廢陽極碳燃燒與污染物排放特性研究

關鍵詞：廢陽極碳；工業(yè)分析；熱重-紅外分析；燃燒特性

陽極碳是以石油焦、陽極顆粒和煤焦油瀝青混合物為原料，經(jīng)石油焦的煅燒、中碎、篩分、細碎，以及瀝青的熔化、配料、混捏、成型，再經(jīng)1100℃的高溫焙燒等工序加工制作而成，常用作預焙鋁電解槽的陽極材料， 起著導電與還原的雙重作用[1]。但在鋁電解生產(chǎn)過程中，會有一定的廢陽極碳產(chǎn)生，不僅影響生產(chǎn)活動的正常運行，還對生態(tài)環(huán)境造成危害，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，鋁電解產(chǎn)生的廢陽極碳數(shù)量不斷增加，給環(huán)境保護帶來了很大壓力。為了減少廢陽極碳對環(huán)境的污染影響和實現(xiàn)工業(yè)資源的再利用，研究人員將廢陽極碳視為富含碳質(zhì)的燃料，并利用相應的技術或工藝，對其進行高效合理的處置，提高其附加值[2]。如，陳喜平等[3] 利用焙燒法使碳充分燃燒，發(fā)現(xiàn)陽極碳中的碳反應率最高達95.31%，殘留的燒渣為高純度電解質(zhì)。本研究旨在探明廢陽極碳的燃燒與污染物排放特性，為其在工業(yè)生產(chǎn)中的資源再利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1實驗材料與方法

廢陽極碳材料來自某電解鋁廠，先使用小型粉碎機對其進行粉碎，篩選出100～140目之間的廢陽極碳，再對其進行干燥后作為實驗樣本。

研究采用元素分析、工業(yè)分析和熱重-紅外分析等方法，對廢陽極碳的元素組成、熱值、燃燒行為和燃燒過程中的污染物釋放特性進行分析，并在此基礎上對其作為燃料使用的可行性進行評價。

2陽極碳常規(guī)特性分析

2.1元素分析

陽極碳主要由C、N、O、S等元素組成，其中C 的含量占比為95.410%，是陽極碳的主要成分，N、S的含量占比分別為0.550% 和2.444%；陽極碳燃燒過程中可能會產(chǎn)生少量的氮氧化合物和SO₂污染物，同時陽極碳中含有微量重金屬，可能會引發(fā)重金屬污染[4][5]。陽極碳元素含量如表1所示。

2.2工業(yè)分析

陽極碳的水分和固定碳含量低，揮發(fā)分含量較高。對于燃料來說，揮發(fā)分含量高意味著燃料的著火溫度降低，更易在較低的溫度下釋放揮發(fā)分并釋放熱量，加快了燃燒過程，有助于后續(xù)固定炭的燃燒。但陽極碳的灰分含量高，不利于燃燒過程中揮發(fā)分與氧的充分接觸，使得燃盡階段滯后，燃盡溫度增高，且飛灰排放增加，因此需要設置除塵裝置。陽極碳工業(yè)分析和熱值測定如表2 所示，可知陽極碳能夠作為一種高熱值的燃料使用。

2.3熱重-紅外分析

采用TG-DTG 法確定著火溫度T _i 和燃盡溫度T _j。著火溫度對于反應點燃和穩(wěn)定燃燒有重要意義，但不能反應燃燒的整個過程。因此，先用式（1）計算出樣本轉(zhuǎn)化率α，再用式（2）和式（3）計算出綜合燃燒特性指數(shù)S ，以綜合反映樣本的著火和燃盡特性，S 值越大，說明燃燒特性越好。

3陽極碳燃燒與污染物排放特性評價

3.1陽極碳熱解失重評價

在氮氣氣氛下，將20mg陽極碳樣本以20℃ /min 的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG 曲線如圖1所示，可以看出，陽極碳的熱解過程分為2個階段。

3.1.1脫水階段

第1 階段為脫水階段，樣本在這個階段的反應主要為發(fā)生物理變化并失去水分，質(zhì)量損失率受含水率影響較大。由于陽極碳的含水率較低，因此其在這個階段的質(zhì)量損失較小，TG-DTG曲線有明顯的峰值變化，當TG-DTG曲線基本不變時，代表這個階段反應結(jié)束。

