电煅石墨化焦的工艺探讨

摘 要：针对电煅烧炉生产电煅石墨化焦技术的实际应用，阐述了生产工艺的改进，同时为适应更高的工艺要求，对电煅烧炉炉体进行改造。

关键词：电煅烧炉；电煅石墨化焦；石墨化阴极炭块

引言

2013年电解铝行业在总体产能过剩和市场需求下降的双重压力下，出现行业大面积亏损。为求生存，各电解铝厂家想尽各种办法通过降低生产成本，以期在激烈的市场竞争中占有一席之地。电力消耗约占铝锭成本的40%左右，为降低综合交流电耗，阴极炭素制品方面相关的科研院所和企业做了大量研究，主要持两种观点：一是继续使用传统的无烟煤为主要材料，生产大规格异型炭块；二是开始使用石墨化阴极炭块。

青鑫炭素有限公司为满足市场需求，于2007年新建石墨化阴极炭块生产线，其中包括一台高温电煅烧炉，主要用于煅烧电煅石墨化焦，作为石墨化阴极炭块的原料。

1 原理

电煅烧炉的原理是立式电阻炉，利用炉内物料本身的电阻发热提升炉内温度，对物料进行煅烧。电煅烧炉的工作原理是焦耳恒次定律，即Q=0.24I2Rt，电煅烧炉是以被煅烧的物料作为导电介质，当电流通过被煅烧的物料自身的电阻消耗电能，把电能转换成热能，使煅烧炉膛内温度升高，对被煅烧物料进行加热煅烧，炉膛内的煅烧料在上、中、下的不同位置被煅烧程度不同。物料在整个煅烧过程中，必须经过预热带、煅烧带、冷却带三个阶段[1]。

2 电煅烧炉改造

青鑫炭素有限公司现有三台电煅烧炉，其中两台为普通直流电煅烧炉生产电煅煤，供给高石墨质炭素制品的原料需求；一台2008年投入使用的高温电煅烧炉生产电煅石墨化焦，供给石墨化炭素制品的原料需求。高温电煅烧炉在工艺要求上更高，设备本体也做了许多改进。

2.1 设计上的差异

高温电煅烧炉在原有电煅烧炉的基础上进行改造，特别增大了电炉容量和额定电流值，以满足工艺要求。

2.2 电煅烧炉内衬

煅烧电煅石墨化焦的温度要高于煅烧电煅煤的温度，至少要在2000℃以上，在这样的温度下电煅烧炉传统的高铝砖内衬就不再适用，需在如下方面进行改进。

2.2.1 炉内温度在2000℃以上，首先要求内衬的耐高温性；同时为减少热量流失，降低电耗在内衬的外层增加保温层。

2.2.2 电煅石墨化焦是颗粒料下炉，排出时仍是颗粒料，因此内衬在高温状态下具有一定的耐磨性，以减少大修次数，连续生产，降低生产成本。

2.2.3 直流电煅烧炉主要是高电流、低电压的特点，为防止高电流情况下电流分散，增加电耗，内衬材料必须具有一定的绝缘性。

2.3 电煅烧炉上、下部电极

石油焦的导电性能要优于精洗无烟煤，因此在电煅烧炉内要想获得更高的温度，根据工作原理必须增大电流。普通功率电极很难达到使用要求。

2.3.1 在使用过程中由于自身电阻率较高，在通过大电流时电极自身产生热量，与空气接触部分发生氧化导致直径变细，最终发生断裂。

2.3.2 母线排与电极连接处，本身电阻较高，温度升高容易氧化，造成接触不良。严重时发生放电打火，形成危险源和隐患。

因此，在煅烧电煅石墨化焦时必须选用高功率电极或超高功率电极。

3 煅烧工艺改进

电煅烧炉的电参数主要有电流、电压、功率、日产量、炉芯尺寸五种。电流、电压、功率三个参数均是通过调节电压档位来进行操作控制的。电煅石墨化焦的工艺温度要求必须达到2000℃以上的高温，相比电煅煤的工艺温度1500～2000℃还要高，生产工艺必须进行改进。

