（材料学专业论文）石油焦煅烧工艺的稳定及节能减排.pdf

t h es t u d yo fc a l c i n e dp e t r o l e u mc o k es t a b i l i t ya n de n e r g ys a v i n g t e c h n o l o g y b y j i a n g y a o j u n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 3 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a ls c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uh o n g b o d e c e m b e r , 2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者躲署堀孚 日期纱睥嗍岁7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：墨勿翌互 导师签名：幸m 处 e 1 期：矽，啤t 2 - 月37 日 日期：加易洱乙月罗】日 工程硕士学位论文 摘要 预焙阳极是铝电解槽的j 心脏”。石油焦是预焙阳极的主体原料，石油焦的质量 直接影响预焙阳极的质量。近年来随着铝电解产能的不断扩大，阳极的消耗量也 随之不断地增加，做为阳极主体原料的石油焦出现了供不应求的情况，一些低品 质的石油焦被大量的应用在预烧阳极的生产中。石油焦品质低主要表现在细粉料 含量高、硫含量及其它微量元素含量高、水分含量高。而且由于供应紧张，阳极 生产企业为满足生产要求，往往采购的石油焦生产厂家较多。这些都造成预焙阳 极用的石油焦质量不稳定。这些石油焦在煅烧过程中会带来一系列的问题，比如 煅后焦工艺质量不稳定、煅烧能耗高、污染物排放高。针对以上由于石油焦供不 应求对煅烧带来的一系列问题，本文从石油焦本身，石油焦煅烧工艺、质量、设 备等三个方面着手，深入分析了如何稳定石油焦煅烧工艺，以及通过稳定石油焦 煅烧工艺来提高预焙阳极的质量。并结合国家目前节能减排的形势，着重探讨了 石油焦煅烧过程中如何节约能源消耗和治理污染物排放超标的问题。通过分析和 研究，可以得出以下结论：合理安排石油焦的堆放和储存时间能减少石油焦的水 分含量；含细粉料多的石油焦能通过石油焦粉制丸技术解决；石油焦煅烧过程中 的能耗能通过改变回转窑内衬结构等降低；高硫焦在煅烧过程中污染物排放不达 标能通过高硫焦和普通石油焦搭配使用来降低污染物排放，另外根据实际情况选 择相应的脱硫技术能降低污染物的排放；合理利用煅烧过程中的高温烟气能达到 节约能源的目的。 关键词：石油焦；预焙阳极；煅烧工艺；节能减排 a b s t r a c t p r e b a k e da n o d ei st h e ”h e a r t ”o fa l u m i n i u mr e d u c t i o nc e l l s ，a n dp e t r o l e u mc o k e i st h em a i nr a wm a t e r i a lo fp r e b a k e da n o d e ，p e t r o l e u mc o k eq u a l i t ya f f e c t st h eq u a l i t y o fp r e b a k e da n o d e sd i r e c t l y i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s l o no i a l u m i n u me l e c t r o l y t i cp r o d u c t i o n ，a n o d ec o n s u m p t i o ni s s t e a d i l yi n c r e a s i n g a st h e m a i nr a wm a t e r i a lf o rt h ea n o d e ，t h es u p p l yo fp e t r o l e u mc o k ei s as h o r t a g e ，s os o m e l o wq u a l i t yp e t r o l e u mc o k ei sal a r g en u m b e ro fa p p l i c a