卧装焙烧炉控制系统升级及节能技术研究可行性研究报告

项目编号：密级：可行性研究报告项目名称：卧装焙烧炉控制系统升级及节能技术研究所属领域：炭素项目类型：应用基础研究、科技攻关、技术创新承担单位：XX铝业XX分公司项目负责人：XXX起止年限：XXXX年5月－XXXX年12月

填‍写‍说‍明1、规格：一律为标准A4纸，竖装。必须打印或铅印，字体为宋体，字号为四号字。本报告为XX铝业股份有限公司制定的标准格式，任何单位、个人不得擅自改变内容、增减栏目，页面不够可自行加页。‍2、密级：由项目承担单位提出建议，研发中心认定。‍3、项目所属领域：矿产资源、氧化铝、多品种氧化铝、电解铝、炭素、新材料和新产品。4、项目类型：应用基础研究、科技攻关、技术创新、产业化和技术推广。5、编写要求：以项目建议书为基础，结合相关条件，对项目进行可行性研究，提出书面报告。具体内容要求如下：（1）总体目标要集中、明确、可考核，要充分考虑技术的可行性、经济的合理性；（2）研究任务和内容要重点突出，切准目标；（3）采取的技术路线切实可行，并具有创新性；（4）配套条件落实；（5）经费预算依据充分，支出合理，符合有关规定；（6）相关证明文件等附件齐全；（7）提供的资料、数据必须真实准确，不得弄虚作假；（8）涉及到外文缩写要注明全称。一、项目摘要从XXXX年5月份外出考察得知，目前国内卧装焙烧炉天然气单耗顶尖水平为85Nm3/t-焙烧块，为XX铝业、万方铝业。而我公司卧装焙烧炉天然气单耗为96-105Nm3/t，这种差距是比较明显的。该课题针对XX分公司炭阳极卧装焙烧炉型特点，研究开发新型燃烧器、网络和通讯系统升级、圆筒式排烟架的研制，并进行深入、全面综合测试分析，最终实现卧装焙烧炉控制系统工艺的优化，达到有效节能减排、提高阳极温度、延长焙烧炉使用寿命的目的。项目主体研究内容：新型燃烧器的研制开发；卧装焙烧炉控制系统升级；圆筒式排烟架的研制；实施后的综合测试分析焙烧工艺的全面优化；二、项目的意义和必要性1、项目的意义焙烧控制系统不仅仅是对温度、负压的简单控制，也是炉型结构、生阳极性能、燃料控制、挥发份燃烧控制、燃烧器结构、焙烧流场、热场等的综合性模拟运算、模糊控制系统。然而，由于受到焙烧工艺基础研究、测量及传感技术、软件开发等的限制，国内焙烧控制系统无论在能耗、烟气燃烧效果、安全生产过程控制、设备良好运行等方面均与国外同类控制系统存在一定差距，制约了国产焙烧系统综合运行的进一步提高。因此，开发研制、优化升级一套较高水平的卧装焙烧炉自动控制系统，对于提高国内炭素焙烧控制工艺、提高分公司焙烧安全生产和经济效益具有重要实际生产意义。2.立项的必要性2.1、进一步优化焙烧工艺、降低能耗的需要。通过与华东铝业、焦作万方卧装焙烧炉天然气单耗指标对表来看，分公司卧装焙烧炉天然气单耗指标高，因此通过工艺研发和创新，优化卧装焙烧工艺和控制工作意义重大。2.2、进一步提高卧装焙烧系统升温效果和挥发份燃烧效果的需要。由于卧装焙烧炉型设计不合理、卧装焙烧控制系统设计与设备不完善，不但无法使焙烧系统按照设定的理论焙烧曲线运行，而且燃料燃烧效果不理想，挥发分排出区域往往比工艺所要求的滞后一个多炉室，使得挥发分燃烧效果变差，导致天然气与挥发分在火道内“抢氧”时出现燃气过剩现象，从而在前面炉室火道壁上形成极容易死灰复燃的烟黛，一旦氧气充足，这些碳粉会迅速变成火星，有时在该火道内氧气充足且负压的波动下很容易进入排烟架内导致排烟架着火事故。同时现有燃烧架使用的烧嘴既容易脱落内管，也不利于燃气的充分有效燃烧，再加上燃烧系统操作软件的缺陷，从而出现排烟架炉室火道温度偏低，大量挥发分没有充分燃烧，恶化了焙烧烟气排放效果，带来重大安全隐患，也相应增加了天然气单耗。2.3降低操作过程的劳动强度，提高职工作业安全的需要。在卧装焙烧燃烧系统中，由于设计的缺陷，天然气软管压盖部分过重，在移炉过程中很容易造成以下弊病：职工移炉作业费力，常造成天然气软管折坏、设备补偿导线烫损，其次还容易出现烫伤，砸伤的安全事故。2.4、焙烧炉综合性能测试技术与测试设备，对分公司一烧系统的进一步优化与改进均具有深远应用价值与创新价值。2.5、项目将要进行的焙烧控制系统技术创新、天然气燃烧器的研制、圆筒式排烟架的研制，对国产焙烧控制系统改进均有着深远创新价值。

