炭素廢焦油綜合利用技術(shù)研究

張玉平

摘要：本文從國內(nèi)和國外兩個(gè)方面敘述了廢焦油綜合利用技術(shù)研究現(xiàn)狀，通過炭素工藝流程分析，炭素廢焦油主要來源于成型及焙燒工序，廢棄碳粉來源于除塵粉、殘極外排物料和地面清掃物料。充分利用炭素廢焦油具有強(qiáng)粘性、廢棄碳粉具有高發(fā)熱值的特點(diǎn)，研發(fā)一種新型炭素制品生產(chǎn)工藝。利用陽極生產(chǎn)工藝技術(shù)，參照陽極生產(chǎn)工藝，從工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備布置、生產(chǎn)工藝要求和產(chǎn)品應(yīng)用四個(gè)方面提出了炭素廢焦油綜合利用技術(shù)設(shè)計(jì)思路，讓炭素廢焦油通過高溫稀釋與預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中收集的廢棄碳粉物料按一定比例混合，利用壓球機(jī)制作成一定規(guī)格尺寸碳球，碳球經(jīng)過焙燒后用作燃料，也可破碎篩分后用作焙燒爐填充料。廢焦油綜合利用技術(shù)的研究，不僅降低了企業(yè)環(huán)保壓力，而且達(dá)到了炭素廢焦油綜合利用目的。

關(guān)鍵詞：廢焦油;綜合利用;碳球

1.炭素廢焦油綜合利用技術(shù)研究概述

1.1 炭素廢焦油綜合利用技術(shù)研究背景

預(yù)焙陽極生陽極生產(chǎn)過程中要添加14%-6%的煤瀝青作為粘合劑，在焙燒過程中，這些瀝青粘合劑分解成為含有焦油和少量二氧化硫有害成分的煙氣。這些煙氣一部分在焙燒爐火道中被燒掉，其余煙氣在通往電捕除塵器后被捕集，形成粘稠狀廢焦油。

由于廢焦油含有大量的多環(huán)芳香烴，采用傳統(tǒng)焚燒法很難完全燃燒，還會產(chǎn)生有害氣體。而通過對某企業(yè)炭素實(shí)地調(diào)查，了解到該企業(yè)對于收集廢焦油的處理手段有限，只是簡單的統(tǒng)一集中存放，大量臨時(shí)存放廢焦油，不僅帶來了環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，還影響現(xiàn)場環(huán)境。同時(shí)處置廢焦油的難度大，增加企業(yè)成本。因此研究一種高效、低投入炭素廢焦油綜合利用技術(shù)迫在眉睫。

1.2 炭素廢焦油綜合利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.2.1國外炭素廢焦油綜合利用技術(shù)研究現(xiàn)狀

經(jīng)資料查閱，國外對于炭素廢焦油處理研究開始較早，已經(jīng)建立了比較為完善的處理體系，嚴(yán)格按照“3C”原則進(jìn)行處理（即避免、循環(huán)、控制），同時(shí)根據(jù)管理的需求制訂了相關(guān)的處理標(biāo)準(zhǔn)、法律手段、行政手段和技術(shù)措施，對廢焦油的生產(chǎn)、運(yùn)輸和處置過程嚴(yán)格管控。將處置管理列入公共政策，通過借助道德、經(jīng)濟(jì)、法律甚至政治手段加強(qiáng)“危廢”的管理。

1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

與國外相比，國內(nèi)對廢焦油的處理研究起步比較晚，雖然通過借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室取得了許多先進(jìn)性研究成果，但還沒有處理炭素廢焦油的有效方式。目前常用的處理方式是在廢焦油內(nèi)加入適量的調(diào)配劑，生產(chǎn)乳化燃料的處理方式。其中調(diào)配劑可以有效調(diào)配廢焦油的流動性和分散性，降低其軟化點(diǎn)，使廢焦油燃燒更充分[2] 。但生產(chǎn)乳化燃料過程中添加的調(diào)配劑價(jià)格昂貴，再次利用費(fèi)用太高，成本負(fù)擔(dān)過大，對企業(yè)成本壓力過高。