3.1 电流

电煅石墨化焦的导电性优于精洗无烟煤，根据工作原理推算要想获得更高的煅烧温度，必须增大生产过程中的直流电流，以保证电煅石墨化焦的煅烧温度。如此，需满足以下条件：

3.1.1 实际生产中电流强度必须达到20～35KA，以保证炉内温度；

3.1.2 电煅烧炉内的物理化学变化复杂多变，电流强度会在一定范围内发生跳动，必须保证变压器不发生过载，以免引发各种连锁反应。

3.1.3 保持电流稳定，上部电极在高温下氧化和磨损，会导致与下部电极之间的距离变化，同时电流发生波动，要及时调整上下部电极间距，将电流波动控制在较小范围内。

3.2 炉阻与日产量

电煅烧炉的缺点在于无法直观感受炉内温度变化，这时炉阻可以作为控制产品质量的一个参照值，间接反映电煅烧炉内的电煅石墨化焦的电阻率，并且以其波动，控制产品的产量。

3.2.1 在无法直接检测电煅烧炉内部的情况下，可以通过炉阻直接反映出炉内煅烧带原料的电阻率指标。电阻R=ρL/s，L为材料的长度，S为炉芯面积，两个指标在电煅烧炉中一般情况为定值，因此炉阻可以直接反映出炉内电煅石墨化焦的电阻率情况。

3.2.2 在原料理化指标稳定的情况下，炉阻的变化与每天的电煅烧炉产量存在正比关系。如果正常生产过程中排料量增大，煅烧带电煅石墨化焦电阻率增大，炉阻随之增大。

3.3 排出硫分

与精洗无烟煤不同，石油焦中含硫量较大，硫在石墨化工段高温时会发生“气胀”导致产品裂纹，在煅烧工序必须将硫分排出，以便于石墨化工序的生产，保证产品的合格率。

石油焦中的硫可分为有机硫和无机硫。有机硫有硫醇、硫醚、硫化物等，无机硫有硫化铁和硫酸盐。石油焦中有机硫占多数，在较低温度下煅烧可除去有机硫。但无机硫要在石墨化高温下才能分解挥发[2]。

3.3.1 烟道温度控制在400～600℃，烟道温度过低导致挥发出的硫化物在烟道闸板附近凝结，造成烟道堵塞，并且硫化物气体从下料口排出污染厂房内的环境；烟道温度过高，烟道内的耐火浇注料内衬与炉盖在高温和硫化物侵蚀双重作用下烧损和破坏。

3.3.2 在1300～1500℃，有机硫开始挥发，挥发分上升过程中，电煅烧炉炉盖位置温度逐渐降低，硫分又重新凝结在电煅石墨化焦再次到煅烧带，循环反复。要保证煅前仓放料间隔时间控制恰当，下料斗内电煅石墨化焦存量较少时，上部电煅石墨化焦温度上升以后，硫分从烟道排出。

3.3.3 在炉盖上方的烟道部位增加一套除硫装置，减少对环境的污染，另一方面可以对排出的硫分进行回收，增加部分额外收益。

3.3.4 为防止烟道被硫侵蚀，在关键部位（如烟道闸板等）没有耐火浇注料保护的地方选择耐腐蚀的不锈钢等材质，以减少检修更换次数。

3.4 电煅石墨化焦冷却

在经过炉体内部的冷却带以后，电煅石墨化焦温度仍然很高，为了防止其从电煅烧炉排出后的氧化反应，增加灰分，以及减少对煅后输送设备的高温伤害，需要快速冷却。

3.4.1 在炉体通往煅后设备下料溜管部位增加压缩风进行风冷冷却。

3.4.2 在煅后设备本体上增加循环水冷却装置或压缩空气冷却装置，直接降温。

3.4.3 必须保证循环水冷却塔的冷却效果，对设备定期维护。

4 结束语

电煅烧炉进行石油焦的二次煅烧完全可行。电煅石墨化焦真密度与粉末电阻率完全符合石墨化阴极炭块的需求。

电煅烧炉的内衬仍需改进，内衬材料需要在长时间的高温状态下，保持绝缘，耐磨强度存在困难。内衬寿命过短，电煅石油化焦成本过高，企业利润无法保证。

电煅烧炉炉内温度越高，炉内的物理化学变化越复杂，不稳定的因素太多，只能从一些外部手段间接判断电煅烧炉炉内情况。

电煅烧炉存在循环水、20KA的直流电流、2000℃高温，在生产过程中三者同时存在，安全尤为重要。

参考文献

[1]潘三红，古峰，米寿杰，等.降低电煅烧无烟煤电能消耗的工艺技术探讨[J].炭素技术，2005（3）：42-45.

[2]蒋文忠.炭素工艺学[M].北京：冶金出版社，2009（4）：100

作者简介：简国锋（1984-），男，汉族，本科，工学学士，助理工程师，河北深州，中电投宁夏能源铝业青鑫炭素有限公司，主要研究方向：阴极炭素制品。endprint