针状焦煅烧设备的分析

摘要

针状焦是生产高功率和超高功率电极的优质炭材料，2008年之前，一直依赖进口，近几年随着针状焦研究的深入，国内也逐渐建立了几套不同规模的生产装置。虽然国内针状焦质量已接近或达到国外同等质量水平；但是，由于种种原因，针状焦生产的规模化和连续性一直受到不同程度的制约，煅烧设备便是其中之一。将炭质原料在高温下进行热处理，除去所含的挥发分，并相应地提高原料理化性能的生产工序称为煅烧。煅烧的目的是：排出原料中的水分和挥发分；提高原料的密度和机械强度；提高原料的导电性能以及原料的化学稳定性和抗氧化性能。煅烧是针状焦生产的一道重要工序，煅后焦的质量直接影响电极产品的质量。因此煅烧设备的选择对针状焦的生产显得至关重要。

针状焦和石油焦煅烧设备的差异

目前国内的煅烧设备一般是适用于石油焦的煅烧，常见的有回转窑、罐式炉以及回转床。与石油焦的煅烧相比针状焦的煅烧具有一定的特殊性，具体见下表。因此，这些煅烧设备在用于针状焦的煅烧方面存在各种局限性和不适应性。

几种煅烧设备分析

回转窑

回转窑的基本功能是提供足够的热量，使石油焦达到反应温度，并且促使这些散状或浆状物卓效混合以保证其在窑内受热均匀，在煅烧过程中水分和挥发物从中分离，从而获得适当结构的碳。 国内炭素厂及铝厂以回转窑做为煅烧设备的约占60％，回转窑的优点有以下几点：建设成本较低、生产量大、操作简单，自动化程度高且适应性强、材料单一，结构简单。做为针状焦的煅烧设备，日 本从80年代开始使用，直到现在仍在继续使用。我国建成的几套针状焦装置均使用回转窑做煅烧设备。它的工艺特点是：胶带机输送物料从下料溜管进入窑尾，随着回转窑的不断转动，而逐渐向窑头移动，煅烧后的物料排入冷却机冷却，而后有胶带机输送进入成品仓库。工艺流程图见图1。

回转窑煅烧针状焦时的窑内温度分布大致分为预热带、煅烧带和冷却带三个区域，尤其是煅烧带温度可高达1500℃，因此采用回转窑煅烧针状焦除上述的建设成本较低、生产量大、操作简单，自动化程度高且适应性强、材料单一，结构简单几个优点之外，另外一个优点是能最大量的排除生焦里的杂质硫，有报道称在生焦中类似噻吩的含硫化合物在1 200℃以上，炭和硫之间的键断开，硫能大量逸出。硫的排出对针状焦产品质量的提高有很大意义，它可以提高石墨制品的成材率，同时也可避免其它过程的污染，这是其他煅烧设备所不能达到的。

正是由于回转窑煅烧针状焦时煅烧带需求的温度较高，而针状焦生焦的挥发分与石油焦相比偏低，最大值仅为6％左右，因此为了达到煅烧带所需的热量除了需要大量外供燃料之外。还增大了针状焦的炭质烧损，造成了大量的浪费，导致煅烧收率较低，一般仅达到70％～72％。回转窑除了具有较高煅烧带温度，而且它还是一种转动设备，因此对窑内耐材的性能及砌筑方式提出了更大的挑战，尽管目前的耐材具有很高的荷重软化点，在一些高炉等高温设备上运用的得心应手，但是在煅烧针状焦的回转窑上的使用却一直不太理想。目前国内已投入生产运行的两家针状焦企业煅烧回转窑由于耐材的原因连续运行均不超过一年，甚至仅有一两个月就出现各种问题，不能正常运行，企业被迫减产停产，严重制约了针状焦生产的连续性。另外回转窑在运行过程中，窑内衬的浇注料会有一部分脱落，脱落的浇注料混入针状焦中，往往会增加产品的灰分，降低针状焦产品的质量，对后续的石墨制品造成了很大影响。最后，回转窑对煅烧针状焦生焦中粒度小的颗粒不具有优势，小颗粒粉料在随着回转窑的转动，在窑内不断的被扬起，充分与窑内空气接触，炭质烧损增大，破坏了窑内原有气氛，在一定程度上扰乱窑内温度带的分布，另外，小颗粒粉料达到窑头时，一部分粉料不能进人冷却机，在窑头聚集二次燃烧，造成窑头“返火”，给设备带来了安全隐患，给操作带来了困难。

