高温电煅炉石墨化低灰无烟煤技术的应用

卢良油

(贵阳铝镁设计研究院，贵州 贵阳550081)

高温电煅炉石墨化低灰无烟煤技术的应用

卢良油

(贵阳铝镁设计研究院，贵州 贵阳550081)

针对高温电煅炉石墨化低灰无烟煤技术的应用，阐述了石墨化低灰无烟煤的使用范围及直流高温电锻炉的特点。

无烟煤;高温电煅炉;石墨化

0 引 言

低灰无烟煤具有固定碳含量高、灰分含量低、硫含量少、高化学活性、导电性好、热稳定性高、机械强度高、发热量高等的特点，可作为石墨制品的优质原料，经过石墨化后的低灰无烟煤可用于生产石墨质阴极，还可用作生产高档球墨铸铁的增碳剂，也可用于其它的炭素制品生产中。

高温电煅炉是一种结构比较简单的立式电阻炉，利用待加热原料本身的电阻发热提升温度，它的操作也比较简单。根据供电方式的不同，电煅炉可分为交流电煅炉和直流电煅炉，直流电煅炉是在上世纪末，由贵阳铝镁设计研究院在交流电煅炉的基础上设计的，其产能比交流电煅炉提高10%左右，电耗降低20%，因此，目前国内主要采用直流电煅炉。高温电煅炉的内衬采用炭质材料能够耐受2 300～2 500℃的高温，在内衬与外部钢筒之间是多层的保温材料，使加热过程中往外散发的热量小。

1 石墨化目的

通过石墨化处理，通常可达到以下几个方面的目的和作用:

(1)提高材料的热、电传导性;

(2)提高材料的热稳定性和化学稳定性;

(3)提高材料的润滑性、抗磨性;

(4)排除杂质，提高纯度;

(5)提高材料的真密度等。

2 石墨化机理

碳元素基态电子层结构为1s22s22p2。根据原子结构理论，碳原子的外层电子可通过sp3·sp2·sp 3种杂化方式形成δ键和π键。当碳原子外层电子以sp3杂化时，就构成了具有立体结构的金刚石;当以sp2杂化时，就构成了平面结构的石墨。

石墨是无定形碳经高温热处理，通过“微晶”增长而转化成为结晶状态的碳。1 600℃以前，无定形碳结构变化并不明显，但在1 600～2 100℃温度范围内，微晶变化明显加快。此时微晶边缘上的侧键开始断裂或气化，进入碳原子的平面网格，进而微晶结构发生变动，即一些大平面定向的微晶在高温下逐渐结合成更大的平面体，同时有序排列的厚度也在不断增加。这一过程可持续到2 700℃，即当微晶从二维空间的无序排列基本上转化为三维空间的有序排列，最终形成石墨晶体。

石墨化是高温下固相中的变化，以热能引起的运动为基础使碳元素微晶结构从无序状态(无定形炭)向有序状态(石墨晶体结构)过渡，也是晶体成长和增大晶体内层面有序叠合为主的物理性质的结构变化。热处理温度越高晶体的层面间距逐渐减小，越接近理想石墨晶体层面间距(0.3354 nm)。温度是影响石墨制品物理化学性质的主要约束条件，石墨化温度高的结果是电阻率低、热膨胀系数小、抗氧化性能提高，同时改善了导热性能和抗热震性能，但对产品机械强度有一定负面影响。不同的原料在同一石墨化温度下得到的结果有所区别。

无烟煤在高温电煅炉中经过约2 300～2 500℃左右的高温煅烧后，除了使其排出水分、挥发分外，在超过1 700℃以上的高温阶段可排出大部分的硫、氮及部分金属杂质，并使煤的晶体结构向石墨化方向转变，使电阻率降低，真密度提高。据某些高等学校、研究所及企业等对太西超低灰无烟煤所作的实验室试验，得出太西超低灰无烟煤的粉末电阻率、灰分、石墨化度等性能与煅烧温度关系，见表1。

表1 低灰无烟煤的性能与煅烧温度关系Tab.1 Relationship between Low ash Anthracite Properties and Calcining Temperature

从表1可见，低灰无烟煤的粉未电阻率、灰分及石墨化度受煅烧温度的影响非常大，成线性变化，表1的试验数据也验证了以上石墨化机理的科学性。

3 石墨化过程中电热能量转换机理

可以把石墨化炉简单地视作为一种电阻炉。当在炉端电极施以一定的电压，电流从炉内导电物料中流过。在电流通过炉内导电物料时，由于这些导电物料本身具有的一定的电阻而实现电一热转换，即导电物料产生热Q，根据焦耳定律，可计算出它们的发热量:

式中:I——通过炉内的电流;

R——炉内导体的电阻;

t——通电时间;