因此，研究一種高效、低投入的廢焦油綜合利用技術(shù)，不僅可以減小環(huán)保壓力，還可以實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，變廢為寶，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.廢焦油綜合利用技術(shù)研究方案規(guī)劃

某企業(yè)炭素充分利用成熟的預(yù)焙陽極生產(chǎn)技術(shù)，對流程進(jìn)行了剖析分解，以設(shè)計(jì)出適合企業(yè)現(xiàn)狀的廢焦油綜合利用技術(shù)方案。

廢焦油在常溫常壓下呈黑色粘稠液狀，具有特殊臭味，主要成分是多環(huán)芳香族化合物，具有熱穩(wěn)定性好，不易處理的特性[1] 。據(jù)了解，對于廢焦油某企業(yè)只能統(tǒng)一貯存。整個(gè)過程不僅不能對企業(yè)帶來效益，還需要企業(yè)浪費(fèi)人力物力進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、建立特殊的儲藏室，這使得工人的勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)增加。但是廢焦油源自瀝青，也是具有強(qiáng)粘性的特點(diǎn)，可以充當(dāng)粘合劑。

在預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢料、收塵粉等廢棄碳粉物料，其中只有20%被再次利用制作成陽極鋼爪保護(hù)環(huán)，還有80%的廢棄碳粉物料有待處理。由于這些廢棄碳粉物料源自預(yù)焙陽極生產(chǎn)物料—煅后石油焦，保留了煅后石油焦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高發(fā)熱值的特性，因此還可以加以利用。

完全可以利用廢焦油、廢棄碳粉物料這兩種原料按照預(yù)焙陽極生產(chǎn)流程，生產(chǎn)出另一種炭素新產(chǎn)品，這款產(chǎn)品具有高發(fā)熱值的特性。

通過市場調(diào)研，冶煉爐窯在生產(chǎn)過程中使用塊狀燃料，必須具備高發(fā)熱值的特性，而廢焦油綜合利用技術(shù)所研究的這種炭素新產(chǎn)品就具備高發(fā)熱值的特性，因此確定出了此次研究新產(chǎn)品的外觀形式—碳球，其形狀接近于冶煉燃料煤球。

2.1炭素廢焦油的來源

預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中主要在成型、焙燒兩個(gè)生產(chǎn)工序產(chǎn)生廢焦油。

2.1.1成型工序廢焦油

預(yù)焙陽極生陽極生產(chǎn)過程中要添加一定量的煤瀝青作為粘合劑。在制備過程中，粘合劑需要在高溫下熔化，在熔化過程中會產(chǎn)生大量焦油，并被電捕除塵器捕集。通過對某企業(yè)炭素成型工序2018年每月廢焦油的產(chǎn)生量的統(tǒng)計(jì)分析，該炭素成型工序每年可產(chǎn)生廢焦油64.9噸。

2.1.2焙燒工序廢焦油

陽極在焙燒過程中，瀝青粘合劑在溫度升高時(shí)軟化和焦化，在此期間分解成為含有瀝青焦油和少量二氧化硫有害成分的煙氣。其中一部分在焙燒爐火道中被燒掉，其余煙氣在通往電捕除塵器后被捕集，形成粘稠的廢焦油。

焙燒過程，根據(jù)溫度可分為揮發(fā)分排出、焦化、高溫?zé)Y(jié)三個(gè)階段，見表2.1。

通過對某企業(yè)炭素2018年每月廢焦油產(chǎn)生量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該炭素焙燒工序每年可產(chǎn)生廢焦油88噸，具體統(tǒng)計(jì)見表2.2。

按照統(tǒng)計(jì)2018年某企業(yè)炭素收集廢焦油量為152.9噸，可以用來制作碳球。

2.2 廢棄碳粉物料的來源

按照預(yù)焙陽極生產(chǎn)流程，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，能收集到的廢棄碳粉主要有以下幾部分：

2.2.1除塵粉

據(jù)了解，某企業(yè)炭素預(yù)焙陽極生產(chǎn)過程中除塵器收集的除塵粉為了生產(chǎn)高品質(zhì)綠色陽極，要外排，每年外排的收塵粉多達(dá)846.3噸，

