[發明專利]一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統及其工藝控制方法

有效

• 申請號: 201610093336.6
• 申請日: 2016-02-19
• 公開（公告）號: CN105546981B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 楊維平;姜曉峰;楊曉萌;張利;李尚佩;劉敬山;郭楊
• 申請（專利權）人: 楊維平
• 主分類號: F27B9/14
• 分類號: F27B9/14;F27D17/00;C25C3/12
• 代理公司: 北京東正專利代理事務所(普通合伙)11312
• 代理人: 張廷利

技術領域

本發明涉及一種炭陽極的生產系統，特別是涉及一種鋁電解用炭陽極的生產焙燒系統，以及利用該焙燒系統進行炭陽極焙燒的工藝控制方法。

背景技術

炭陽極的焙燒過程，就是粘結劑——瀝青炭化變成焦碳陽極的熱處理過程。通過焙燒使炭質顆粒間的瀝青轉變成固體的焦碳膜，使炭質顆粒連接成具有一定的機械強度和物理、化學性能的整體。瀝青變成焦碳的數量和質量直接影響著成品的性能。在炭陽極焙燒過程中，生坯中的瀝青將發生一系列復雜的分解和聚合反應，其變化過程大致可分為五個階段：(1)從室溫升高至200℃的過程中，生坯軟化，其中的瀝青處于塑性狀態并呈現緩慢的流動和擴散，體積略有膨脹。(2)在200℃～300℃之間，生坯逐漸排出水分、二氧化碳、一氧化碳和輕油等成分，并進行部分脫氫縮聚反應。(3)從300℃～500℃之間，瀝青發生快速分解反應，大量排出揮發份，同時伴隨少量聚合反應。為使揮發份的排出不至于過分激烈導致制品產生裂紋，這一階段的升溫速率應該放慢。(4)當溫度達到500℃以上時，聚合反映加速，瀝青焦化形成瀝青焦；750℃～800℃時瀝青的聚合反應基本完成，但仍有部分揮發份排出，這一階段的升溫速率也不能過快；(5)在800℃以后的焙燒過程中，是使異類原子和基團從生成的焦碳的大分子中分離出來，并使分子結構重新排列，使焦化過程進一步完善，該階段升溫速率可以加快。

由于瀝青的苯環中碳—碳鍵強度比其他原子間鍵的強度大的多，因此當瀝青發生熱分解時，異類原子如氫、氧等首先發生反應，以H2、CO2、CO、CH1等小分子的揮發物逸出，氮、硫、硼等元素則根據它們與碳的結合形式，析出或留在焦炭中。分子的熱分解將在斷裂處產生不飽和鍵力，它們會在更高的溫度下把異類原子或基團分離出來，再與其他不飽和分子聚合。連接牢固的分子將集積為不揮發的殘渣并逐漸形成分層的巨大平面分子，即瀝青焦。由于層間非定域的鍵作用，在800℃以上的縮聚反應得到的焦炭，其電導率和導熱率將急劇增大。生坯中的瀝青在焙燒過程中的焦化是在固體炭質表面進行的，具有氧化脫氫縮聚的特 征。在料坯混捏過程中固體炭質顆粒表面都不同程度地吸附有氧、氮、二氧化碳、一氧化碳等氣體，吸附的氣體分子具有與瀝青分子進行氧化—還原反應的活性，可促進炭質顆粒表面與瀝青間橫向鍵的形成，并使之固化在一起，從而使焙燒后制品的密度和強度都得到提高。

升溫速率對生坯中的粘結劑——瀝青的析焦量及成焦的密度有很大的影響。升溫速度慢時，瀝青有足夠的時間進行聚合與分解反應，析焦量增大，成焦密度也大，因此可提高制品的密度和及機誡強度。同時，升溫速度慢時由于焙燒體系中溫度場分布較為均勻，可以防止制品在焙燒過程中出現裂紋。在焙燒過程中，瀝青組分的分解與聚合反應成一對互逆的動態平衡過程，因分解反應為吸熱過程，聚合反應為放熱過程，故升溫會使平衡狀態向分解方向進行，而降溫使反應向聚合方向進行。焙燒溫度是表示陽極受熱處理程度大小的重要指標，它對陽極的機誡強度、孔隙度、比電阻、反電動勢、氣體侵蝕速率及電解單耗等一系列物理化學性能都有重要的影響。因此采用最優的焙燒制度，對提高炭陽極的成品質量有著至關重要的作用。

但目前的炭陽極生產焙燒系統存在余熱利用率低、生產成本高、安全性低的問題，如圖1所示的54爐室的焙燒系統，共配置3套火焰控制單元，每套火焰控制單元在一個火焰控制周期內控制18個爐室，并在每個火焰控制周期結束后向前移動一個爐室，以便循環焙燒生產。其爐室與爐室通過隔墻隔開并沿主軸線平行排列，每個爐室由多個敞口料箱以及對應的封閉火道組成，相鄰爐室對應的火道穿過隔堵連通，隔墻中可插入插板閥用于切斷相鄰爐室之間的火道通路。生產焙燒時，將生陽極裝入由空心火道墻隔開的敞口料箱，并用填充料填充縫隙且覆蓋陽極上面。從一個爐室到另一個爐室，通過隔墻火道可沿著焙燒爐形成多條獨立且循環的火道。每個爐室對應的各火道的上側壁上均設置了可啟閉的四個燃燒測量孔，用于測量該處火道中的溫度和壓力，以便進行參數控制。就現有的每套火焰控制單元控制18個爐室來說，為滿足炭陽極焙燒的工藝條件，每個火焰控制周期至少需要28小時，有的甚到長達36小時，生產效率較低，且其排煙架ER的支管煙氣溫度一般控制在550℃左右，一方面因高溫燃燒架HR3至排煙架ER之間的爐室較少，使余熱利用率較低，能源浪費較多，同時也使高溫燃燒架HR3至排煙架ER之間的各爐室升溫相對較快，容易造成炭陽極成品出現裂紋，影響質量和成品率。另一方面，由于排煙架(ER)煙氣的溫度較高，后續凈化處理工序的壓力較大，且安全性較低容易引火災事故。

發明內容