t i o n s i nt h ep r o d u c t i o no f b u m a n o d e t h eq u a l i t yo fp e t r o l e u m ，c o k ei sl o wm a i n l yc a u s e db y t h eh i g hc o n t e n to f p o w d e rm a t e r i a l ，s u l f u ra n do t h e rt r a c ee l e m e n t s ，w a t e r b e c a u s eo f t h es h o r ts u p p l yo f p e t r o l e u mc o k e ，a n o d ep r o d u c t i o ne n t e r p r i s eo f t e np u r c h a s e s p e t r o l e u m c o k et m d i 骶r e n tp e t r o l e u mc o k ep r o d u c e r s t om e e tp r o d u c t i o nn e e d s ，w h i c hc a u s e dt h eq u a l i t y o fp e t r o l e 砌c o k e su s e di nt h ep r e b a k e da n o d ei s i n s t a b i l i t y as e r i e so fq u e s t l o n s w e r eb r o u g h to u ti nt h ep r o c e s so fp e t r o l e u mc o k ec a l c i n a t i o n ，s u c h a sc a l c m a t l o n t e c h n i c si n s t a b i l i t y , h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，a m o u n to fp o l l u t a n te m i s s i o n s f o rt h e a b o v es e f i e so fq u e s t i o n sb r o u g h to u td u et ot h es c a r c i t yo f c a l c i n e dp e t r o l e u mc o k e , h o wt os t a b i l i z ep e t r o l e u mc o k ec a l c i n a t i o np r o c e s sa n dh o wt os t a b i l i z ep e t r o l e u m c o k ec a l c i n a t i o np r o c e s st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp r e b a k e d a n o d e sw e r ed e e p l y a n a l y s e d i nt h i sa r t i c l ef r o mp e t r o l e u mc o k ec a l c i n a t i o np r o c e s s ，e q u i p m e n ta n d p e t r 0 1 e u mc o k eq u a l i t yt h r e e f a c e t s i nc o n j u n c t i o n w i t ht h en a t i o n a ls i t u a t i o no f c u r r e n te n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，i tw a s d i s s c u s e dt h a th o wt or e d u c e e n e r g vc o n s u m p t i o na n d c o n t r o le x c e e d i n ge m is s i o n si nt h ep e t r o l e u mc o k ec a l c l n a t l o n p r o c e s s t h r o u g ha n