三、项目的基础条件：1、通过5年多的努力，XX分公司已成功使用并较全面掌握了瑞士RDC公司BPS焙烧控制系统相关技术，而北京华邦天控公司对卧装焙烧系统有着全面的研发设计能力，为项目开发提供了技术条件。2、XX分公司现有的卧装焙烧控制系统，为项目的开发、升级改造提供了必要条件。XX分公司具有焙烧工艺研发与改进的经验和专业技术人才。双方共同合作，为项目开发提供了坚实的基础条件。

四、项目总体目标1.实施年限：XXXX年5月-XXXX年10月2.总体目标：（1）使卧装焙烧炉的天然气单耗降低5～7Nm3／t－c；（2）火道墙使用寿命延长半年；（3）系统走直线期间，料箱热端制品温度达到105（4）杜绝排烟架、烟道着火的重大安全隐患。五、项目的主要研究内容1、新型燃烧器的研制焙烧炉设计中，为保持火道内火焰与烟气的均匀分布，一般在两道上行折流墙距离焙烧炉面1200mm的位置，留有一处宽100mm的过火口（详见图1），原则上保持10%～15%的火焰与烟气通过该过火口，以燃烧器火焰喷射的蛇形长度保持在1400～1600mm作为燃烧架重要的设施，焙烧炉燃烧器的设计是非常重要的，我们通过实验证明，在同等燃气压力下，无论是火焰长度，还是火焰发散形式，XX分公司卧装焙烧炉燃烧器与国外新型燃烧器之间有着显著差异（见图2）。图1：焙烧炉火道剖面图图2：同等压力下国产、进口燃烧器火焰示意图XX分公司卧装焙烧炉燃气式燃烧器往往在使用过程中存在如下问题：由于火焰深度不足、燃烧器喷出火焰高度发散（见图2），约有高达30%～40%的燃气火焰通过该过火口，造成火道内温度分布不均、炉面温度高、垂直温差大。导致火道内局部温度过高，严重影响炉室使用寿命；现有的燃烧器导致火道上部温度过高，而下部温度过低，炉室热量损失大、热效率低，明显增加燃料消耗；燃烧器结构复杂而笨重，使用寿命短，很不利于生产作业（见图3）。图3：现有燃烧器结构图技术先进的燃烧器结构图事实上，焙烧炉燃烧器的设计是严谨而复杂的，值得深入研究与实验。（见图4），天然气流量与燃烧器文丘里结构直径、燃烧架天然气压力之间形成函数关系。图4：燃烧器喷头孔径、燃气压力、燃气流量关系图2、卧装焙烧控制系统技术升级和创新2.1、通过控制系统程序的研发升级，实现同一排燃烧架间隔供气功能。卧装焙烧控制系统控制程序，设计的是同一排燃烧架同时供气，造成燃烧架支管压力在20000~30000Pa范围内急剧大幅波动，极不利于焙烧稳定、安全、均衡升温。2.2、通过控制系统程序的研发升级，增加卧装焙烧控制系统同一排燃烧架上下游供气功率的合理配置功能（根据实际需要，灵活可调），以实现有效节能降耗的目的。2.3、通过控制系统程序的研发升级，增加同一燃烧架在同一燃烧周期、不同时间段的供气功率的合理设置功能（根据实际需要，灵活可调）。卧装焙烧控制系统控制程序，具有不同燃烧架的不同功率设定，但在同一焙烧周期内，同一燃烧架不能依据不同升温阶段的升温要求相应设定不同功率，这不利于节能降耗。2.4、通过控制系统程序的研发升级，实现PID参数的系统优化，建立类似于三焙烧瑞士RDC公司BPS自动燃烧系统的规则控制、人工智能控制、优先权法则。图5：RDC公司BPS自动燃烧系统优先权法则数据库3、Profibus网络通讯技术改造升级为Ethernet系统原通讯网络采用Profibus，现场应用采用总线结构，分支线较多，不太合理，更为重要的是，网络通讯串联结构在出现局部端子故障时，整个网络通讯瘫痪，实现不了远程控制模式，被迫转向现场自动控制模式。Profibus物理层是RS485，某一站故障易引起整个网络瘫痪。拟改成Ethernet系统（以太网），星形结构，通讯速率高，极其适合焙烧控制系统。图6：原网络通讯Profibus结构图7：拟升级为Ethernet通讯技术4、圆筒式排烟架排烟架的研制目前，卧装焙烧炉8个排烟架是头大尾细的四方筒体楔形结构，这也是国内燃烧系统采用的主流设计结构。