2.2.2 殘極外排物料

某企業(yè)炭素為進(jìn)一步降低陽極灰分和Fe含量對生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了改進(jìn)，將部分殘極外排，按照統(tǒng)計(jì)，2018年該企業(yè)炭素外排的殘極物料3439噸。

2.2.3地面清掃物料

生產(chǎn)線廢料收集是企業(yè)創(chuàng)建節(jié)約型企業(yè)的基礎(chǔ)做法之一，2018年經(jīng)統(tǒng)計(jì)某企業(yè)炭素地面清掃物料收集量達(dá)到242噸。

按照統(tǒng)計(jì)，2018年某企業(yè)炭素收集廢棄碳粉物料共計(jì)4527.3噸，除去炭素要將收集廢棄碳粉物料中的20%用于制作陽極鋼爪保護(hù)環(huán)，即炭素還有3621.8噸廢棄碳粉物料用于制作碳球。

3.廢焦油綜合利用技術(shù)研究工藝流程設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

為了綜合利用炭素廢焦油，除塵粉等廢棄碳粉物料，某企業(yè)炭素結(jié)合陽極生產(chǎn)模式，初步設(shè)計(jì)了以下工藝流程，如圖3.1所示。

碳球生產(chǎn)工藝流程如上圖所示，根據(jù)廢棄碳粉物料粒度，判斷是否需要破碎，將破碎后的廢棄碳粉物料通過皮帶運(yùn)輸機(jī)送至原料槽，再經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)送至攪拌機(jī)。

將廢焦油桶放在脫桶機(jī)內(nèi)，使用熱媒油加熱廢焦油，增加廢焦油流動性，通過泵打入攪拌機(jī)中。

進(jìn)入攪拌機(jī)的廢棄碳粉物料和廢焦油徹底攪拌混合，然后將混合后的物料通過刮板輸送機(jī)輸送到成型機(jī)中，擠壓成球形，最后碳球通過帶式輸送機(jī)輸送出到堆放地。

3.2 生產(chǎn)設(shè)備布置設(shè)計(jì)

為了降低生產(chǎn)投入成本，該企業(yè)充分利用現(xiàn)有空閑場地，生產(chǎn)線選擇在焙燒場地，生產(chǎn)出的碳球可以就近裝入焙燒爐進(jìn)行焙燒。所有設(shè)備自行安裝調(diào)試，同時(shí)利用焙燒爐改造剩余除塵管線，將廢焦油綜合利用生產(chǎn)線的除塵并入焙燒煙氣凈化系統(tǒng)。現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備布置圖如3.2所示。

3.3 生產(chǎn)工藝要求

通過大量試驗(yàn)，最終確定碳球生產(chǎn)配方：廢焦油、廢棄碳粉物料的百分占比為14%：86%，按照生產(chǎn)需要，碳球生產(chǎn)各關(guān)鍵步驟關(guān)鍵操作都相應(yīng)確定出了工藝要求，如表3.1所示。

3.4產(chǎn)品及應(yīng)用

生產(chǎn)出的碳球如圖3.3所示，經(jīng)過焙燒爐燒制，碳球的熱值高達(dá)5000-5100kcal/Kg，是很好的高熱值燃料，碳球燃燒效果圖見3.4所示。

4.廢焦油綜合利用技術(shù)應(yīng)用效果分析

4.1廢焦油綜合利用技術(shù)應(yīng)用

從廢焦油、廢棄碳粉物料處理量來看，按照現(xiàn)有廢焦油、廢棄碳粉物料百分占比為14：86來計(jì)算，按照該企業(yè)炭素炭球生產(chǎn)線年產(chǎn)量6000噸的設(shè)計(jì)產(chǎn)能，碳球生產(chǎn)線全負(fù)荷運(yùn)行計(jì)算，廢焦油年消耗量：3300×14%=462t，廢棄焦油每月消耗量為38.5t，2018年存儲的152.9噸廢焦油僅4個(gè)月就可以全部消耗完畢;廢棄碳粉物料年消耗量：3300×86%=2838t，還有783.84t廢棄碳粉物料剩余。為了將剩余的廢棄碳粉物料完全消耗，再次對預(yù)焙陽極生產(chǎn)線進(jìn)行了分析，尋找欠缺部分粘合劑。

