針狀焦煅燒設備的分析

2021-07-12 10:32:35   來源:瀝青基碳材料   評論:0 點擊:   字體大?。?a href="javascript:SetFont(16)">大

摘要


針狀焦是生產高功率和超高功率電極的優質炭材料,2008年之前,一直依賴進口,近幾年隨著針狀焦研究的深入,國內也逐漸建立了幾套不同規模的生產裝置。雖然國內針狀焦質量已接近或達到國外同等質量水平;但是,由于種種原因,針狀焦生產的規?;瓦B續性一直受到不同程度的制約,煅燒設備便是其中之一。將炭質原料在高溫下進行熱處理,除去所含的揮發分,并相應地提高原料理化性能的生產工序稱為煅燒。煅燒的目的是:排出原料中的水分和揮發分;提高原料的密度和機械強度;提高原料的導電性能以及原料的化學穩定性和抗氧化性能。煅燒是針狀焦生產的一道重要工序,煅后焦的質量直接影響電極產品的質量。因此煅燒設備的選擇對針狀焦的生產顯得至關重要。



針狀焦和石油焦煅燒設備的差異


目前國內的煅燒設備一般是適用于石油焦的煅燒,常見的有回轉窯、罐式爐以及回轉床。與石油焦的煅燒相比針狀焦的煅燒具有一定的特殊性,具體見下表。因此,這些煅燒設備在用于針狀焦的煅燒方面存在各種局限性和不適應性。

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幾種煅燒設備分析

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回轉窯


回轉窯的基本功能是提供足夠的熱量,使石油焦達到反應溫度,并且促使這些散狀或漿狀物卓效混合以保證其在窯內受熱均勻,在煅燒過程中水分和揮發物從中分離,從而獲得適當結構的碳。 國內炭素廠及鋁廠以回轉窯做為煅燒設備的約占60%,回轉窯的優點有以下幾點:建設成本較低、生產量大、操作簡單,自動化程度高且適應性強、材料單一,結構簡單。做為針狀焦的煅燒設備,日 本從80年代開始使用,直到現在仍在繼續使用。我國建成的幾套針狀焦裝置均使用回轉窯做煅燒設備。它的工藝特點是:膠帶機輸送物料從下料溜管進入窯尾,隨著回轉窯的不斷轉動,而逐漸向窯頭移動,煅燒后的物料排入冷卻機冷卻,而后有膠帶機輸送進入成品倉庫。工藝流程圖見圖1。


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回轉窯煅燒針狀焦時的窯內溫度分布大致分為預熱帶、煅燒帶和冷卻帶三個區域,尤其是煅燒帶溫度可高達1500℃,因此采用回轉窯煅燒針狀焦除上述的建設成本較低、生產量大、操作簡單,自動化程度高且適應性強、材料單一,結構簡單幾個優點之外,另外一個優點是能最大量的排除生焦里的雜質硫,有報道稱在生焦中類似噻吩的含硫化合物在1 200℃以上,炭和硫之間的鍵斷開,硫能大量逸出。硫的排出對針狀焦產品質量的提高有很大意義,它可以提高石墨制品的成材率,同時也可避免其它過程的污染,這是其他煅燒設備所不能達到的。

正是由于回轉窯煅燒針狀焦時煅燒帶需求的溫度較高,而針狀焦生焦的揮發分與石油焦相比偏低,最大值僅為6%左右,因此為了達到煅燒帶所需的熱量除了需要大量外供燃料之外。還增大了針狀焦的炭質燒損,造成了大量的浪費,導致煅燒收率較低,一般僅達到70%~72%?;剞D窯除了具有較高煅燒帶溫度,而且它還是一種轉動設備,因此對窯內耐材的性能及砌筑方式提出了更大的挑戰,盡管目前的耐材具有很高的荷重軟化點,在一些高爐等高溫設備上運用的得心應手,但是在煅燒針狀焦的回轉窯上的使用卻一直不太理想。目前國內已投入生產運行的兩家針狀焦企業煅燒回轉窯由于耐材的原因連續運行均不超過一年,甚至僅有一兩個月就出現各種問題,不能正常運行,企業被迫減產停產,嚴重制約了針狀焦生產的連續性。另外回轉窯在運行過程中,窯內襯的澆注料會有一部分脫落,脫落的澆注料混入針狀焦中,往往會增加產品的灰分,降低針狀焦產品的質量,對后續的石墨制品造成了很大影響。最后,回轉窯對煅燒針狀焦生焦中粒度小的顆粒不具有優勢,小顆粒粉料在隨著回轉窯的轉動,在窯內不斷的被揚起,充分與窯內空氣接觸,炭質燒損增大,破壞了窯內原有氣氛,在一定程度上擾亂窯內溫度帶的分布,另外,小顆粒粉料達到窯頭時,一部分粉料不能進人冷卻機,在窯頭聚集二次燃燒,造成窯頭“返火”,給設備帶來了安全隱患,給操作帶來了困難。


