石墨电极工程分析

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1、4、工程分析4.1 拟建项目工艺流程与产污环节简析4.1.1 拟建项目工艺流程 本项目工艺流程主要有中碎配料、混捏压型、焙烧浸渍、石墨化、机加工等工段组成。其中 中碎配料 工段主要是对针状焦和生产过程中回用的石墨碎、焙烧碎、生碎料等进行破碎、筛分成不同 粒度的颗粒及粉末后进入配料仓；混捏压型工段主要是熔化后的沥青与配料仓配料混捏成糊 料后使用压力机挤压成型，得到电极与电极接头生坯料；焙烧工段是将上述坯料在焙烧炉中 焙烧；浸渍工段是将焙烧制品与液体沥青一起在浸渍罐中浸渍；石墨化采用石墨化炉，在强 大电流造成的高温下将制品石墨化得到电极和接头的毛料；机加工是将毛料加工成较高的公 差和光洁度的成品。

2、其中电极需要1 次浸渍2 次焙烧，电极接头需要2 次浸渍3 次焙烧。本项目工艺流程详图见图4.1-1。具体工艺与产污环节描述如下。 （1）原料贮存本项目主要原料为优质针状焦、煤沥青、改质沥青等，其技术特性见表 4.4-1、表4.4-2、表 4.4-3。针状焦要求严格防止水分和其他杂物混入，因此必须密闭包装，并需要室内原料仓库贮存； 煤沥青要求防止泥土砂石杂物混入，因此必须建水泥砖地进行贮存。原料仓库内运输由1台5t单钩双梁桥式起重机负责。 本工段主要污染为起重机和运输车辆运行的噪声污染，此外沥青如露天堆放易导致粉尘污 染。本项目所有原料均贮存在原料仓库内，不露天堆放（可研中煤沥青露天堆放，本评

3、价要 求改为室内堆放，具体后面有相关内容阐述），以避免粉尘无组织排放现象。（2）中碎配料针状焦经 2 台对辊破碎机破碎成各种粒度，由斗式提升机提升至2 台多层振动筛进行筛分， 筛分出6种不同粒度的物料进入配料仓，此工序将产生一定量破碎和筛分粉尘；另取部分针 状焦经5R雷蒙机制成粉料后进入配料仓，粉料直径小于0.075mm,此过程将产生磨粉粉尘。 后续工段压型废品、焙烧废品经 1 台鄂式破碎机破碎后（将产生生碎破碎粉尘），与针状焦 一起进入中碎配料程序；石墨化废品、机加工废品、边角料经4R雷蒙机磨粉后（主要产生磨 粉粉尘）进入配料系统；中碎筛分、机加工等除尘设施粉料也进入配料仓。本项目经对辊破

4、碎机中碎后的物料粒度为1-20mm,磨粉后粒度为0.075mm以下。本工段上述粉尘发生点安装有集气除尘系统，粉尘被除尘器截留（固废）。 综上,中碎配料主要污染物为粉尘污染,此外作业过程将产生一定的噪声。（3）沥青熔化 原料库中固体沥青采用快速沥青熔化装置熔化,排除杂物和水分,贮存在液体沥青贮槽中, 待用于混捏工段和浸渍工段。本项目采用的快速沥青熔化装置,是一种高效的、能使沥青在不发生变质的条件下快速熔化 的设备。由熔化槽、加热槽、液体沥青贮槽、沥青泵、搅拌器组成,各个熔化装置和贮槽内有排管间 接加热,排管内热源为导热油,导热油密闭在循环系统中,通过加热炉不断得到热能,加热 炉采用煤气加热方式实

5、现。沥青熔化流程是干沥青加入沥青熔化槽后与已熔化的液体沥青不断进行热量传导,在搅拌器 的作用下,被液体沥青冲刷而熔化,熔化后的沥青经管道进入加热槽,加热槽内的搅拌装置 具有提升作用,将液体沥青提升,使沥青由下向上运行,然后通过加热槽旁的溢流管进入加 热槽底部,然后又被提升,如此循环加热,当沥青达到规定温度后打开沥青泵,将熔化好的 液体沥青打入贮槽进行沉渣处理。本项目沥青熔化导热油加热温度为170-180C，沥青熔化后初始温度控制在120C去除沥青 中水分，然后继续加热，沥青熔化工序耗时约10 小时，然后出罐进入沥青贮槽静置72 小时 后用于生产，熔化后的沥青输送管道等需要采取保温措施。为实现连

