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1、碳素制品及其焙烧工艺优化 姓名：戴康平 班级：081 学号：0808111100751. 煤的碳素制品概况1. 碳素制品的性质种类用途1.1碳素制品的性质1.1.1热性能（1） 耐热性：在非氧化性气氛中，碳是耐热性最好的材料。在大气压下，碳的升华温度高达3350。他的机械强度开始不但不随温度增加而降低，相反随之不断升高，如室温时平均抗拉强度为160kpa，2500时则增加到392kpa，正好一倍。碳要在2800以上时才失去强度。（2） 良好的热传导性：石墨在平行于层面方向的热导率可和铝相比，而在垂直方向的热导率可和黄铜相比。（3） 热膨胀率小。1.1.2电性能人造石墨的电阻介于金属和半导体之间
2、，电阻的各向异性很明显，垂直方向的电阻比平行方向的大1001000倍。1.1.3化学稳定性石墨具有出色的化学稳定性，除了不能长期浸泡在硝酸硫酸氢氟酸和其他强氧化性的介质中外，不受一般酸碱盐的影响，所以是优良的耐腐蚀材料。1.1.4自润滑性和耐磨性石墨对各种表面都有很高的附着性，沿解离面易于滑动，固有很好的自润滑性。同时由于石墨滑移面上的碳原子六方网状结构形成了保护层，所以它又具有较高的耐磨性。1.1.5减速性和反射性石墨对中子有减速性和反射性。1.2碳素制品的种类和用途碳素制品的种类很多，应用很广，其中产量最大的是电极碳。1.2.1电热电化学和电机用碳素制品（1） 电加热用电极：用于电炉炼钢熔
3、炼有色金属生产电石和碳化硅等。根据不同性能，可分为石墨电极和非石墨碳素电极两大类。电炉炼钢趋向于采用大规格超高功率电极。（2） 电化学用石墨阳极：氯碱工业中电解食盐所用的电极。（3） 电工和电子工业用碳素制品：如电动机和发电机采用的电刷；电气机车无轨电车取用电流的滑板和滑块；电子工业中的碳质电阻碳棒和电真空器件等。1.2.2冶金化工和机械设备用材料（1） 冶金工业：高炉和炼钢炉用作炉衬的碳砖和炭块以及石墨坩埚等。（2） 化学工业：用作耐腐蚀材料，加工制造热交换器反应器吸收塔泵和管道等。（3） 机械工业：碳质密封材料轴承材料和结构材料，后者包括用碳素纤维生产的高级复合材料。1.2.3其他（1）
4、原子反应堆用的高纯石墨材料：用作中子减速和反射的构件。（2） 碳质吸附剂：有弹指活性炭碳分子筛和活性半焦等。（3） 生物碳制品：如人造心脏瓣膜人工骨关节鼻梁骨和牙齿等，已进入临床应用阶段。（4）（5） 二二二.煤的碳素制品焙烧工艺优化研究 焙烧是碳素制品生产中的一个重要工序，焙烧曲线、焙烧温度的均一性、升温速率、温度梯度及焙烧最终温度对阳极质量都有很大的影响.我国目前所使用的焙烧系统主要是1997 年从国外引进的PECHINEY 阳极焙烧炉和“AP”焙烧炉技术所构成，焙烧周期一般为28 h. 河南中孚碳素有限公司焙烧系统就是上述焙烧系统的改进，全自控操作，焙烧周期为28 h，设计年产量为15
5、万t. 然而随着市场竞争的不断加剧，必须进一步优化焙烧工艺，缩短生产周期，降低各项生产消耗指标，努力做到白烟焚烧，降低环保设备的工作负荷和减少焦油的排放量. 经过近两个月的实践，取得了较好的结果.2.1实践与分析从焙烧工艺角度考虑，焙烧曲线应考虑预焙阳极的升温梯度、预焙阳极的最终烧成温度和高温保温时间1 3 个参数，而重点考虑的是阳极的升温梯度. 因为这个阶段主要是控制挥发份的大量析出，只要有效地控制了挥发份的析出，就可以基本保证炭块的质量.2.1.1 制定更加科学的升温曲线 河南中孚炭素有限公司焙烧车间的原始设计升温曲线是168 h，产量为7.5 万t/a. 为了降低成本，实验缩短焙烧曲线，