罐式炉

罐式煅烧炉是我国开发最早的煅烧设备，占国内炭素厂和铝厂煅烧设备约37％。罐式煅烧炉按照物料运动方向与热量流动方向的区别，分为顺流式罐式煅烧炉和逆流式罐式煅烧炉。

做为针状焦的煅烧设备，罐式炉最早应用于我国第一家针状焦生产厂家：辽宁鞍山沿海化工厂， 当时选择的炉型为24罐8层火道，共两台，于1994年投入生产，罐式炉火道温度为1 380～1 400℃，针状焦在炉内停留时间大于24小时。煅后焦的真密度≥2129g／cm3。2010年石家庄德利化工有限公司新建了一套24罐10层火道顺流式罐式炉来煅烧该公司生产的煤系针状焦，该炉设计方案是年产1．5万吨煅后煤系针状焦，其中涉及10层火道的目的是加大煅烧带温度，但是由于种种原因，炉温上不去，然后在煅前料撒油来增加热源，因温度无法控制，而 且人工排料，生产一段时间个别罐体和火道局部烧坏，个别罐体停产。最后煅后焦真密度仅有一部分能达到2．139／cm3，其他指标不详。

在生产工艺上，罐式炉与回转窑不同，物料与高温火焰不直接接触，物料在炉内缓慢移动，故而炭质烧损小，细焦粉物理损失量小，煅烧产品质量好。物料在罐内通过火道辐射传热，实现水分和挥发分的排出，热稳定性和物理化学性能的提高，另外罐式煅烧炉具有适用粒度细的原料特点。但是由于罐式炉煅烧最高温度在1250-1350℃，因此针 状焦杂质硫的逸出量偏少。由于针状焦生焦的挥发分偏少，使用罐式炉煅烧时需要外供燃气提供热量，但是目前罐式炉的自动化控制程度偏低，人工控制又存在一定滞后性，往往导致各测点控制不好，罐式炉局部容易烧坏，进而影响生产。另外罐式炉生产要严格配料。块料过多，炉面易冒烟、冒火，严重影响炉体寿命。罐式炉与回转窑相比煅烧针状焦的优缺点见下表。

回转床

回转床煅烧技术在国外已有多年的使用经验，锦州石化公司于1995年引进了一台由17．5m的回转床煅烧炉，由沈阳铝镁设计院作总体工程设计，成功地进行了安装和投产，生产出了合格的普通煅烧焦和煅烧针状焦，产能是21.0t／h(普通焦进料量)，13.0t／h(针状焦进料量)。是国内唯一的一套回转床煅烧炉装置。由于使用该设备煅烧针状焦温度控制要求比较严格并且煅烧温度较高，过高的煅烧温度增加了回转床煅烧炉的整体热负荷，不利于装置的平稳、安全运行；同时也增加装置整体的能耗，加大了物料的烧损。另外回转床基建投资大，结构复杂，运行维护成本高，作为煅烧设备不具备优势。因此这种回转床煅烧炉目前在国内并没有得到广泛的应用。针状焦煅烧时在回转床煅烧炉内移动情况见图2。

针状焦煅烧设备及工艺的发展方向

以上几种煅烧设备各有优缺点，如何将它们扬长避短是以后发展的方向，另外可以考虑各类设备的混合利用，早在上世纪80年代末，荷兰人I．Lindhout，R．S．Downing，F．J．A．Geiger已研究了针状焦的二步法煅烧工艺如图3，即：焦炭预煅烧采用小型回转窑，然后再利用回转床进行煅烧。这种工艺不光提高了焦炭质量，而且充分利用了煅烧设备的优点，提高了其经济性。但是该法的基建投资大，煅烧时较高的煅烧温度对设备的危害大，设备的维护维修费用偏高，不利于长周期运行。因此，几十年来并没有得到较快的发展。根据上述思路，结合我国国内生产现状和技术现状，在煅烧工艺方面建议将煅前生焦进行粒度分级，有文献报道，小于7mm的生焦在回转窑煅烧过程中几乎被完全燃烧；另外，根据笔者在生产现场的观察，小于5mm的生焦在进入回转窑时，由于窑尾的负压作用，很大部分被抽人到积灰室，在积灰室内燃烧；因此在很大程度上由于小颗粒的生焦被烧掉造成了针状焦煅烧收率偏低。若采用煅前分级，在粒度方面按照不同的配比关系，采用不同的煅烧设备进行煅烧，小颗粒用于罐式炉煅烧，相对偏大颗粒用于回转窑的煅烧，一方面解决了操作中的困难，提高了针状焦的煅烧收率；另一方面由于针状焦在不同的用途方面，粒度要求不同，若采用煅前粒度分级，对针状焦的分级使用也带来了方便。在设备方面建议将回转窑和罐式炉混合使用，扬长避短。目前回转窑对煅烧粒度较小的煅前生焦操作难以调节，并且炭质烧损大，造成回转窑收率偏低，但是回转窑在大型化、投资少、占地面积小，自动化水平高等方面具有优势。而罐式炉具有适用粒度细的原料、炭质烧损小，收率高的特点，其缺点投资较大，操作比较复杂。

结语

尽管针状焦的国产化已经实现，但是由于煅烧设备等因素的制约，我国针状焦的规模化和连续性仍不理想。因此，希望广大的煅烧设备工作者对目前存在的问题仍需重视，如回转窑的耐材选择及砌筑方式；罐式炉的大型化及控制的自动化等方面。另外对针状焦煅烧新工艺的开发和研究仍不能间断。

文献参考：炭素  作者：程俊霞等