a l y s i sa n ds t u d i e s ， w ec a nd r a wt h ef o l l o w i n g c o n c l u s l o n s ： r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t sf o rp e t r o l e u mc o k es t a c k i n ga n ds t o r a g et i m ec a nr e d u c e t h e m o i s t u r ec o n t e n to fp e t r o l e u mc o k e ，f o rt h ep e t r o l e u m c o k ei n c l u d i n gm o r e | l n e d o w d e rm a t e r i a l ，w eu s e dt h eg r a n u l a t i n gt e c h n o l o g y o fp e t r o l e u mc o k ep o w d e r ； e n e r g yc o n s u m p t i o nc a nb er e d u c e db yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fr o t a r y k i l nl l n e rl n p e t r o l e u mc o k ec a l c i n a t i o np r o c e s s ，f o rt h ep o l l u t a n te m i s s i o n sp r o d u c e db yt h e h ig h s u l p h u rc a l c i n e dc o k e i n t h ec a l c i n a t i o np r o c e s s ，w eu s e dh i g h 。s u l f u r c o k ea n d p e t r o l e u mc o k em a t c ht or e d u c ep o l l u t a n te m i s s i o n s ，i na d d i t i o n ，a c c o r d i n g t ot h e a c t u a ls i t u a t i o n ，t h ep o l l u t a n t s e m i s s i o nc a nb e r e d u c e dt h r o u g hs e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t ed e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g y ；e n e r g ys a v i n g sc a nb e a c h i e v e db yr a t l o n a i u t i l i z a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ef l u eg a sp r o d u c e di nc a l c i n a t i o np r o c e s s 工程硕士学位论文 k e yw o r d s ：p e t r o l u mc o k e ：p r e b a k e da n o d e ；c a l c i n i n gp r o c e s s ；e n e r g ys a v i n g i v 石油焦煅烧工艺的稳定及节能减排 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i i 附表索引x 第1 章绪论1 1 1 铝电解预焙阳极概况l 1 2 阳极用石油焦概况3 1 2 1 石油焦的种类3 1 2 2 石油焦的结构4 1 3 石油焦质量与预焙阳极质量的相互关系一4 1 4 铝用阳极行业的能源和环境问题5 1 5 选题依据及研究内容5 1 5 1 选题依据5 1 5 2 研究内容6 第2 章预焙铝阳极用石油焦煅烧工艺7 2 1 概述7 2 2 回转窑煅烧石油焦工艺流程8 2 2 1 原料的储存8 2 2 2 原料破碎输送系统9 2 2 3 原料投料系统1 0 2 2 4 回转窑及附属设备1 0 2 2 5 