该结构由于头大尾细，焦油、粉尘很容聚取在此处，既不利于排烟架清理，又不利于焙烧温度远程控制。针对这些情况，计划将原先的8个楔形结构排烟架改造为圆筒式排烟架。5、每套系统加装一套天然气计量装置加装天燃气计量系统，计量装置引入上位机控制界面，并实现瞬时流量、每小时流量、每班流量、每天流量的监测功能，可及时了解天然气的使用状况，对单耗预测以及对调温工的考核提供可靠依据。6、实施后，焙烧炉综合性能测试6.1、针对某一料箱和它两侧的火道进行多点测温。记录该料箱和相邻火道的温度从室温到高温保温再到冷却的全过程，结合焙烧出的产品进行分析。6.1测点1、2、3、4、5、9、12、15、18、19、20：采用长度为1.15米热电偶测点6：采用长度为1.55米测点7、10、13、16：采用长度为2.0米测点8、11、14、17：采用长度为4.0米测点25、26、27：采用长度为1.55米6.2、温度测量的可行性6.2.1、本次综合性能测试是在焙烧炉正常工作的前提下进行的，两个火道的第4观察孔在该炉室是1P的时候，放置的是排烟软管，所以第46.2.2、由于第一观察孔4P、5P6.2.3、做成特制热电偶提手，可同时放置3支长短各异的热电偶，并预留一个观察孔。火道2第26.3、系统压力测量6.36.3.2、为了不影响正常生产，制作一批专用炉盖，上有可开关的观察孔，用于测压使用。专用炉盖分布在6.3.3、为了不影响正常生产，制作一批专用热电偶提手，上有可开关的观察孔，用于测压使用。专用热电偶提手分布在4P-6P6.3.4、6.4、烟气成分测量6.4.1、选用专用进口烟气分析仪，从专用炉盖或热电偶提手上进行烟气测量分析，除测量到O2、CO、CO2、CxHy、SO6.46.46.4.4、1P-7P每一小时测量一次，测量1#，6.5、烟气流量测量在排烟架出口制作一观察孔进行烟气流速测量。计算出平均流速与测量烟道出口横截面积相乘得到烟气流量。6.6、燃气流量测量通过安装3台流量计，同时统计4P-6P每个炉室的燃气用量。安装在该炉室上即可，经过1个周期后，就测到4P-6P每个炉室的燃气用量。可与总的烟气流量做对比分析。6、7、热平衡初步分析6.7.16.7.2、通过对2P、6.76.76.76.7.6、通过热收入项8.1、8.2和热支出项8.3、8通过对一个炉室内炭块焙烧升温到降温的全过程温度曲线、一个火焰周期内各炉室之间负压分布曲线、一个火焰周期内各炉室的含氧量、CO2的曲线、料箱内炭块的各点的温度场分布情况、燃料的燃烧效率、及天然气的流量与总排烟量等等，可检定环式焙烧炉制品的各工艺参数，找出焙烧炉运行的最佳状态。7、焙烧工艺的优化通过新型燃烧器的研制开发、卧装焙烧控制系统程序的研发升级工作和焙烧炉综合性能测试，进一步优化卧装焙烧工艺，制定符合卧装焙烧实际情况的焙烧曲线和工艺参数，合理设置挥发分大量排出阶段的“生物钟”，把该区域控制在第二和第三个炉室之间，充分利用挥发分的热能升温，达到降低能耗的目的；其次，通过负压的调整，逐步解决火焰系统过连通火道升温困难的问题，降低此阶段能耗偏高的现象。同时提高阳极温度，系统走直线期间的热端制品温度达到1050℃图9：负压曲线、温度曲线、氧含量曲线图10：沥青燃烧得到控制，合适的的阳极升温速率图11：在一个火焰周期内沥青大量释放的合理时间六、项目的主要技术特点和创新点课题的创新点及关键技术内容：1、焙烧控制系统通讯技术创新和升级；2、天然气燃烧器的研制。3、燃烧系统的工艺优化研究。4、圆筒式排烟架的研制与应用；5、焙烧炉综合性能测试；七、项目的关联行动和合作单位情况1、北京华邦天控发展有限责任公司。2、XX分公司技术开发部、炭素分厂。八、项目总投资预算:项目年度经费来源预算

