铝电解用预焙阳极原料石油焦混配技术

王桂琴

摘 要：石油焦各项指标不稳定、不均匀，尤其是石油焦内的杂质元素含量高，针对这一现象，炭阳极制造厂家必须通过以控制微量元素为基础、兼顾其他常规指标的石油焦均质化应用技术，才能获得质量符合要求的石油焦混配料，用于制备炭阳极。石油焦混配技术的前提条件是对不同产地原料物理性能、挥发分的高低、微量元素建立数据库，不同品质的石油焦分类仓储。关键是依据石油焦特性建立科学的物料混配模型，为优化采购质量和不同品质石油焦混配创造基础条件。根据石油焦混配模型原理，石油焦采购质量实现混配比例动态化、合理化。

关键词：炭阳极；石油焦；混配；指标

中图分类号：TE626.87；TF351 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0082-02

1 石油焦混配技术的目的和意义

混配不同种类、不同成分和不同粒度的石油焦可以弥补某些石油焦存在的质量缺陷，达到石油焦的均质化和阳极配方的稳定性，进而生产出理化性能指标较好的阳极产品；同时这也可变劣质石油焦资源为可用资源，使资源得到充分的综合利用，合理的混配比可以使石油焦采购成本最优，降低炭阳极生产成本。

2 数据库构建

掌握所选石油焦产地及原料性能，对不同产地原料物理性能、挥发份的高低、微量元素建立数据库，下表1为某公司在某一时间段的石油焦指标。

从此表可以看出每种焦子的微量元素、灰份、挥发份、硫含量波动很大，标准偏差大，Na元素含量的标准偏差为70、V元素的标准偏差为376、Ca元的标准偏差为406、S元素的标准偏差为1.05、挥发分含量的标准偏差为1.55，质量很不稳定、不均匀。

3 不同品质石油焦混配技术的基本原则

3.1 控制煅烧前物料中的S含量，以控制石油焦和阳极的空气和CO2反应性

石油焦中的硫在铝电解过程中会与阳极钢棒作用，增加阳极中铁含量、降低原铝品位，同时因硫与铁反应生成FeS而增大阳极捧与炭阳极间的接触电阻而增大阳极压降。长期使用硫含量高的石油焦，会严重污染环境，并对操作工人的身体造成危害。

3.2 通过多原料配比，控制煅烧前物料中的V、Na、Ca含量，以控制煅后焦和阳极的空气反应性

金属杂质V、Ca等元素也对原料石油焦空气反应性和二氧化碳反应性有强烈的催化作用。其中V是影响空气反应性最大的一种元素。煅后石油焦在不同的真密度和堆积密度下，V元素可大大提高石油焦的空气反应性。除了钒、钙以外，镍等金属元素对石油焦的空气反应性也具有强烈的催化作用。当然与煅烧工艺控制也有很大的关系，尤其是V含量比较高时，煅后焦的真密度及堆积密度对煅后焦的空气反应性影响比较大。因此，严格控制石油焦中钠、钒、钙、镍等金属元素的含量，是提高石油焦质量的关键，它直接关系到炭阳极的空气和二氧化碳反应性等重要指标。

3.3 控制微量元素中Ca、Na的含量，以控制CO2反应性

钠对石油焦的氧化反应具有强烈的催化作用。在硫含量不变的条件下，随着石油焦中钠和钙含量的增加，石油焦的二氧化碳反应性也迅速提高，特别是当硫含量较低时，钠和钙的氧化反应催化作用更强烈。石油焦空气和二氧化碳反应性的提高将直接影响炭阳极的空气和二氧化碳反应性，从而增加阳极单耗。

4 石油焦混配技术在生产中的应用

4.1 石油焦混配模型的构建

根据所选物料、混配原理及混配后硫含量、挥发份含量、微量元素含量应达到的技术要求建立物料数学混配模型，如表2所示。此外，同一厂家、同一牌号的石油焦质量指标随焦化工艺的不同而波动，所以混配模型应根据数据库进行动态化管理。