冷却机及附属设备1 0 2 2 6 煅后焦贮存系统1 0 2 2 7 循环水系统及设备l l 2 3 煅烧质量标准1 l 2 3 1 原料分类1 l 2 3 2 石油焦的质量指标1 2 2 3 3 煅后焦质量标准1 3 2 3 4 真密度13 v 工程硕士学位论文 2 3 5 比电阻1 4 2 4 煅烧原理1 4 2 4 1 煅烧温度的确定1 4 2 4 2 煅烧过程中挥发分的排除1 4 2 4 3 煅烧过程中真密度的变化1 6 2 4 4 煅烧过程中比电阻的变化1 6 2 4 5 煅后炭质原料抗氧化性能的提高1 7 2 4 6 煅后炭质原料体积的变化1 7 2 5 提高煅后焦真密度的途径1 7 2 5 1 原料的影响一l7 2 5 2 煅烧带温度的影响1 8 2 5 3 煅烧时间的影响1 9 第3 章煅后石油焦对阳极质量的影响2 1 3 1 煅烧工序对阳极质量的影响2 1 3 1 】煅后石油焦质量对阳极质量的影响2 1 3 1 2 煅烧工艺对预焙阳极质量的影响2 3 3 2 提高阳极质量的途径2 3 3 2 1 稳定石油焦质量2 3 3 2 2 降低石油焦上生产线时的水分含量2 5 3 2 3 合理安排高硫石油的使用2 7 3 2 4 研究提高和稳定细粉石油焦煅烧质量2 8 第4 章优化煅烧工艺设备、降低能源消耗3 l 4 1 优化回转窑煅前给料秤3 1 4 1 1 工艺概况3 l 4 1 2 称重给料机系统的工作原理、组成和技术特点3 2 4 1 3 使用效果3 5 4 2d c s 技术在铝用阳极煅烧工艺中的开发与应用3 5 4 2 1 概述3 5 4 2 2 煅烧工艺控制的发展及现状3 5 4 2 3 d c s 在煅烧工艺的应用3 6 4 2 4 煅烧工艺d c s 控制的优点3 9 4 2 5 ，j 、结4 0 4 3 回转窑内衬改造新技术4 0 4 3 1 回转窑内衬施工技术4 0 4 3 2 内衬错台技术4 2 v l 第5 结 参考 致 附录 v 工程硕士学位论文 插图索引 图1 1 我国电解铝产量的增长情况1 图2 1 煅烧车间工艺流程图8 图2 2 石油焦存储仓库9 图2 3 石油焦煅烧回转窑1 0 图2 4 石油焦挥发分逸出曲线1 5 图2 5 石油焦挥发分逸出速率1 5 图2 6 煅烧石油焦的真密度随煅烧温度和挥发分的变化1 6 图3 1 杂质硫含量与石油焦空气反应性关系2 2 图3 2 杂质硫含量与石油焦二氧化碳反应性关系2 2 图3 3 石油焦的含水量和挥发分2 4 图3 4 石油焦中v 、n i 、s i 的含量2 5 图3 5 石油焦中s 、f e 、c a 的含量2 5 图3 6 四川启明星铝业公司近五年来石油焦的平均水分含量2 6 图3 7 相同工艺条件下石油焦水分含量与煅后焦真密度的关系2 7 图3 8 细粉石油焦成型煅烧工艺流程图3 0 图4 1 煅烧系统原有的给料系统图3 1 图4 2 秤重给料机工作原理示意图3 2 图4 3 称重给料机组成示意图3 3 图4 4 直接承重式称架原理示意图3 3 图4 5 改造后的煅前给料称3 4 图4 6 煅烧车间d c s 网络简图3 7 图4 7d c s 历史曲线画面3 8 图4 8d c s 系统操作画面3 8 图4 9 预制块外型结构图4 1 图4 1 0 预制块浇注法示意图4 l 图4 1 1 回转窑错台内衬结构示意图4 2 图4 1 2 错台用的增高预制块4 2 图4 1 3 改造后的错台内衬4 3 图4 1 4 相同工艺条件下内衬结构与天然气消耗的关系4 3 图5 1 改造后的烟气余热利用系统4 8 图5 2 改造后的导热油加热炉4 9 石油焦煅烧工艺的稳定及节能减排 图5 3 近年来石油焦中硫含量变化趋势图5 0 图5 4 煅烧工艺流程图5 1 图5 5 石灰法脱硫工艺流程图5 2 图5 6 纳钙双碱脱硫工艺流程图5 3 图5 7 氨一硫铵法脱硫工艺流程图5 4 图5 8 炉内喷钙炉后活化法工艺流程图5 5 i x 工程硕士学位论文 附表索引 表1 1 近年来我国铝用炭阳极产量与需求量的变化( 万吨) 2 表1 2 部分国家预焙阳极理化性质对照3 表2 1 各种炭质原料的特征和适用范围1 l 表2 2 我国石油焦的质量指标1 3 表2 3 煅后焦理化指标1 3 表2 4 煅后焦外观形状、粒度指标1 3 表2 5 石油焦挥发分气体成分表1 5 表2 6 石油焦质量1 8 表2 7 石油焦在不同温度下的真密度( g c m 3 ) 1 9 表2 8 某公司煅后焦真密度与煅烧温度的关系1 9 表3 1 石油焦分析结果2 4 表3 2 不同水分含量的石油焦在相同工艺条件下的煅烧情况2 6 表3 3 某公司2 0 1 0 年不同月份石油焦粒度分析结果2 8 表3 4 不同粒度的石油焦的煅烧质量情况2 9 表5 1 生产低硫和高硫石油焦焦烟气排放情况5 1 表5 2 四种方法的主要技术指标比较5 6 x 工程硕士学位论文 第1 章绪论 铝用炭阳极是铝电解生产的主要材料之一，每生产一吨铝要消耗5 0 0 多千克 炭阳极，它既是电解槽导电的阳极，又参与电化学反应，被称为铝电解槽的“心 脏 ，其质量对铝电解生产的经济效益影响十分大，是当前炼铝工艺不可替代的 大宗消耗材料。 