電煅石墨化焦的工藝探討

摘 要：針對電煅燒爐生產電煅石墨化焦技術的實際應用，闡述了生產工藝的改進，同時為適應更高的工藝要求，對電煅燒爐爐體進行改造。

關鍵詞：電煅燒爐；電煅石墨化焦；石墨化陰極炭塊

引言

2013年電解鋁行業(yè)在總體產能過剩和市場需求下降的雙重壓力下，出現(xiàn)行業(yè)大面積虧損。為求生存，各電解鋁廠家想盡各種辦法通過降低生產成本，以期在激烈的市場競爭中占有一席之地。電力消耗約占鋁錠成本的40%左右，為降低綜合交流電耗，陰極炭素制品方面相關的科研院所和企業(yè)做了大量研究，主要持兩種觀點：一是繼續(xù)使用傳統(tǒng)的無煙煤為主要材料，生產大規(guī)格異型炭塊；二是開始使用石墨化陰極炭塊。

青鑫炭素有限公司為滿足市場需求，于2007年新建石墨化陰極炭塊生產線，其中包括一臺高溫電煅燒爐，主要用于煅燒電煅石墨化焦，作為石墨化陰極炭塊的原料。

1 原理

電煅燒爐的原理是立式電阻爐，利用爐內物料本身的電阻發(fā)熱提升爐內溫度，對物料進行煅燒。電煅燒爐的工作原理是焦耳恒次定律，即Q=0.24I2Rt，電煅燒爐是以被煅燒的物料作為導電介質，當電流通過被煅燒的物料自身的電阻消耗電能，把電能轉換成熱能，使煅燒爐膛內溫度升高，對被煅燒物料進行加熱煅燒，爐膛內的煅燒料在上、中、下的不同位置被煅燒程度不同。物料在整個煅燒過程中，必須經過預熱帶、煅燒帶、冷卻帶三個階段[1]。

2 電煅燒爐改造

青鑫炭素有限公司現(xiàn)有三臺電煅燒爐，其中兩臺為普通直流電煅燒爐生產電煅煤，供給高石墨質炭素制品的原料需求；一臺2008年投入使用的高溫電煅燒爐生產電煅石墨化焦，供給石墨化炭素制品的原料需求。高溫電煅燒爐在工藝要求上更高，設備本體也做了許多改進。

2.1 設計上的差異

高溫電煅燒爐在原有電煅燒爐的基礎上進行改造，特別增大了電爐容量和額定電流值，以滿足工藝要求。

2.2 電煅燒爐內襯

煅燒電煅石墨化焦的溫度要高于煅燒電煅煤的溫度，至少要在2000℃以上，在這樣的溫度下電煅燒爐傳統(tǒng)的高鋁磚內襯就不再適用，需在如下方面進行改進。

2.2.1 爐內溫度在2000℃以上，首先要求內襯的耐高溫性；同時為減少熱量流失，降低電耗在內襯的外層增加保溫層。

2.2.2 電煅石墨化焦是顆粒料下爐，排出時仍是顆粒料，因此內襯在高溫狀態(tài)下具有一定的耐磨性，以減少大修次數(shù)，連續(xù)生產，降低生產成本。

2.2.3 直流電煅燒爐主要是高電流、低電壓的特點，為防止高電流情況下電流分散，增加電耗，內襯材料必須具有一定的絕緣性。

2.3 電煅燒爐上、下部電極

石油焦的導電性能要優(yōu)于精洗無煙煤，因此在電煅燒爐內要想獲得更高的溫度，根據(jù)工作原理必須增大電流。普通功率電極很難達到使用要求。

2.3.1 在使用過程中由于自身電阻率較高，在通過大電流時電極自身產生熱量，與空氣接觸部分發(fā)生氧化導致直徑變細，最終發(fā)生斷裂。

2.3.2 母線排與電極連接處，本身電阻較高，溫度升高容易氧化，造成接觸不良。嚴重時發(fā)生放電打火，形成危險源和隱患。

因此，在煅燒電煅石墨化焦時必須選用高功率電極或超高功率電極。

3 煅燒工藝改進

電煅燒爐的電參數(shù)主要有電流、電壓、功率、日產量、爐芯尺寸五種。電流、電壓、功率三個參數(shù)均是通過調節(jié)電壓檔位來進行操作控制的。電煅石墨化焦的工藝溫度要求必須達到2000℃以上的高溫，相比電煅煤的工藝溫度1500～2000℃還要高，生產工藝必須進行改進。

3.1 電流

電煅石墨化焦的導電性優(yōu)于精洗無煙煤，根據(jù)工作原理推算要想獲得更高的煅燒溫度，必須增大生產過程中的直流電流，以保證電煅石墨化焦的煅燒溫度。如此，需滿足以下條件：