6、续生产使用，项目配套了2 套沥青熔化装置，生产时交替使用。一罐熔化，一罐产 出用于生产。沥青熔化将产生沥青烟，产生一类污染物苯并芘，并将产生一定量的沥青杂质S1,脱除的 的水分呈气态蒸发，处理后的沥青水分含量不大于0.2%。本项目煤沥青主要用于混捏工段，改质沥青主要用于浸渍工段，在工艺参数调整后改质沥青 也可用于混捏工段。（4）混捏压型 中碎后不同粒度的物料经自动配料秤按比例称量后由配料仓进入混捏锅（配比见表4.4-4 说 明）干混，然后，注入熔化静置后的煤沥青进行湿混。这样干料与注入沥青在混捏锅中混捏 成合格糊料，由糊料小车运出，经晾料机冷却到所需温度后，由起重机提升郅500t碳素专 用挤压

7、机挤压成相应规格的电极与电极接头生坯料。本项目混捏成型主要流程为:配料仓-干混-湿混-糊料-晾料-装料-预压-挤压-冷却 -检查-堆垛，混捏锅加热热源来自于热风炉，热风炉采用煤气作燃料。本项目混捏采用的是间歇式混捏，干混和湿混在同一混捏锅中进行。先干混，混后注入液体 沥青（粘结剂）进行湿混，混好后将糊料排出，重新加入干料开始下一混捏周期；干混温度控 制不低于液体沥青温度，混捏温度高于使用沥青软化点温度50-80C，本项目正常采用煤沥 青混捏，混捏温度为115-150C，如使用改质沥青，则混捏温度提高到160-180C，干混时间 为10-15m in,湿混时间为30-50min。本项目晾料采用的

8、是圆盘式晾料机，糊料从晾料机顶部加料口加入，经圆锥形分料器分布在 圆盘上，圆盘缓慢旋转，糊料随圆盘转动的同时被铲块切刀切碎，并被翻料铲反复反动，使 糊料均匀摊开，从而达到均匀降温和排出烟气的目的，晾料将产生废气污染。本项目压型采用的是挤压法，通过挤压机对装入料室的糊料施加压力，糊料不断密实和运动， 最后挤_压出生坯料，其过程主要有装料、预压、挤压。装料前料室四周采用电加热保持温 度100C左右，分批加料，分批捣固，直至装料完成；然后用较高的压力本项目为 14.72-19.62MPa（150-200kg/cm2）对糊料预压1-3m in,排除烟气，提高糊料密度；再以 7.85-14.72 MPa

9、（80-150kg/cm2）的压力进行挤压成型。因此挤压过程有废气（烟气）污染。 挤压过程采用直接淋水的方式对挤出的生坯进行冷却，一边挤压一边淋水，水量 5kg/t 生 坯，当挤出生坯达到所需长度规格时切断，生坯立即浸泡在冷水池中冷却定型，冷却水温度 高于30 度，浸泡时间为3-5 小时，产生浊环水，冷却水经沉淀后进入淋水塔降温后回用， 不外排。压型工段不可避免的将产生废品，主要有裂纹废品、麻面废品、变形或弯曲废品、表面沾料 废品、规格不符废品、接头断裂废品等（工业固废），本项目挤压废品经鄂式破碎机破碎后返 回进入中碎筛分工段作为生碎料，回用为配料仓原料。本工段混捏、晾料、压型等将产生废气污染

10、（粉尘和沥青烟等），同时产生一定量的固废 （主 要是压型废料），此外本工段有作业噪声污染，压型工段还有冷却水（浊环水）产生。（5）焙烧浸渍 一次焙烧:电极与电极接头生坯料进入34 室敞开式焙烧炉，以煤气为燃料，采用细焦粒作 填料填实，最上层装覆盖料，进行一次焙烧，一次焙烧温度为1100C，焙烧将排出挥发分， 产生废气污染。生制品焙烧过程主要是粘结剂煤沥青的焦化过程，即煤沥青分解、环化、芳 构化和缩聚等反应的综合过程，不同温度时段的具体变化见表4.1-1，焙烧主要阶段有低温预热中温焦化高温烧结冷却出炉，焙烧制品出炉后自然冷却。 焙烧炉室采用负压运行，防止制品的氧化。表 4.1-1 各个温度下生坯