1 1 铝电解预焙阳极概况 铝是一种需求量很大，在工业、建筑、民用材料等领域应用非常广泛的有色 金属材料，铝年消耗量仅次于钢铁。世界铝产量呈逐年增加的趋势，从2 0 世纪 初的0 6 万吨年发展到2 0 世纪末的2 0 0 0 万吨年，增长了近3 0 0 0 倍。我国的铝 产量也从1 9 8 0 年的3 5 万吨年猛增到2 0 0 1 年的3 4 2 万吨年，超越美国位居世界 第一位。2 0 0 5 年我国的铝产量达到7 8 0 万吨，成为名副其实的世界第一产铝大 国。图1 1 为1 9 9 0 年至今我国的电解铝总产量的增长情况。 蓄 疑 鐾 筚份 图1 1 我国电解铝产量的增长情况 电解铝炼铝技术起源于1 8 5 4 年德国b u n s e n 电解氯化铝一一氯化钠络盐而得 到金属铝，18 8 6 年美国霍尔发明了冰晶石一一氧化铝电解法，并成为近百年来 铝工业唯一的炼铝方法，其典型特点是电解过程中要不断消耗阳极。铝电解槽是 炼铝的主要设备，电解槽的发展经过了三个阶段：首先是小型预焙阳极电解槽， 其电流效率较高。在铝工业早期采用小型预焙阳极电解槽与当时的炭素工业生产 水平相关。炭素阳极生产技术的发展促进了电解槽阳极型式的演变，从而进一步 石油焦煅烧下艺的稳定及节能减排 推进了电解铝工业的发展。在2 0 世纪2 0 年代，按照当时铁合金电炉上采用的连 续自焙电极型式，在电解槽上安装了连续自焙阳极。连续自焙阳极的应用标志着 铝电解槽结构型式发展的第二阶段。但是连续自焙阳极也有其缺点，首先是本身 所带的粘结剂沥青在电解槽上焙烧时，会散发出有害的烟气，对环境污染较大。 另外，其本身的电压降也较大。这些缺点在后来炭素工业制造出高质量的大型预 焙阳极之后得到了克服。于是到2 0 世纪5 0 年代中期，原来的小型预焙槽被改造， 使之大型化和现代化，并成为了新式预焙槽。预焙阳极的大型花和现代化是电解 槽发展的第三阶段。预备阳极就是石油焦与煤沥青混合成型后，在焙烧炉中预先 焙烧好的阳极。其优点是：结构致密、质量容易控制，有利于降低电解过程中阳 极消耗量，同时也可以有效地控制焙烧时产生的沥青烟气。 我国最早的、工业用预焙阳极电解槽是1 9 6 7 年投产的郑州铝厂7 5 k a 预焙 阳极电解槽。预焙阳极块是用挤压法生产的，阳极炭块尺寸为4 0 0 m m x 4 0 0 m m 1 1 5 0 m m 。到7 0 年代初，吉林炭素厂、抚顺铝厂采用振动成型生产预焙阳极块 获得成功。8 0 年代，我国各大铝厂使用的预焙阳极块都采用振动成型，最小的 尺寸为7 4 0 m mx4 0 0 m m 4 5 0 m m ( 抚顺铝厂) ，最大的尺寸为1 4 5 0 m mx6 6 0 m m 5 4 0 m m ( 贵州铝厂) ，重达7 5 0 7 8 0 k g 。 随着国内电解铝工业的快速发展，铝用预焙阳极产量发展迅猛。2 0 0 7 年国 内创造了炭阳极产量年增加近2 0 0 万吨的新记录。预计2 0 1 0 国内阳极需求量约 7 2 0 万吨，产量约8 1 0 万吨。 表1 1近年来我国铝用炭阳极产量与需求量的变化( 万吨) 我国预焙阳极的技术指标与国外水平相比还存在一定的差距。我国和几个国 家预焙阳极指标对比表见1 2 所示。 目前国际上比较先进的预焙阳极质量指标：体积密度为1 5 5 1 6 0 9 c m 3 ，抗 压强度为3 8 5 4 m p a ，真密度为2 0 5 2 1 0g c m 3 ，电阻率为5 5uq m 以下。在我 国预焙阳极的生产由于技术和设备相对较落后等原因，很难生产出高密度、低电 阻率和高质量的均质预焙阳极，很难把电解生产过程中的阳极净耗降下来( 国内 净耗4 5 0 4 8 0 k g t a i ，而国外为3 9 0 4 2 0 k g t a i ) ；很难提高电解电流强度( 国内 阳极电流密度为0 6 9 0 7 3 a c m 2 左右，而国外在o 7 3 0 8 0 a c m z 以上) ；很难降 低电解电耗等各项指标。