3.1.1 實際生產中電流強度必須達到20～35KA，以保證爐內溫度；

3.1.2 電煅燒爐內的物理化學變化復雜多變，電流強度會在一定范圍內發(fā)生跳動，必須保證變壓器不發(fā)生過載，以免引發(fā)各種連鎖反應。

3.1.3 保持電流穩(wěn)定，上部電極在高溫下氧化和磨損，會導致與下部電極之間的距離變化，同時電流發(fā)生波動，要及時調整上下部電極間距，將電流波動控制在較小范圍內。

3.2 爐阻與日產量

電煅燒爐的缺點在于無法直觀感受爐內溫度變化，這時爐阻可以作為控制產品質量的一個參照值，間接反映電煅燒爐內的電煅石墨化焦的電阻率，并且以其波動，控制產品的產量。

3.2.1 在無法直接檢測電煅燒爐內部的情況下，可以通過爐阻直接反映出爐內煅燒帶原料的電阻率指標。電阻R=ρL/s，L為材料的長度，S為爐芯面積，兩個指標在電煅燒爐中一般情況為定值，因此爐阻可以直接反映出爐內電煅石墨化焦的電阻率情況。

3.2.2 在原料理化指標穩(wěn)定的情況下，爐阻的變化與每天的電煅燒爐產量存在正比關系。如果正常生產過程中排料量增大，煅燒帶電煅石墨化焦電阻率增大，爐阻隨之增大。

3.3 排出硫分

與精洗無煙煤不同，石油焦中含硫量較大，硫在石墨化工段高溫時會發(fā)生“氣脹”導致產品裂紋，在煅燒工序必須將硫分排出，以便于石墨化工序的生產，保證產品的合格率。

石油焦中的硫可分為有機硫和無機硫。有機硫有硫醇、硫醚、硫化物等，無機硫有硫化鐵和硫酸鹽。石油焦中有機硫占多數(shù)，在較低溫度下煅燒可除去有機硫。但無機硫要在石墨化高溫下才能分解揮發(fā)[2]。

3.3.1 煙道溫度控制在400～600℃，煙道溫度過低導致?lián)]發(fā)出的硫化物在煙道閘板附近凝結，造成煙道堵塞，并且硫化物氣體從下料口排出污染廠房內的環(huán)境；煙道溫度過高，煙道內的耐火澆注料內襯與爐蓋在高溫和硫化物侵蝕雙重作用下燒損和破壞。

3.3.2 在1300～1500℃，有機硫開始揮發(fā)，揮發(fā)分上升過程中，電煅燒爐爐蓋位置溫度逐漸降低，硫分又重新凝結在電煅石墨化焦再次到煅燒帶，循環(huán)反復。要保證煅前倉放料間隔時間控制恰當，下料斗內電煅石墨化焦存量較少時，上部電煅石墨化焦溫度上升以后，硫分從煙道排出。

3.3.3 在爐蓋上方的煙道部位增加一套除硫裝置，減少對環(huán)境的污染，另一方面可以對排出的硫分進行回收，增加部分額外收益。

3.3.4 為防止煙道被硫侵蝕，在關鍵部位（如煙道閘板等）沒有耐火澆注料保護的地方選擇耐腐蝕的不銹鋼等材質，以減少檢修更換次數(shù)。

3.4 電煅石墨化焦冷卻

在經過爐體內部的冷卻帶以后，電煅石墨化焦溫度仍然很高，為了防止其從電煅燒爐排出后的氧化反應，增加灰分，以及減少對煅后輸送設備的高溫傷害，需要快速冷卻。

3.4.1 在爐體通往煅后設備下料溜管部位增加壓縮風進行風冷冷卻。

3.4.2 在煅后設備本體上增加循環(huán)水冷卻裝置或壓縮空氣冷卻裝置，直接降溫。

3.4.3 必須保證循環(huán)水冷卻塔的冷卻效果，對設備定期維護。

4 結束語

電煅燒爐進行石油焦的二次煅燒完全可行。電煅石墨化焦真密度與粉末電阻率完全符合石墨化陰極炭塊的需求。

電煅燒爐的內襯仍需改進，內襯材料需要在長時間的高溫狀態(tài)下，保持絕緣，耐磨強度存在困難。內襯壽命過短，電煅石油化焦成本過高，企業(yè)利潤無法保證。

電煅燒爐爐內溫度越高，爐內的物理化學變化越復雜，不穩(wěn)定的因素太多，只能從一些外部手段間接判斷電煅燒爐爐內情況。

電煅燒爐存在循環(huán)水、20KA的直流電流、2000℃高溫，在生產過程中三者同時存在，安全尤為重要。

參考文獻

[1]潘三紅，古峰，米壽杰，等.降低電煅燒無煙煤電能消耗的工藝技術探討[J].炭素技術，2005（3）：42-45.

[2]蔣文忠.炭素工藝學[M].北京：冶金出版社，2009（4）：100

作者簡介：簡國鋒（1984-），男，漢族，本科，工學學士，助理工程師，河北深州，中電投寧夏能源鋁業(yè)青鑫炭素有限公司，主要研究方向：陰極炭素制品。endprint