6、经过长期的实验对比，焙烧曲线由168 h 缩短为156 h，这样可以使产量在原有的基础上增加7.88 %，而且节能效果显著.（1） 挥发份的燃烧是加热预热炉室热量的主要来源. 如果能掌握挥发份在不同的位置燃烧的时间、对应的炉室实际温度、以及与下个观察孔挥发份开始燃烧的时间差，那么制定的曲线就会更加符合火道的实际情况，这样有利于根据挥发份不同的燃烧情况来随时调整负压，保证预热炉室的升温更加符合“两头快，中间慢”的理念2. 根据炭块的物理化学性质，生块的温度达到250350 时，炭块的挥发份开始逸出，其中主要部分在坯料温度约350 时，就已呈聚合的焦油馏分形态蒸出. 除液体馏流出物外，还有含大量氢
7、(70 %80 %（体积）)和甲烷(15 %25 %（体积）)的气体析出3. 根据挥发份的析出规律，认真观察和记录1P、2P、3P、4P 每条火道在各个阶段挥发份燃烧的燃烧情况和其燃烧时对应的温度，同时比较了其燃烧时的实际温度与设定曲线的温差. 168 h 生产曲线3P 挥发份燃烧的情况，表1 列出了3PA 孔移炉2 h 后测到的数据，表2列出了3PB 孔在移炉10 h 后测到的数据.表1 168 h 生产曲线3P A 孔挥发份燃烧的情况火道编号负压/paA孔温度/燃烧情况1#-130854无2#-104959有 3#-106934有4#-111913有5#-118926有6#-105961有
8、7#-101917有8#-110874有9#-129866无表2 168 h 生产曲线3P A、B 孔挥发份燃烧的情况火道编号负压/pa温度/燃烧情况A孔B孔A孔B孔A孔B孔1#-112-112921846有 无2#-97-97955892有有3#-101-101990896有有4#-102-1021000891有有5#-96-961003933有有6#-100-100979921有有7#-97-971041902有有8#-105-1051045907有有9#-113-113986849有无由表1、表2 数据可以看出，在移炉时A 孔已经有部分挥发份燃烧，随着移炉时间的A 孔挥发份的燃烧，其释放
9、出来的热量加快了B 孔的升温，随着B 孔不断的升温，挥发份也逐渐开始排出并开始燃烧. 经一个月的连续观察，根据所得到的数据，发现挥发份的燃烧位置都发生在3P、2P 这个位置，而且燃烧良好4. 于是河南中孚炭素有限公司根据3PA、B、C、D 孔和2PA 孔挥发份排放的规律，挥发份在不同的时间、不同的位置燃烧以及相邻观察孔之间的燃烧时间差，采用不同的操作，这样既保证高温炉室的热量不被过量的抽到预热炉室，也保证了高温炉室的升温稳定性和保温性.（2） 从A 孔挥发份燃烧的情况和燃烧的温度,可以把原来的168 h 的升温曲线的起始温度提高一些，这样既不耽误炉室的升温，又可以保证156 h 的升温曲线的顺
10、利实施. 168 h 和156 h 的升温曲线见图1.由图1 可以看出156 h 的升温曲线和168h 的升温曲线相比，更加符合“两头快，中间慢”的原则，同时曲线更加趋于平滑，更有利于挥发份的析出和燃烧，这样大大降低了煤气的消耗量.2.1.2 努力做到白烟焚烧，降低煤气耗量 所谓的白烟焚烧技术，是国外20 世纪80 年代推广应用的焙烧炉燃烧工艺，具有节能和削减焙烧炉有机污染物的双重作用5. 白烟焚烧技术就是在预焙阳极生产过程中，及时调整焙烧炉内的负压，在保证煤气充分燃烧的同时，也要保证燃烧室内的沥青烟、有机物和有机挥发性成分充分的燃烧，既减少了煤气的使用量，又削减了沥青烟和有机污染物. 那么如
11、何才能做到白烟焚烧呢？首先科学的ER 升温曲线非常重要. 火道在不同的温度阶段，其里面燃烧的情况不尽相同. 在刚刚移炉后，预热炉室（1P、2P、3P）几乎全部依赖于高温炉室煤气燃烧释放出的热量来加热炉室，可随着预热炉室温度的不断升高，挥发份不断排出，当火道温度达到挥发份燃烧温度时，预热炉室的热量就主要来源于挥发份燃烧释放出的热量. 挥发份燃烧的情况主要取决于负压的操作. 如果负压过大，则挥发份还没有完全燃烧就会被抽走，这样不但增加烟气净化设备的工作负荷，同时由于挥发份不能充分燃烧，释放热量，只有依靠高温炉室的余热来加温预热炉室，这样大大的浪费了燃料；如果负压过低，则由于氧气量不够，煤气、挥发份
