電煅石墨化焦的工藝探討

摘 要：針對(duì)電煅燒爐生產(chǎn)電煅石墨化焦技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，闡述了生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，同時(shí)為適應(yīng)更高的工藝要求，對(duì)電煅燒爐爐體進(jìn)行改造。

關(guān)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(chǎn)能過(guò)剩和市場(chǎng)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(guò)降低生產(chǎn)成本，以期在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guān)的科研院所和企業(yè)做了大量研究，主要持兩種觀點(diǎn)：一是繼續(xù)使用傳統(tǒng)的無(wú)煙煤為主要材料，生產(chǎn)大規(guī)格異型炭塊；二是開(kāi)始使用石墨化陰極炭塊。

青鑫炭素有限公司為滿足市場(chǎng)需求，于2007年新建石墨化陰極炭塊生產(chǎn)線，其中包括一臺(tái)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(nèi)物料本身的電阻發(fā)熱提升爐內(nèi)溫度，對(duì)物料進(jìn)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(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)電流通過(guò)被煅燒的物料自身的電阻消耗電能，把電能轉(zhuǎn)換成熱能，使煅燒爐膛內(nèi)溫度升高，對(duì)被煅燒物料進(jìn)行加熱煅燒，爐膛內(nèi)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(gè)煅燒過(guò)程中，必須經(jīng)過(guò)預(yù)熱帶、煅燒帶、冷卻帶三個(gè)階段[1]。

2 電煅燒爐改造

青鑫炭素有限公司現(xiàn)有三臺(tái)電煅燒爐，其中兩臺(tái)為普通直流電煅燒爐生產(chǎn)電煅煤，供給高石墨質(zhì)炭素制品的原料需求；一臺(tái)2008年投入使用的高溫電煅燒爐生產(chǎn)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(shè)備本體也做了許多改進(jìn)。

2.1 設(shè)計(jì)上的差異

高溫電煅燒爐在原有電煅燒爐的基礎(chǔ)上進(jìn)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(nèi)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(nèi)襯就不再適用，需在如下方面進(jìn)行改進(jìn)。

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

2.2.2 電煅石墨化焦是顆粒料下?tīng)t，排出時(shí)仍是顆粒料，因此內(nèi)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(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。

2.2.3 直流電煅燒爐主要是高電流、低電壓的特點(diǎn)，為防止高電流情況下電流分散，增加電耗，內(nèi)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(dǎo)電性能要優(yōu)于精洗無(wú)煙煤，因此在電煅燒爐內(nèi)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(dá)到使用要求。

2.3.1 在使用過(guò)程中由于自身電阻率較高，在通過(guò)大電流時(shí)電極自身產(chǎn)生熱量，與空氣接觸部分發(fā)生氧化導(dǎo)致直徑變細(xì)，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(yán)重時(shí)發(fā)生放電打火，形成危險(xiǎn)源和隱患。

因此，在煅燒電煅石墨化焦時(shí)必須選用高功率電極或超高功率電極。

3 煅燒工藝改進(jìn)

電煅燒爐的電參數(shù)主要有電流、電壓、功率、日產(chǎn)量、爐芯尺寸五種。電流、電壓、功率三個(gè)參數(shù)均是通過(guò)調(diào)節(jié)電壓檔位來(lái)進(jìn)行操作控制的。電煅石墨化焦的工藝溫度要求必須達(dá)到2000℃以上的高溫，相比電煅煤的工藝溫度1500～2000℃還要高，生產(chǎn)工藝必須進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 電流

電煅石墨化焦的導(dǎo)電性優(yōu)于精洗無(wú)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(chǎn)過(guò)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(shí)際生產(chǎn)中電流強(qiáng)度必須達(dá)到20～35KA，以保證爐內(nèi)溫度；

3.1.2 電煅燒爐內(nèi)的物理化學(xué)變化復(fù)雜多變，電流強(qiáng)度會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生跳動(dòng)，必須保證變壓器不發(fā)生過(guò)載，以免引發(fā)各種連鎖反應(yīng)。