3.1.2主要熱解階段

第2 階段為主要熱解階段，陽極碳在這個階段的TG曲線有明顯下降趨勢，表明其質(zhì)量損失增大。氮氣氣氛下，當溫度低于800℃時，陽極碳的重量基本沒有變化；800℃時，陽極碳開始熱解并開始失重；最大失重發(fā)生在溫度930℃左右，此時DTG曲線有明顯的肩狀峰，最大失重速率為0.0123%/min。在第2階段，樣本于缺氧條件下受熱分解，各種揮發(fā)物隨著溫度的不斷升高而相應析出，產(chǎn)生大部分的質(zhì)量損失。

熱解過程一般分為3個階段，第3階段即碳化階段的TG-DTG曲線變化幅度減小，質(zhì)量變化較小，失重速率逐漸趨近于零，這個階段通常被認為是由C-C 健和C-H 健的進一步裂解造成的[6]，熱解對象反應十分緩慢，最終變成碳化物，無法進一步熱解。而陽極碳在1000℃時還在繼續(xù)反應，仍處于第2階段中。

3.2陽極碳燃燒失重評價

在空氣氣氛下，將20mg 陽極碳樣本以20℃ /min 的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG 曲線如圖2a 所示?？梢钥闯?，20mg 陽極碳在空氣氣氛的燃燒TG曲線與氮氣氣氛的熱解TG曲線形狀及走勢基本相似。第1 階段為預熱與干燥階段，樣本吸收燃燒過程中釋放的熱量并蒸發(fā)水分，由于著火時為非均相著火，揮發(fā)分和焦炭同時燃燒，因此僅在600℃時出現(xiàn)了1個明顯峰。第2 階段為揮發(fā)分和固定炭燃燒階段，是陽極碳燃燒失重的主要階段，DTG曲線在這個階段的下降趨勢有明顯變化，并出現(xiàn)了明顯的峰值。另外，陽極碳在升溫初期出現(xiàn)了少量的表觀增重現(xiàn)象，原因主要在于其對氧的物理和化學吸附作用[7]。由于實驗至1000℃時，反應仍處在焦炭的燃燒階段，未達到燃盡階段，分析可能是樣本量較大的緣故，因此適當減少樣本量，再作進一步測試。

在空氣氣氛下， 將8mg陽極碳樣本以20℃ /min 的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG 曲線如圖2b 所示?？梢钥闯觯紵磻譃?個階段，即預熱與干燥階段、揮發(fā)分和固定炭燃燒階段、燃盡階段。8mg陽極碳樣本在空氣氣氛的著火溫度為550℃，最大失重溫度點在660℃，這個結(jié)果與20mg樣本實驗測得的著火溫度和最大失重溫度相同。但在927℃時，8mg陽極碳樣本已燃盡，整個燃燒過程不斷產(chǎn)生灰分，樣本中的可燃物質(zhì)已反應完全，TG曲線呈現(xiàn)出逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)。

由TG-DTG 切線法確定陽極碳著火溫度為550℃，最大失重溫度為660℃，燃盡溫度為927℃；將此數(shù)據(jù)代入式（2）和式（3）可得綜合燃燒特性指數(shù)，如表3所示。

3.3燃燒- 紅外光譜評價

空氣氣氛下，在對陽極碳進行熱重實驗的同時進行紅外光譜檢測，主要檢測其產(chǎn)生的氣體成分，結(jié)果如圖3 所示。可以看出，在600～4000cm^-1波數(shù)段，陽極碳燃燒主要產(chǎn)生的是CO₂和少量CO，在780～1100cm^-1波數(shù)段，檢測到了極少的SO₂；峰狀趨勢開始于溫度550℃左右，當660℃時達到峰值，此時燃燒最快，這個結(jié)果與上述熱重實驗結(jié)果相應；沒有檢測到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

4結(jié)論

經(jīng)特性分析可知，陽極碳主要由C、N、O、S 等元素組成，其中C 含量95.410%，為陽極碳的主要組成部分；陽極碳燃燒過程中可能會產(chǎn)生少量氮氧化合物和SO₂污染物，且陽極碳中含有微量的重金屬，有可能引發(fā)重金屬污染；陽極碳中揮發(fā)分和固定碳含量在40%以上，低位熱值為33831kJ/kg，是一種良好的燃料，但較高的灰分含量會對燃燒產(chǎn)生不利影響。

經(jīng)熱重分析可知，陽極碳的著火溫度為550℃，燃盡溫度為927℃，綜合燃燒特性指數(shù)為2×10^-11 %²·min^-2·℃^-3。

經(jīng)紅外光譜分析可知，陽極碳燃燒過程中釋放的產(chǎn)物主要為CO₂，另有少量的CO和極少的SO₂，沒有檢測到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

作者簡介

孫偉（1982—），男，漢族，山東臨沂人，工程師，學士，研究方向為環(huán)境工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-08