通過梳理，瀝青熔化系統(tǒng)不定期會進(jìn)行排渣，所排瀝青渣內(nèi)含有大量瀝青，按照以往，瀝青渣也是存儲到一定量后按照廢料進(jìn)行低價(jià)處理，現(xiàn)在可以用來制作碳球，消耗剩余廢棄碳粉物料。對庫內(nèi)瀝青渣存儲量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，2018年入庫瀝青渣150.7噸，完全可以用作碳球生產(chǎn)。

按照瀝青渣內(nèi)含渣多的特點(diǎn)，對工藝線進(jìn)行了簡單的改進(jìn)，瀝青渣在通過熔化后按量直接加入攪拌機(jī)中。同時(shí)按照生產(chǎn)實(shí)際對工藝配方及溫度進(jìn)行小范圍調(diào)整。

通過使用瀝青渣，現(xiàn)場廢棄碳粉物料可以全部生產(chǎn)成碳球，同時(shí)，有效減少了瀝青渣庫存，降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

4.2廢焦油綜合利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

根據(jù)現(xiàn)今市場價(jià)格，碳磚球價(jià)格約為1030元/噸，企業(yè)年產(chǎn)量為3300噸，可為企業(yè)帶來近340萬的年收入。即使沒有碳球外部市場，生產(chǎn)的碳球可用于企業(yè)的冬季取暖，降低供暖成本，有效降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

5.廢焦油綜合利用技術(shù)衍生

焙燒時(shí)填充料用于覆蓋生坯、填充間隙以防止生坯氧化、變形，傳導(dǎo)熱量，也是揮發(fā)分的排出通道，所以填充料在焙燒過程中焙燒爐填充料中小于1mm的粉料過多，會增大填充料的熱阻，影響揮發(fā)分的溢出[3] ，因此要控制焙燒爐填充料中的粉料量。碳球經(jīng)過焙燒后性能類似于陽極碳塊，其性能化驗(yàn)指標(biāo)如表5.1所示。

如上表所示，經(jīng)過焙燒的碳球較陽極灰分、體積密度、耐壓強(qiáng)度均偏高，按照其性質(zhì)，完全可以將焙燒后的碳球破碎后用以替代填充料。

在碳球生產(chǎn)線增加了破碎篩分設(shè)備，碳球經(jīng)過破碎、篩分，將其粒度控制在2-3mm，篩分后與在線填充料進(jìn)行充分混合，混合物料使用后，焙燒爐溫度工藝控制平穩(wěn)，未受任何影響。

碳球破碎篩分后用作填充料，可以彌補(bǔ)焙燒填充料燒損，每年可節(jié)約費(fèi)用10多萬元。

按照市場需求，還可以改變碳球的形狀尺寸，例如，為了讓碳球易于破碎，可將其混合后的物料排入制作好的模具中，人工搗實(shí)，生產(chǎn)出一定尺寸的方磚，方磚經(jīng)過焙燒后要比碳球容易破碎，可以有效提高破碎設(shè)備破碎效率，降低職工勞動強(qiáng)度。為了讓生產(chǎn)出的碳球在焙燒爐中易于裝出爐及填充料覆蓋控制，將碳球形狀改為與陽極尺寸一樣的大碳磚。等等的想法有待實(shí)施，有待研究。

6.結(jié)束語

隨著對環(huán)保工作的越來越重視，對廢物利用技術(shù)的研究越來越多，炭素廢焦油綜合利用技術(shù)充分利用炭素生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的廢焦油、廢棄碳粉物料生產(chǎn)處新產(chǎn)品，旨在降低企業(yè)環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝晟元.炭素陽極焙燒廢焦油處理方法探討[J].電力設(shè)備.2018年.第14期.

[2] 左小磊.陳曉青等.廢焦油瀝青的回收利用研究[J].環(huán)境工程.2004年12月第22卷第6期.

[3] 彭勇.陽極焙燒爐填充料燒損問題的探討[J].輕金屬.2016年4月.

（作者單位：中國鋁業(yè)青海分公司）