计算过程如下：假设2#焦：3#焦：高硫焦=x：y：z

对于Na元素：x*A1+y*A2+z*A3≤200 X+Y+Z=100

对于V元素：x*B1+y*B2+z*B3≤350 X+Y+Z=100

对于Ca元素：x*C1+y*C2+z*C3≤200 X+Y+Z=100

对于S元素：x*D1+y*D2+z*D3≤3.5 X+Y+Z=100

对于挥发份：x*E1+y*E2+z*E3≤13 X+Y+Z=100

在计算的过程中，需要根据不同品质石油焦各微量元素的典型值，充分考虑某些元素优先控制法则和临界值法则，能同时满足以上公式的X、Y、Z比例，就是混配比例。

4.2 石油焦混配模型在实际生产过程中的应用

4.2.1 以石油焦指标为主的混配

依据物料混配模型计算：

对于Na元素：x*120+y*250+z*150<=200

对于V元素：x*100+y*1000+z*900<=200

对于Ca元素：x*110+y*980+z*220<=200

对于S元素：x*0.8+y*3.4+z*5.3<=3.5

对于挥发份：x*13.5+y*13+z*11.2<=13

经求解，依据指标优先控制法则和混配目标临界值法则，优先考虑S元素，经计算三种石油焦的混配比例应为2#焦：3#焦：高硫焦=2：1：1，采购比例为2#焦：3#焦：高硫焦=50%：25%：25%。混配后V、Ca超标，其余都在范围内。

根据三种石油焦的采购单价及采购比例计算出最终采购平均价，石油焦单价按照2#焦2100元/吨、3#焦2000元/吨、高硫焦1600元/噸计算，以2#焦：3#焦：高硫焦=50%：25%：25%的采购比例，其平均价为2100*50%+2000* 25%+1600*25%=1950元/吨。

4.2.2 以石油焦采购成本为优先考虑的混配

受到成本控制的影响，如石油焦采购比例为2#焦10%，3#焦20%，高硫焦70%，可以计算出最终混配后石油焦的各项指标。

Na元素：120*10%+250*20%+150*70%=167

V元素：100*10%+1000*20%+900*70%=840

Ca元素：110*10%+980*20%+220*70%=351

S元素：0.8*10%+3.4*20%+5.3*70%=4.47

挥发份：13.5*10%+13*20%+11.2*70%=11.79

此种采购法需按照2#焦：3#焦：高硫焦=1：2：7的比例混配，结果除Na、挥发份符合混配目标值外，其余S、V、Ca都超过混配目标值，尤其是V元素比较高。根据2#焦：3#焦：高硫焦=10%：20%：70%的采购比例，其平均价为2100*10%+2000*20%+1600*70%=1730元/吨。

4.2.3 石油焦指标及采购成本兼顾的混配

将采购比例进行优化，如果按照2#焦40%、3#焦0%、高硫焦60%进行采购，根据物料混配模型可计算出各项指标为：

Na元素：120*40%+150*60%=138

V元素：100*40%+900*60%=580

Ca元素：110*40%+220*60%=176

S元素：0.8*40%+5.3*60%=3.5

挥发份：13.5*40%+11.2*60%=12.12

此种采购法，按照2#焦：高硫焦=2：3的比例混配，其结果S、Na、Ca、挥发份都在标准范围内，V超出标准范围，但较第二种混配法更接近于目标值。以2#焦：高硫焦=40%：60%的采购比例，其平均采购价为2100*40% +1600* 60%=1800元/吨。

4.2.4 以石油焦指标、成本及两者兼顾的混配的性价比

综合考虑石油焦的采购价格、S及挥发分含量、微量元素（Na、Ca、V），比较上述三种采购及混配比例，其混配后性价比如表3所示。

经过比较，指标、采购单价兼顾的性价比比较高，质量效益将在阳极毛耗和电解成本指标中得到體现。

5 石油焦混配的效果

石油焦混配的一个基本作用是让杂质元素均匀分布在阳极中，而不是大起大落分布。石油焦混配后杂质元素V、Ca超出目标值，但能达到均质化的基本目标。混配不同种类、不同成分和不同粒度的石油焦可以弥补某些石油焦存在的质量缺陷，达到石油焦的均质化和阳极配方的稳定性，进而生产出理化性能指标较好的阳极产品。同时这也可变劣质石油焦资源为可用资源，使资源得到充分的综合利用。

6 结语

根据石油焦混配数学模型原理，石油焦采购质量实现混配比例动态化、合理化。通过构建石油焦原料数据库，指导石油焦原料的采购、仓储及按比例搭配上线工作，实现上线石油焦均质化，进而做到炭阳极的均质化，延长电解阳极换极周期，降低阳极生产成本。

（1）石油焦按厂家分仓堆放，这是提高阳极质量源头性的任务，也是实现不同品质石油焦精确混配的先决条件。

（2）建立较为完整、较为全面的数据库，为优化采购质量和不同品质的石油焦混配创造基础条件。

（3）系统化引进炭素材料检测技术和监测设施，发挥在线监测功效，与生产同步掌握原材料信息。

参考文献

[1] 郑州研究院资料.

[2] 曹胜利.中国冶金百科全书·炭素材料[M].北京：冶金工业出版社，2004.64-68.

[3] 王平甫，宫振，等.铝电解炭阳极技术[M].北京：冶金工业出版社，2001：51-61.

[4] 中国铝业青海分公司内部资料.