12、都不能充分燃烧，这样更加浪费燃料，净化设备的工作负荷会更重. 如何能做到负压恰到好处呢？从表1 表2 可以看出对于3PA、B、C、D、2PA 孔的挥发份燃烧的时间阶段有了科学的数据之后，可以看到随着挥发份不同的燃烧位置，ER 温度的不断升高，这样就要求根据挥发份的燃烧和ER 的升温曲线，适当的调整负压，既要保证ER 随着升温曲线升温，同时又要保证挥发份的充分燃烧和降低煤气的消耗量.2.1.3 降低填充料的成本 河南中孚炭素有限公司用的填充料一直是煅后焦，设计粒度为26 mm.虽然煅后焦导热性能较好，同时灰分小，但其成本较高（2000 元/t），同时粒度较大，透气率较高，挥发份析出较快，体系压力
13、低，新煅后焦在前几轮使用过程中容易使炭块氧化. 为了提高外观合格率，降低生产成本, 将粒度较小的残极颗粒和煅后焦混合在一起使用. 由于残极的粒度小，其堆积密度相应比煅后焦要大，这样两者可以互补，既保证填充料的密实度，同时又可以保证挥发份充分挥发出来，使其充分燃烧，增加炭块的析焦量，保证炭块的质量. 首先, 将残极破碎成所要求的粒度，然后按照一定的比例将两者混合在一起，搅拌均匀；然后,在铺填充料时，每铺一层，要求装炉工把所铺的混合填充料捣实；如果发现红料应及时使用多功能天车除尘器和袋式除尘器收集的粉尘铺在红料处，然后和填充料充分搅拌、踩实，这样可以增加填充料的密实度.2.2 实践结果（1）156
14、 h 生产曲线的经济效果. 产量比原来增加了7.88 %，且质量仍旧是二级品以上的保持在98 %以上，煤气的吨耗也由原来的195 m3下降到了175 m3. 优化前后的理化指标见表3表3 优化前后理化指标对照表（2） 白烟焚烧的经济效果. 挥发份的燃烧越来越充分，净化电场的焦油排放量由刚开始的每月20多只汽油桶降低到半年了几乎没有焦油，这样大大保证了电场的安全运行，也大大降低了对周围环境的影响. 优化前后煤气的消耗量见表4.表4 优化前后煤气的消耗量对比（3） 填充料的经济效果. 由于填充料的综合成本降低，同时吨耗也降低了1.5 kg，这样每个月可以节约成本1.58 万元.3.结束语（1）调整
15、好煤气和挥发份的燃烧，使它们尽可能的充分燃烧，同时保证其释放出的热量充分利用，有利于预热炉室的升温和保证炭块的质量.（2）156 h 曲线的关键就在于控制好挥发份在炉室内的燃烧，如果燃烧过于靠近ER，则容易导致ER 着火；如果挥发份燃烧靠后，则下个循环ER 的温度特别难升.（3）只要调整好挥发份和负压的关系，就能达到白烟焚烧，这样焦油的排放量会大大降低，甚至不产生焦油，这也是目前环保的要求.（4）将两种填充料混合好，同时在装炉时要不断加强装炉质量，使填充料和炭块充分结合，既保证挥发份的析出，又保证炭块在高温下不变形.参考文献：1 Weeks M E. Discovery of the Elem
16、ents , 6th M . Eastom: Jour2nal of Chemical Educationg , 1960. 2.2 陈勇, 谌继明, 邱绍宇. 钒合金的沉淀析出行为和时效强化J . 稀有金属, 2006 , 30 (3) : 295.3 Moskalyk R R , Alfantazi A M. Processing of vanadium: a reviewJ . Minerals Engineering , 2003 , (16) : 793.4 任学佑. 稀有金属钒的应用现状及市场前景J . 稀有金属, 2003 , 27 (6) : 809.5 贺洛夫. 从石煤提取五
17、氧化二钒J . 无机盐工业, 1994 ,26 (6) : 39.6 邹晓勇, 欧阳玉祝, 张爱华. 石煤钒矿无盐焙烧过程和设备的研究J . 无机盐工业, 2000 , 32 (1) : 32.7 傅立, 苏鹏. 复合焙烧添加剂从石煤中提取钒的研究J . 广西民族学院报, 2006 , 12 (2) : 105.8 孙淑媛, 孙龄高, 殷齐西. 矿石及有色金属分析手册M .北京:冶金工业出版社, 1998. 10.9 黄银霞. 五氧化二钒与氧氯化错的湿法提取研究D . 郑州: 郑州大学, 2006.10 邹晓勇, 彭清静, 欧阳玉祝. 高硅低钙钒矿的钙化焙烧过程J . 过程工程学报, 2001
