HR2架設在第二培燒爐室的上側中部，高溫燃燒架HR3架設在第一焙燒爐室的上側中部，零壓架ZPR架設在第七冷卻爐室的上側且處于下游端，鼓風架BR架設在第四冷卻爐室的上側中部，冷卻架CR架設在第一冷卻爐室的上側中部。
[0009]本發明該結構形式的鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統與現有的炭陽極生產焙燒系統相比，在低溫焙燒爐室的下游增加了一個預熱爐室，并在高溫焙燒爐室和中溫焙燒爐室之間增加了一個升溫爐室，使預熱區爐室和焙燒區爐室均由三個變為四個。這種結構形式的單套火焰控制單元，由于從溫度最高的高溫燃燒架HR3到排煙架ER之間的距離延長，一方面可充分利用余熱以降低能耗，實際應用表明采用本發明可降低燃料消耗10?25%。同時由于距離延長可使兩者之間各爐室的升溫速度減緩，避免了成品出現裂紋的現象，從而提高成品率和產品質量。另一方面，可相應地縮短火焰控制周期的時間，從而提高生產效率，采用本發明結構形式的鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，可使火焰控制周期的時間最低縮短至24小時，提高生產效率15%以上。另外，采用本發明的鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，可使排煙架ER支管煙氣的溫度控制在420°C?480°C，相比于傳統的炭陽極生產焙燒系統的550°C降低了 70°C?130°C，降低了后續凈化處理系統的壓力，同時提高了安全性，降低了發生火災的機率。
[0010]本發明提供的另一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，包括由多個爐室組成的循環焙燒爐單元、由多種控制架組成的至少一套火焰控制單元、以及用于移動火焰控單元中控制架的吊梁裝置，每一個爐室均包括并排設置的多個敞口料箱，每一個料箱的兩側均設有封閉的火道且使相鄰的兩個料箱之間只設置一條火道，每條火道