所以在向更高更节能的目标迈进中，预焙阳极质量将是 迈向新目标的主要障碍之一。我们应该致力于改进和提高预焙阳极的质量使之接 近或达到世界先进水平。 t 程硕士学位论文 1 2 阳极用石油焦概况 影响预焙阳极质量的主要因素有：原材料( 石油焦、煤沥青) 、生产工艺和 设备以及生产过程管理等。铝用预焙阳极的主要原材料是石油焦，因此石油焦的 性能直接影响预焙阳极块的质量。 石油焦是石油加工过程中生成的碳氢化合物( 如渣油、石油沥青等) 经焦化 后得到的固体产物。渣油和石油沥青属于有机物。有机物生成炭的过程通常叫炭 化。液相炭化生成的物质通常叫做焦，而固相炭化生成的物质叫做炭。因此可知， 属重质石油的渣油或这石油沥青经过液相炭化后的产物称石油焦。 1 2 1 石油焦的种类 石油焦的焦化方法可分为四种：流化焦化法；釜式焦化法；平炉焦化法；延 迟焦化法。上述四种焦化方法所生产的石油焦分别称为流化焦、釜式焦、平炉焦、 延迟焦，其中延迟焦占主导地位。延迟焦化工艺可根据设备及工艺状况，生产出 四种不同石油焦，四种石油焦的性能和用途如下： l 、针状焦，主要用于生产炼钢用的优质石墨电极； 2 、海绵状焦，主要用于铝电解阳极及普通石墨用电极； 3 、丸状焦或球状焦，呈圆球状，直径0 6 3 0 r a m ，大部分用于燃料； 4 、更剧烈的热裂化催化即流态化焦化工艺生产的流态化焦，因其颗粒细( 直径 0 1 0 4 m m ) ，挥发分含量高、热胀系数高，一般适合生产铝电解阳极。但流态化 焦经特殊处理后，如加入1 0 1 5 沥青制块后焦化煅烧，以及改进煅烧、破碎工 艺后可以掺用部分。 石油焦煅烧工艺的稳定及节能减排 1 2 2 石油焦的结构 石油焦的结构和性能与煅烧过程中的煅烧温度和煅烧时间有直接关系。石油 焦在煅烧过程中发生的变化是很复杂的，既有物理变化又有化学变化。石油焦在 低温阶段发生的变化主要是排除水分；而在挥发分的逸出阶段，主要发生化学变 化，即要完成石油焦中的芳香化合物的分解，又要完成某些化合物的缩聚。各种 炭素原料中的挥发分在热的作用下，先后进行了热解、聚合以及碳结构的重排。 各种炭素原料都是碳六角网格和线性聚合的碳氢化合物以及氧和氮等缩合 原子的混合物。它的结构特点是：由碳六角网格组成的平面原子网格是炭质原料 的基础，而线性聚合的碳及其它元素的原子和原子团，在大多数炭原料中则是与 碳环相连结的。 各种炭素原料在煅烧过程中发生的化学变化的复杂性与其结构上的复杂性 有关。一般来说，当煅烧温度在5 0 0 以内，各种炭素原料中的挥发分的逸出是 呈油雾状的。当温度达到5 0 0 8 0 0 时，各种炭素原料的挥发分的排除量达到最 大。 当煅烧温度达到约7 0 0 时，炭素原料挥发分成分主要是碳氢化合物热解所 分解出来的氢。当温度继续升高，将会引起碳氢化合物强烈分解而生成热解碳， 生成的热解碳不断的沉积在焦炭气孔壁及其表面，形成一种坚实有光泽的碳膜， 碳膜的形成大大提高了焦碳的抗氧化能力和机械强度。 使煅烧原料排气达到基本停止、收缩相对稳定的煅烧温度在1 1 0 0 以上， 石油焦煅烧的这一温度一般不能低于1 2 0 0 左右。在煅烧时，原料中的某些杂 质也会因受热相继排出。低温阶段首先排除吸附的气体，比如0 2 、n 2 、c 0 2 、 c o 等。随后是单体硫在4 5 0 左右发生气化排出；当温度达到1 2 0 0 以上，一 部分有机硫被排出。煅烧的最高温度一般控制在1 2 0 0 以上。此时，炭素原料 形成了碳原子的平面网络，呈两维空间有序排列的结构。 1 3 石油焦质量与预焙阳极质量的相互关系 石油焦是预焙阳极的主要原料，煅后石油焦的体积密度、真密度、空气反应 性、c 0 2 反应性、粉焦含量、杂质含量及空隙率都直接影响着预焙阳极质量。煅 后焦体积密度的变化直接影响着预焙阳极的体积密度。煅后焦c 0 2 反应性越高， 则生产的预焙阳极c 0 2 反应残余越低。煅后石油焦中的s 元素可以抑制阳极的 c 0 2 反应性和空气反应性，但随着s 含的高增加阳极的热脆性也随之增加；石油 焦中的v 元素的含量和空隙率都对阳极的空气反应性有影响，随着石油焦孔隙 率的增大，阳极的空气反应性加剧。研究表明，只有通过对石油焦关键参数的有 效控制才能保证生产出高质量的预焙阳极。 