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罐式爐


罐式煅燒爐是我國開發最早的煅燒設備,占國內炭素廠和鋁廠煅燒設備約37%。罐式煅燒爐按照物料運動方向與熱量流動方向的區別,分為順流式罐式煅燒爐和逆流式罐式煅燒爐。

做為針狀焦的煅燒設備,罐式爐最早應用于我國第一家針狀焦生產廠家:遼寧鞍山沿?;S, 當時選擇的爐型為24罐8層火道,共兩臺,于1994年投入生產,罐式爐火道溫度為1 380~1 400℃,針狀焦在爐內停留時間大于24小時。煅后焦的真密≥2129g/cm3。2010年石家莊德利化工有限公司新建了一套24罐10層火道順流式罐式爐來煅燒該公司生產的煤系針狀焦,該爐設計方案是年產1.5萬噸煅后煤系針狀焦,其中涉及10層火道的目的是加大煅燒帶溫度,但是由于種種原因,爐溫上不去,然后在煅前料撒油來增加熱源,因溫度無法控制,而 且人工排料,生產一段時間個別罐體和火道局部燒壞,個別罐體停產。最后煅后焦真密度僅有一部分能達到2.139/cm3,其他指標不詳。 

在生產工藝上,罐式爐與回轉窯不同,物料與高溫火焰不直接接觸,物料在爐內緩慢移動,故而炭質燒損小,細焦粉物理損失量小,煅燒產品質量好。物料在罐內通過火道輻射傳熱,實現水分和揮發分的排出,熱穩定性和物理化學性能的提高,另外罐式煅燒爐具有適用粒度細的原料特點。但是由于罐式爐煅燒最高溫度在1250-1350℃,因此針 狀焦雜質硫的逸出量偏少。由于針狀焦生焦的揮發分偏少,使用罐式爐煅燒時需要外供燃氣提供熱量,但是目前罐式爐的自動化控制程度偏低,人工控制又存在一定滯后性,往往導致各測點控制不好,罐式爐局部容易燒壞,進而影響生產。另外罐式爐生產要嚴格配料。塊料過多,爐面易冒煙、冒火,嚴重影響爐體壽命。罐式爐與回轉窯相比煅燒針狀焦的優缺點見下表。

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回轉床


回轉床煅燒技術在國外已有多年的使用經驗,錦州石化公司于1995年引進了一臺由17.5m的回轉床煅燒爐,由沈陽鋁鎂設計院作總體工程設計,成功地進行了安裝和投產,生產出了合格的普通煅燒焦和煅燒針狀焦,產能是21.0t/h(普通焦進料量),13.0t/h(針狀焦進料量)。是國內唯一的一套回轉床煅燒爐裝置。由于使用該設備煅燒針狀焦溫度控制要求比較嚴格并且煅燒溫度較高,過高的煅燒溫度增加了回轉床煅燒爐的整體熱負荷,不利于裝置的平穩、安全運行;同時也增加裝置整體的能耗,加大了物料的燒損。另外回轉床基建投資大,結構復雜,運行維護成本高,作為煅燒設備不具備優勢。因此這種回轉床煅燒爐目前在國內并沒有得到廣泛的應用。針狀焦煅燒時在回轉床煅燒爐內移動情況見圖2。 

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針狀焦煅燒設備及工藝的發展方向


以上幾種煅燒設備各有優缺點,如何將它們揚長避短是以后發展的方向,另外可以考慮各類設備的混合利用,早在上世紀80年代末,荷蘭人I.Lindhout,R.S.Downing,F.J.A.Geiger已研究了針狀焦的二步法煅燒工藝如圖3,即:焦炭預煅燒采用小型回轉窯,然后再利用回轉床進行煅燒。這種工藝不光提高了焦炭質量,而且充分利用了煅燒設備的優點,提高了其經濟性。但是該法的基建投資大,煅燒時較高的煅燒溫度對設備的危害大,設備的維護維修費用偏高,不利于長周期運行。因此,幾十年來并沒有得到較快的發展。根據上述思路,結合我國國內生產現狀和技術現狀,在煅燒工藝方面建議將煅前生焦進行粒度分級,有文獻報道,小于7mm的生焦在回轉窯煅燒過程中幾乎被完全燃燒;另外,根據筆者在生產現場的觀察,小于5mm的生焦在進入回轉窯時,由于窯尾的負壓作用,很大部分被抽人到積灰室,在積灰室內燃燒;因此在很大程度上由于小顆粒的生焦被燒掉造成了針狀焦煅燒收率偏低。若采用煅前分級,在粒度方面按照不同的配比關系,采用不同的煅燒設備進行煅燒,小顆粒用于罐式爐煅燒,相對偏大顆粒用于回轉窯的煅燒,一方面解決了操作中的困難,提高了針狀焦的煅燒收率;另一方面由于針狀焦在不同的用途方面,粒度要求不同,若采用煅前粒度分級,對針狀焦的分級使用也帶來了方便。在設備方面建議將回轉窯和罐式爐混合使用,揚長避短。目前回轉窯對煅燒粒度較小的煅前生焦操作難以調節,并且炭質燒損大,造成回轉窯收率偏低,但是回轉窯在大型化、投資少、占地面積小,自動化水平高等方面具有優勢。而罐式爐具有適用粒度細的原料、炭質燒損小,收率高的特點,其缺點投資較大,操作比較復雜。

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結語


盡管針狀焦的國產化已經實現,但是由于煅燒設備等因素的制約,我國針狀焦的規?;瓦B續性仍不理想。因此,希望廣大的煅燒設備工作者對目前存在的問題仍需重視,如回轉窯的耐材選擇及砌筑方式;罐式爐的大型化及控制的自動化等方面。另外對針狀焦煅燒新工藝的開發和研究仍不能間斷。




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