18、 , 1 (2) : 189.方法使它烧结成制品, 而是用适当的粘合剂, 将粉末颗粒粘合起来11 刘建刚. 浅析预焙阳极焙烧工艺的节能实践C. 首届全国有色金属工业节能减排技术交流会，2008，119-122.12 钱湛芬. 炭素工艺学M.北京：冶金工业出版社，1996.13 王平甫，宫振. 铝电解炭阳极生产与应用M. 北京：冶金工业出版社，2005.14 王喜春，高翔，吴小勇. 预焙阳极焙烧工艺的优化J. 轻金属，2003，(3)：48-50.15 徐新年，王宏志. 阳极焙烧炉清洁生产工艺排污及能耗分析J.安全与环境工程，2006，13(2)：39-40.。现阶段碳素工业所用的重要原材料有五
19、种石油焦、沥青焦、无烟煤、石墨粉、炭黑,应根据产品的用途和性能作适当的选择和配合。前三种为块状材料, 应将它预碎成小块, 并隔绝空气锻烧至。以除去水份、挥发份, 并令其体积收缩, 性质稳定, 然后破碎、磨粉、筛分, 按粒度大小分级。作为粘合剂的材料, 现在大都采用中温煤沥青, 在使用前加热熔融, 以驱除水份, 并使杂质沉降。原料准备好以后, 按照各种制品的配方配料、混合。混合是在电热或汽热的混合机中进行。新技术中采用了真空混合, 或是将混合好的料糊置于真空榨泥机内处理, 这样可提高制品的密度。有些料糊例如冷压成型的制品, 小型的挤压制品在混合后经过辊压, 使料糊更为均匀、密实, 可塑性更好。制
20、品的成型有两种方法, 根据制品的外形尺寸、技术条件和经济合理性来选择。一种是热挤压法, 适用于生产棒材、管材及其它细长产品另一种是冷模压法, 适用于生产致密的块状产品。还有一种是振动成型, 是模压法的变体, 这是将热料糊装入钢模, 放在振动台卜, 用重物压住料糊, 在频率为赫, 振幅达毫米的振动下维持数分钟。这种成型法可以生产外形尺寸特大的制品。成型后的压块须在焙烧焙炉内烧至一“ , 使粘合剂碳化。在正常情况下, 每公斤焙烧品中有约公斤是粘合剂碳化形成的结合焦。为了增加制品的密度, 提高其性能, 有些制品例如石墨化电极接头、电解用人造石特点是碳原子受热时的易位热振动困难, 具有极高的熔点。因此
21、, 碳素粉末不能用加热熔融的方法使它烧结成制品, 而是用适当的粘合剂, 将粉末颗粒粘合起来并使它具有一定的塑性, 加压成型, 然后加热使粘合剂碳化或聚合, 使碳素颗粒间具有坚强的结合力, 从而获得人们所要求的一系列物理化学性能。现阶段碳素工业所用的重要原材料有五种石油焦、沥青焦、无烟煤、石墨粉、炭黑,应根据产品的用途和性能作适当的选择和配合。前三种为块状材料, 应将它预碎成小块, 并隔绝空气锻烧至。以除去水份、挥发份, 并令其体积收缩, 性质稳定, 然后破碎、磨粉、筛分, 按粒度大小分级。作为粘合剂的材料, 现在大都采用中温煤沥青, 在使用前加热熔融, 以驱除水份, 并使杂质沉降。原料准备好以
22、后, 按照各种制品的配方配料、混合。混合是在电热或汽热的混合机中进行。新技术中采用了真空混合, 或是将混合好的料糊置于真空榨泥机内处理, 这样可提高制品的密度。有些料糊例如冷压成型的制品, 小型的挤压制品在混合后经过辊压, 使料糊更为均匀、密实, 可塑性更好。制品的成型有两种方法, 根据制品的外形尺寸、技术条件和经济合理性来选择。一种是热挤压法, 适用于生产棒材、管材及其它细长产品另一种是冷模压法, 适用于生产致密的块状产品。还有一种是振动成型, 是模压法的变体, 这是将热料糊装入钢模, 放在振动台卜, 用重物压住料糊, 在频率为赫, 振幅达毫米的振动下维持数分钟。这种成型法可以生产外形尺寸特大的制品。成型后的压块须在焙烧焙炉内烧至一“ , 使粘合剂碳化。在正常情况下, 每公斤焙烧品中有约公斤是粘合剂碳化形成的结合焦。为了增加制品的密度, 提高其性能, 有些制品例如石墨化电极接头、电解用人造石原理11