t 程硕士学位论文 俄罗斯研究人员在研究煅后石油焦焦粒结构参数对预焙阳极使用性能的影 响后认为，粒度为4 - 6 m m 焦粒的平均含量影响到煤沥青的配入量，焦孔度每增 加1 ，煤沥青配入量增加0 5 ，炭耗增加0 3 。焦子体积密度每增加0 1 ， 炭耗减少0 4 5 。煅后焦体积密度如果从0 8 2 3 9 c m 3 降到0 7 3 0 9 c m 3 ，则在生产 预焙阳极时将多消耗3 的煤沥青。 1 4 铝用阳极行业的能源和环境问题 铝用阳极的生产污染特点：铝用阳极是以石油焦、沥青为主要生产原料， 生产中具有高温、多尘、s 0 2 、沥青烟污染源多的特点。铝用阳极生产工艺过程 中污染物排放量的多少取决于生产工艺设备的装备水平以及日常生产管理、环境 管理水平的高低。铝用阳极的生产能耗较高。从原料到产出产品也可以说是个能 源转换的过程，污染物的排放，实质也是对资源的浪费，比如在原料制备、加工 过程中产生的工业粉尘及设备的跑冒滴漏，从外观上反映出来是环境污染问题， 但实质上是对资源和能源的浪费问题。 近年来，由于工艺设备的不断更新、改造、产品结构的优化，我国铝用阳极 生产的污染状况已经得到了明显的改善，各项能耗指标也在逐步降低，但是与国 外先进的企业相比，差距仍然十分巨大。体现在清洁工艺设施的不配套、管理水 平落后，没有建立起有效的环境管理体系等方面。目前国内一次焙烧生产工艺， 只引进了少量的采用燃烧法治理焙烧工序沥青烟污染的装备，绝大多数企业的焙 烧工序仍采用环式焙烧炉组织生产，产生高浓度的沥青烟从8 0 年代至今仍延用 电除尘的末端治理技术控制沥青烟的排放，运行成本高，能耗大，沥青烟的绝对 排放量仍然很高。 针对铝用阳极生产污染的特点，在选择生产工艺设备时应选择有利于环境保 护的工艺环保设施，力争把污染消灭在生产工艺过程之中。对于老企业工艺设备 的改造应按照“清洁生产”的要求组织进行，在生产组织中要实施污染生产全过 程控制，在生产中通过多种能源削减综合措施，以达到控制污染，减少流失改善 环境质量的目的。 1 5 选题依据及研究内容 1 5 1 选题依据 石油焦煅烧工序作为铝用阳极的第一道工序，其煅烧质量直接影响到预焙 阳极的质量。但随着电解铝行业的不断发展，作为预阳极用的原材料石油焦供应 市场越来越紧俏，石油焦质量越来越差，已严重影响到了煅后石油焦质量，大量 的高硫石油焦、细粉焦、杂质含量高的石油焦被使用，而这些石油焦的使用带来 尤其 排成 分含 的下 后焦 物排 工程硕士学位论文 2 1 概述 第2 章预焙铝阳极用石油焦煅烧工艺 炭质原料在与空气隔离的条件下进行高温热处理的过程称为煅烧。需要煅烧 的原料有石油焦、无烟煤。沥青焦成焦温度高，挥发分含量很低，一般不需要煅 烧，只要烘干水份就可以使用。有时为了提制品的机械强度，降低灰分以及防止 石油焦结块堵炉，而按一定比例掺入沥青焦同延迟石油焦一起煅烧，故实际上沥 青焦也受到煅烧。 一般炭质原料的煅烧温度在1 3 0 0 左右，电煅烧炉的温度可达15 0 0 2 0 0 0 。 煅烧时应尽可能减少炭质原料的氧化损失，以便提高煅烧工序实收率。 炭质原料在煅烧过程中主要达到以下目的： l 、排除原料中的水分； 2 、排除原料中的挥发分； 3 、提高原料的密度和机械强度； 4 、提高原料的导电性； 5 、提高原料的化学稳定性。 炭质原料煅烧的主要设备有回转窑、电气煅烧炉和罐式炉，它们之间的区别， 不仅在于工艺技术条件和载热介质种类的不同，更主要的是其传热条件的差异， 回转窑采用直接加热，即加热气体直接接触被煅烧的物料。罐式炉采用间接加热， 物料经过耐火砖传递热量。罐式炉只能采用气体燃料。电气煅烧炉也采用直接加 热，它是借煅烧物料的电阻把电能变为热能。 四川启明星铝业煅烧车间作为预焙阳极生产的四个主体车间之一，采用回转 窑煅烧系统。目前，共有三套回转窑煅烧系统，每套回转窑煅烧系统由1 台 2 2 x 4 5 m 的回转窑、l 台1 8 1 8 m 的冷却机等组成。回转窑煅后焦产能5 6 t h 台。回转窑内衬采用可浇注耐火材料和预制块，窑头采用摩擦环重锤拉紧式 密封，窑体设置可调二、三次风；冷却机采用内外冷却方式，以减少煅后焦烧损， 可使炭质烧损由国内的1 2 降到8 1 1 左右。在回转窑控制上，采用先进的d c s 控制技术，大大提高了劳动生产效率。车间的主要任务是将进厂的延迟石油焦经 高温煅烧，生产出达到一定指标的煅后焦，送入煅后仓贮存，供成型车间生产生 预焙阳极，并将煅烧所产生的余热发电，避免了能源的浪费。余热发电配有3 台 1 0 吨的锅炉和2 台3 0 0 0 k w 的发电机组。 越好，因为长期贮存的炭质原料在贮存过程中质量会发生变化，外界杂质也可能 混入原料中。