3.1.3 保持電流穩(wěn)定，上部電極在高溫下氧化和磨損，會(huì)導(dǎo)致與下部電極之間的距離變化，同時(shí)電流發(fā)生波動(dòng)，要及時(shí)調(diào)整上下部電極間距，將電流波動(dòng)控制在較小范圍內(nèi)。

3.2 爐阻與日產(chǎn)量

電煅燒爐的缺點(diǎn)在于無(wú)法直觀感受爐內(nèi)溫度變化，這時(shí)爐阻可以作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)參照值，間接反映電煅燒爐內(nèi)的電煅石墨化焦的電阻率，并且以其波動(dòng)，控制產(chǎn)品的產(chǎn)量。

3.2.1 在無(wú)法直接檢測(cè)電煅燒爐內(nèi)部的情況下，可以通過(guò)爐阻直接反映出爐內(nèi)煅燒帶原料的電阻率指標(biāo)。電阻R=ρL/s，L為材料的長(zhǎng)度，S為爐芯面積，兩個(gè)指標(biāo)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(nèi)電煅石墨化焦的電阻率情況。

3.2.2 在原料理化指標(biāo)穩(wěn)定的情況下，爐阻的變化與每天的電煅燒爐產(chǎn)量存在正比關(guān)系。如果正常生產(chǎn)過(guò)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(wú)煙煤不同，石油焦中含硫量較大，硫在石墨化工段高溫時(shí)會(huì)發(fā)生“氣脹”導(dǎo)致產(chǎn)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(chǎn)，保證產(chǎn)品的合格率。

石油焦中的硫可分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫。有機(jī)硫有硫醇、硫醚、硫化物等，無(wú)機(jī)硫有硫化鐵和硫酸鹽。石油焦中有機(jī)硫占多數(shù)，在較低溫度下煅燒可除去有機(jī)硫。但無(wú)機(jī)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(guò)低導(dǎo)致?lián)]發(fā)出的硫化物在煙道閘板附近凝結(jié)，造成煙道堵塞，并且硫化物氣體從下料口排出污染廠房?jī)?nèi)的環(huán)境；煙道溫度過(guò)高，煙道內(nèi)的耐火澆注料內(nèi)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(jī)硫開(kāi)始揮發(fā)，揮發(fā)分上升過(guò)程中，電煅燒爐爐蓋位置溫度逐漸降低，硫分又重新凝結(jié)在電煅石墨化焦再次到煅燒帶，循環(huán)反復(fù)。要保證煅前倉(cāng)放料間隔時(shí)間控制恰當(dāng)，下料斗內(nèi)電煅石墨化焦存量較少時(shí)，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(duì)環(huán)境的污染，另一方面可以對(duì)排出的硫分進(jìn)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(guān)鍵部位（如煙道閘板等）沒(méi)有耐火澆注料保護(hù)的地方選擇耐腐蝕的不銹鋼等材質(zhì)，以減少檢修更換次數(shù)。

3.4 電煅石墨化焦冷卻

在經(jīng)過(guò)爐體內(nèi)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(yīng)，增加灰分，以及減少對(duì)煅后輸送設(shè)備的高溫傷害，需要快速冷卻。

3.4.1 在爐體通往煅后設(shè)備下料溜管部位增加壓縮風(fēng)進(jìn)行風(fēng)冷冷卻。

3.4.2 在煅后設(shè)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(duì)設(shè)備定期維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電煅燒爐進(jìn)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(nèi)襯仍需改進(jìn)，內(nèi)襯材料需要在長(zhǎng)時(shí)間的高溫狀態(tài)下，保持絕緣，耐磨強(qiáng)度存在困難。內(nèi)襯壽命過(guò)短，電煅石油化焦成本過(guò)高，企業(yè)利潤(rùn)無(wú)法保證。

電煅燒爐爐內(nèi)溫度越高，爐內(nèi)的物理化學(xué)變化越復(fù)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(nèi)情況。

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

參考文獻(xiàn)

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

[2]蔣文忠.炭素工藝學(xué)[M].北京：冶金出版社，2009（4）：100

作者簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)國(guó)鋒（1984-），男，漢族，本科，工學(xué)學(xué)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