11、的变化反应时段温度C主要变化备注低温预热阶段200粘结剂开始软化升温要快变化剧烈 中温阶段200-300吸附水和化合水以及低分子烷烃被排除；同时伴随游离基反应发生，非芳香族物质呈气态或液态脱离基本构造单位升温要慢400非芳香族物质呈气态或液态脱离基本构造单位更为突 出400以上热分解更激烈进行，主要是甲基以及较长侧链分解产 生甲烷、氢、CO和co2等低分子化合物；500-650碳环聚合形成半焦570以上半焦热解并在制品表面形成一层致密而坚固的碳层高温加快 烧结阶段700以上半焦结构分解剧烈，氢和CO大量产生；芳香族碳核结合的程度显著提高，逐渐形成焦碳； 对热不稳定的原子团从粘结剂基本结构上失去

12、，发生 剧烈的分解反映；同时具有反应能力的原子团又产生合成、缩聚反应，生成 分子量较大分子。侧链脱落利于基本构造单位进行缩聚形成半焦和沥青焦。升温速度可以 高温加快900以上二维排列的碳原子网格进一步脱氢和收缩，变成沥青 焦。达到最高温度保温15-20h冷却阶段降温速度50C/h为宜，到800C以下可以任其自然冷却，400C以下可以出炉焙烧炉装料前要对炉体修补，装料前炉底铺锯末或马粪纸，然后铺不少于50mm厚的填充 料，两层产品之间，铺不小于30mm厚的填充料，产品上部铺不小于200mm厚的填充料， 装炉时空间温度（填充料温度）不高于60C，次焙烧一般为320h。浸渍：浸渍是一种减少产品孔度，

13、提高密度，增加抗压强度，降低成品电阻率，改变产品的 理化性能的工艺过程，主要对开口气孔有效。电极与电极焙烧料装入铁框称重后放入预热炉 内，经预热炉260-320C预热并保温4-6h后，连同铁框一起装入浸渍罐内（此罐预热320C）。 关闭罐盖抽真空，真空度大于-0.0097MPa,抽真空时间60-90min。抽真空完毕后向浸渍罐内 放入液体沥青，使用加压泵直接对液体沥青加压，采用1.4-1.6MPa的压力，在该压力下保 持3-4小时，此时浸渍罐的温度在320C左右。加压结束后，浸渍剂（液体沥青）返回沥青贮槽 内，将浸渍剂全部返回时，自然冷却5-6小时，当罐内温度低于100C时出罐，出罐后的浸 渍

14、品进入焙烧工序。 从上述工艺可以看出，本项目浸渍时需要使用的设备设施主要有浸渍罐、沥青贮槽、真空泵 和加热炉、热风机等，此外还有排烟机及排气筒等；本工段采用煤气作为加热炉的能源。 浸渍过程中，抽真空是为了排除水分；控制浸渍压力，控制加热箱、浸渍罐、搅拌罐的适当 温度，目的是为了降低浸渍剂的粘度。所有目的都是为了增加浸入增重；温度不能达到燃点 （一般430 C）否则制品会氧化报废。 二次焙烧：浸渍后的电极和电极接头出罐后需要进行二次焙烧，通常把二次焙烧和三次焙烧 统称为二次焙烧。二次焙烧温度控制为600-700C，与一次焙烧有所不同，具体见表4.1-2。表 4.1-2 一次焙烧与二次焙烧的差异性

15、差异项目一次焙烧二次焙烧焙烧对象生坯料（生制品）浸渍品填充料需要不用析出沥青不析出析出焙烧温度（C）1200-1250700焙烧曲线（h）320138本项目焙烧采用的是敞开式焙烧炉，炉室主要靠填充料密封，其炉室两侧火道为上下不封闭 的隔墙，砌砖立缝不打浆，焙烧过程逸出的挥发分通过该缝吸入火道燃烧。 二次焙烧预热、加温、冷却三个阶段共计 133h。本项目电极为 1 次浸渍、2 次焙烧，电极接头为2 次浸渍、3 次焙烧。 焙烧炉和浸渍热风炉燃料采用煤气，本项目配套建设了煤气站，采用煤气发生炉制备煤气， 主要用于建设营运初期，后期将采用邻近的$焦化公司的焦炉煤气，该公司目前焦炉煤气 放空，计划建设煤

16、气柜。如果接管，本厂自有煤气发生炉转为备用设施。 综上，本工段污染主要有焙烧、浸渍废气污染，该废气主要为沥青烟等；此外还有焙烧废品、 填充料、浸渍沥青渣等固废等。焙烧废气、浸渍废气污染主要来源于煤沥青进行固-液-固体转化、裂解和缩合等复杂的物理 化学反应，约有40%左右的挥发物俗称沥青烟或沥青焦油挥发物释放。沥青烟中含有粉 尘、沥青焦油物质、氟化氢和二氧化硫等。其中沥青焦油挥发物中含有10 种对动植物有危 害的多环芳香烃物（包括苯并a芘）。焙烧、浸渍工段消耗的能源为煤气，其用量类比技术提供单位南通江东炭素股份有限公司实 际用量，一次焙烧耗用煤气量为550m3/t,二次焙烧为180m3/t,浸渍