同时，存储时间过长还会发生石油焦自燃现象。对于长期贮存的原 料，在使用前必须按规定的质量指标进行取样分析和检验，检验合格的原料方能 投入使用，检验不合格的原料，应停止使用或降级使用。例如无烟煤，如果贮存 时间过长会被风化，大块变小块，直接影响原料的机械强度和产品的质量。因此， 生产组织中应该合理的安排卸料和上料的周期，保证生产的稳定，减少不必要的 t 程硕士学位论文 损失。一般来说，石油焦储存应该注意以下问题： l 、炭质原料堆放场地必须是水泥地面，原料贮存时应尽量减少外界杂质混入。 2 、原料贮存的过程中，严禁混入灰尘、泥沙和其他杂质。少灰份原料最好是 入库保管，急用原料应库存。备用原料如无库房贮存也可露天存放，但必须加强 管理，采取措施如打水泥地面、苇席遮盖和麻袋包装等，以免原料在存放期间混 入杂质。 3 、炭质原料在存放期间要防止互相混入，特别是要防止多灰原料混入少灰原 料内。如原料发生混料时，应降级使用。同一种原料，如果质量检验结果相差较 大，也必须分别进行堆放。 4 、要防止雨雪淋，以免原料因雨水或雪水渗入而增加其水分，从而在煅烧或 烘干过种中影响热处理温度，降低煅后料的质量，并使燃料消耗量增多。 5 、要注意对贮存的新旧原料的周转使用，有些原料贮存的时间不宜过长。 6 、要加强对贮存原料的质量检查，以便及时掌握贮存原料的质量变化情况。 如果贮存原料的质量变化超过要求，应停止使用。 图2 2 石油焦存储仓库 2 2 2 原料破碎输送系统 原料破碎输送设备主要有抓斗天车、格筛漏斗、振动筛、破碎机、皮带运输 机。该工序的任务是将石油焦仓库中的石油焦经破碎达到一定粒度要求( 粒度小 于7 0 m m ) 后输送到煅前仓中。 关于石油焦破碎筛分，一定要严格控制石油焦的粒度，粒度过大不利于输送， 容易造成设备损坏影响生产的正常进行。同时也不能将粒度过小，过小不利于煅 烧质量的提高，造成能源消耗增大。石油焦破碎只针对粒度大于7 0 m m 的石油焦， 对于粒度小于7 0 m m 的石油焦，必须在破碎前筛分出来。 石油焦煅烧工艺的稳定及节能减排 2 2 3 原料投料系统 原料投料系统主要将煅前仓中的石油焦连续稳定地投入到回转窑中进行煅 烧。 该系统主要设备有定量给料皮带称等。投料系统的稳定对回转窑的稳定运行 有很大的影响，因此在生产中，为了保证回转窑的稳定运行，均匀稳定的控制投 料量是关键。 2 2 4 回转窑及附属设备 进入回转窑中的原料，随着斜度为3 的回转窑的转动，逐渐由窑尾移向窑头， 经过预热带、煅烧带及冷却带后，成为煅后焦排入到冷却机中。为了保证煅烧温 度，在回转窑头部装有吊架燃烧器，点燃天然气利用一次风助燃，向回转窑供热， 以提高回转窑内煅烧带的温度；另外为满足窑内挥发分燃烧所需要的空气，在回 转窑外壁装有向窑内送风的二、三次风机，通过调整天然气及一、二、三次风量 等参数控制煅烧带的温度和位置，在回转窑中完成石油焦的煅烧过程。 图2 3 石油焦煅烧回转窑 2 2 5 冷却机及附属设备 在回转窑中经过煅烧并初步冷却的煅后焦，通过下料溜槽进入到冷却机中， 随着冷却机的转动向前移动的同时，在进料口处要直接喷水冷却，使高温石油焦 急剧降温，同时通过循环水将窑壁冷却，间接冷却煅后焦；经过直接冷却和间接 冷却，将煅后焦冷却到6 0 左右排出冷却机，再通过煅后贮运系统排入煅后仓中 贮存待用。 因冷却机旋转和直接喷水而产生的粉尘和蒸汽，经旋风和布袋除尘后排入大 气，所收集的粉尘由螺旋输送机送回到煅后贮运系统。 一 2 2 6 煅后焦贮存系统 经冷却机冷却后的煅后焦经电子皮带称计量后，由斗式提升机、皮带输送机 1 = 程硕士学位论文 送入煅后仓。初投料或者煅烧质量达不到要求时，可将废料排入废料仓中。 2 2 7 循环水系统及设备 冷却机外壁用的间接冷却水是由水泵房冷水泵从循环水冷水池中抽送来的。 从冷却机外壁喷淋的冷却水流到地沟里，再从地沟里流入到循环水系统的热水池 里。热水池里的水再由热水泵抽送到冷却塔里冷却后排入冷水池中循环使用。 另外，回转窑及冷却机各轴承冷却水均使用循环水冷却。 2 3 煅烧质量标准 煅烧质量主要通过评价煅后焦质量指标实现，目前煅后焦质量指标主要通过 其粉末比电阻及真密度两项指标来控制。煅后焦质量愈好，其真密度愈高，粉末 比电阻也愈低。如果要更好的分析煅后焦的质量，还需测定煅后焦的灰分、挥发 分、体积密度，抗氧化能力、微量元素含量等指标。 2 3 1 原料分类 1 、炭质原料的分类 各种炭素原料的特征和适用范围见表2 1 表2 1 各种炭质原