单位：265.5万元1、项目年度经费来源预算

单位：265.5万元来源\年度总额XXXX年5月～XXXX年10月国家计划经费

单位名称XX分公司0.000.00地方计划经费

单位名称XX分公司0.000.00公司经费

其中：资本性支出

单位名称XX分公司0.000.00其中：费用支出

单位名称XX分公司200200其他经费

单位名称XX分公司0.000.00合计265.5200项目总投资预算:项目经费支出预算（资金使用计划分项列出：包括人员费、设备费、材料消耗、分析测试费、协作研究费等，资金来源包括研发费用、资本性投资。）年度科目总经费（万元）XXXX年备注一、设备购置及试制费1761761、设备购置费8080Profibus网络升级为工业以太网（含服务器、光缆数据线等），共4套独立的通讯网络。2、新型燃烧器试制费96968套火焰系统共384个新型燃烧器（含支座、金属软管连接）。二、工程安装费5.55.51、建设工程费222、安装费333、工器具费0.50.5三、能源及材料消耗费60601、材料费60608排楔形排烟架改制作为圆筒式排烟架，共需消耗钢材约8吨2、燃料及动力费00四、分析检测费66检测料箱垂直温差需要热电偶五、协作研究费55通讯系统升级；排烟架、燃烧器的研制等六、租赁费00七、国际合作与直流费00八、调研、差旅费44九、鉴定、验收费44十、资料、印刷费00十一、不可预见费用55十二、其他（列明细）00合计265.5265.5

项目预期的经济、社会、环境效益分析1、直接经济效益分析1.1、该项目实施后，可使焙烧阳极天然气单耗降低5~7Nm3／t－c，按卧装焙烧炉在XXXX年在按外观合格率98％计算时能完成的12万吨阳极产量为。按此估算卧装焙烧炉每年可创造经济效益如下：12×6×1.7＝122.4（万元）式中：12——卧装焙烧预焙阳极年产量；吨/年1.7——天然气单价；元/Nm32、间接经济效益分析2.1项目实施后，卧装焙烧炉将会有效地控制挥发分的大量排出和燃烧区域，充分利用挥发分的热能，降低阳极的单位能耗，另外降低了操作过程的劳动强度，提高了操作过程的安全可靠性。2.2项目实施后，焙烧烟气质量进一步提高，会有效地弥补净化焦油捕集方面的不足，提高净化焦油捕集使用效果，产生良好的社会效益。2.3焙烧炉火道使用寿命在原来的基础（6年）上延长近半年的使用寿命，可节约焙烧炉大修费用。3、预期资金回报率：265.5÷122.4=2.2年十一、项目预期取得的成果、成果应用和产业化前景分析1．项目预期取得的成果天然气燃烧器的研制可申请国家专利。炭素厂卧装焙烧工艺节能减排优化研究可申请成果。2.成果应用前景分析本项目集成了计算机、网络、电器、机械、工艺、材料等领域的先进技术，项目完成后，可以明显提高卧装焙烧炉燃料和挥发分的燃烧效果。课题成果可以推广应用于国内同行业相同类型的焙烧炉及相同或相似的燃烧系统，具有较高的推广应用价值和重大经济效益。十二、项目的风险分析1.技术风险本课题利用我厂已经十分成熟的三、四期焙烧炉燃烧系统技术，和从现实生产中的新设计思路，以及国内许多炭素厂已成功应用的经验，而且，北京科强公司具有自主开发办公自动化系统的经验和人才，具有研发该项目的软件条件；XX分公司具有焙烧工艺研发与改进的经验和专业技术人才，技术风险极小。2.市场风险该课题只需在卧装焙烧炉燃烧系统投入较少量资金对部分工艺、设备进行改造即可，市场风险极小。3.环保风险该课题的实施是在炭素厂现有的卧装焙烧炉燃烧系统现有装备的基础上进行的，有利于焙烧炉燃烧效果的提高，并将有效促进和提高焙烧烟气的达标排放质量。十三/十四、项目负责人及主要完成人员项目负责人序号姓名性别年龄职务职称业务专业在本项目中承担任务及作用为本项目工作时间（人月）所在单位XXX项目筹划、组织协调12XX分公司龚思如项目筹划、组织协调XX分公司杨晓波项目筹划、组织协调华邦天控主要研究人员陶积政方案制定实施XX分公司唐阳生方案制定实施XX分公司徐维林方案制定实施XX分公司李峰方案实施

XX分公司刘利红方案实施

XX分公司张怀武方案实施

XX分公司尹生成方案实施

XX分公司马明华方案实施

XX分公司李生忠方案实施XX分公司方案实施方案实施方案实施方案实施十五、申报单位推荐意见或专家推荐意见 负责人（签字）：（公章）推荐专家（签字）：二○○年月日十六