17、为160m3/t。（6）石墨化 石墨化是把焙烧制品置于石墨化炉内保护介质中加热到高温，使六角碳原子平面网络从二维 空间的无序重叠转变为三维空间的有序重叠，且具有石墨结构的高温热处理过程。 浸渍焙烧完成后的电极与电极接头坯料需要进行石墨化才能成为成品。本项目采用国际领先 的串接内热电阻加热石墨化炉（内串石墨化炉）进行坯料的石墨化，备料为人工备料。石墨化 后的电极与电极接头毛坯进入下一道机加工工段。本项目石墨化炉由12台组成一组，配套了2台变压器（3万KVA,最大电压180V）, 12台 石墨化炉组成了装炉、送电、冷却、卸炉、小修、清炉生产周期，石墨化炉按此顺序进行循 环生产（表4.1-4）。石墨

18、炉装炉顺序是：铺炉底-装入产品-填充两侧保温料-覆盖上盖保温料。石墨化炉的生产操作过程包括清炉、小修、装炉、通电、冷却及卸炉等操作。本项目石墨化 炉装炉做法是：先在炉底铺炉底料,以防漏电,同时也为减少热量损失,铺平并夯实；底料 铺好后，直接摆放电极，顶实覆盖保温料，保温料厚度最小不小于400m m,在顶部盖上不 小于700mm的上盖保温料。装炉结束后，盖上排烟罩，通电升温。本项目采用的内串石墨炉，不用电阻料，电流沿焙烧 电极的轴向通入电极，以电极本身作为发热体，装炉时把电极沿其轴线头对头的串联起来， 当累计电量达到计划用电量时停电，通电周期一般为 13h左右，冷却3-6天，技术参数见表 4.1

19、-5。石墨炉炉头电极采用循环水冷却的方式，冷却水采用淋水塔降温处理后回用；此外在石墨化 炉停电后，其炉顶需要淋水冷却，此部分水全部蒸发。表4.1-5 本项目石墨化工艺主要技术参数指标技术参数装炉量，t16-20送电时间，h12-15电流密度，Acm230-50操作电量，kwh/t28000-32000炉芯温度，C2500-3000千伏安年产量，t/kvaa0.54电耗，kwh/t2800-3300能量利用，%49石墨化过程中按温度特性大致可分为三个阶段。a、重复焙烧阶段室温至1300 r为重复焙烧阶段，经1300C焙烧的产品具有一定的热电性能和耐热冲击性能。 此阶段产品仅是预热，产品内没有多大

20、变化，可用较快的温升速度。b、严控温升阶段这阶段的温度范围为1300-1800C。在这个温度区间内，产品碳平面网格逐渐转化为石墨晶 格结构，同时低烃类及杂质不断向外散逸，易引起结构缺陷产生废品。c、自由温升阶段1800C至石墨化最高温度。此时产品的石墨晶体结构已经基本形成，温升 速度影响不大。但石墨化的完善程度，主要取决于最高温度，所以温度越高越好。 石墨化过程中涉及到冷却水有：炉头冷却水（净环水），炉身冷却水。石墨化过程固废主要为：保温料废料，石墨化废品。 石墨化过程废气主要为沥青烟、二氧化硫等。（7）机械加工 石墨化后的电极与电极接头毛坯必须经机加工，成为规定公差和光洁度的成品。电极采用数 控电极专用机床（2 组）加工，电极接头采用电极接头自动加工线（1 套）加工。本项目电极加工采用 2 组数控电极专用机床，每组有3 台机床组成；电极接头采用电极接 头自动加工线1 套，也是由3 台机场组成。机加工过程可实现非常高的自动化控制水平。 碳素制品在结构上属于非均质结构的脆性材料，在加工时的特点有：易切屑，切屑是小颗粒 和细粉；易产生粉尘。机加工工段固废有加工碎屑、机加工废品等；此外还有废气（主要是粉尘）污染和除尘器捕集 石墨尘。（8）出厂 机加工后的电极与电极接头已经是成品，进入成品库堆垛待售。 本工段主要污染为噪声污染，另有一定量的粉尘（石墨尘）污染。