Q——炉内导体在一定电流、时间内产生的

热量。

在石墨化过程中，炉子的电流、电阻都是时间的函数，随时间而变化。因此，在0～t时间内，炉内导体产生的热量可采用下式计算:

另外:

式中:C——导体比热系数;

M——导体质量;

T——温差(T=Ti－T0，T0为导体在入炉时

温度，Ti为通电后温度);

Q——导体吸收的热量。

由公式(3)关系式可知，当导体产生热量后它们就产生温升，并且随通电量增大、时间的延续其发热不断增大，温度不断上升。

4 直流高温电煅炉

直流高温电煅炉是一种结构比较简单的立式电阻炉，直流高温电煅炉结构见图1，它由给料系统、电煅炉本体、供电电极、排料系统等组成。

(1)给料系统:由2个料仓，下料阀门及排烟烟道等组成。下料阀为电液推杆驱动，方便自动控制。排烟烟道为高温处理无烟煤进挥发份排出通道，排出的挥发份可直接燃烧排放或进入后续的余热利用设备，以达到节能降耗的目的。

图1 高温电煅炉结构图Fig.1 Structure of High Temperature Power Calciner

(2)电煅炉本体:由炉体及内衬组成。由于炉内煅烧的温比较高，炉内衬要求耐高温、耐磨、抗侵蚀等性能。

(3)通电电极:电煅炉所需的电通过变压及整流后输送至电煅炉通电电极。通电电极为上下布置，电流通过上部、下部电极及电极间物料，利用待加热原料本身的电阻发热提升温度，以达到煅烧的目的。通常上部电极在生产中会不断消耗，故需定期进行放电极操作。

(4)排料系统:由炉底圆盘、刮料机构和料槽组成。其功能是通过刮料机构将已煅烧并冷却的煅后无烟煤有序的排出。通过调整刮料机构中的调频电机的供电频率，控制电煅炉的排料量。

5 高温电煅炉石墨化低灰无烟煤的生产过程

位于高温电煅炉顶部料仓中的无烟煤通过电动下料阀门定时往高温电煅炉料室内加料，进入煅烧炉料室的无烟煤通过自重从上往下顺次通过预热区、煅烧区、冷却区，最后通过位于下部的圆盘式排料机排出到下部的冷却及输送设备上。无烟煤在预热区内主要通过热传导，使其所含的水分蒸发，部分挥发份也在这一阶段溢出。在煅烧区，通过上、下部电极与无烟煤本身组成矿热炉体系，利用无烟煤本身的电阻发热，使无烟煤在煅烧区达到最高2 300～2 500℃左右的高温，具备无烟煤高温热融解降灰基本条件。根据元素分析，低灰无烟煤主要灰分成分为SiO2，Al2O3，Fe2O3以及 CaO，此4种金属氧化物的熔点分别为:1 670℃、2 050℃、1 565℃、2 614℃。无烟煤在升温到1 700℃以上时，开始排出其中的硫及部分金属杂质，进一步的升温到达2 300～2 500℃时，上述4种金属氧化物在电煅炉的还原气氛下逐步被碳还原，被还原的金属与未被完全还原的金属氧化物部分成液态、部分成气态分别从排烟烟道中排出，使排出的无烟煤的灰分含量降低，煤的晶体结构逐步向石墨化方向转变，同时使电阻率降低，真密度提高，煤中的金属杂质进一步脱出，并以蒸汽的形式从炉内排出。在冷却区，煅烧好的高温煤在炉体内部通过炉子的水冷壁冷却。煅后无烟煤通过炉子下部的圆盘式排料机排出后使用冷渣机进一步冷却，冷却好的煅后煤用斗式提升机提升到煅后料仓储存。电煅烧炉产生的高温烟气先送余热利用系统生产蒸汽后再供给原料干燥机作为热源再次使用。

6 应用高温电煅炉石墨化低灰无烟煤的优点

经过石墨化后的低灰无烟煤可用于生产石墨质阴极，还可用作生产高档球墨铸铁的增碳剂，也可用于其它的炭素制品生产中，要求石墨化无烟煤应达到如下指标:

① 粉末电阻率400±50(μΩ·m)

② 真密度 ＞1.85(g/cm3)

③石墨化度50%～80%

要达到上述指标，需要使原料无烟煤加热到2 300～2 500℃以上的高温，使其晶体结构发生变化并逐步向理想石墨晶体的结构转化才能实现。而采用传统的化石燃料不能超过1 500℃的温度，只有通过电加热的矿热炉或电弧形式才能实现此高温。目前在炭素行业对炭质材料实现此高温一般采用矿热形式的卧式间断式石墨化炉形式，根据加热是内热还是外热方式，卧式石墨化炉又可分为艾奇逊的外热式或内热串接形式。外加热的艾奇逊炉通过将用作主发热的电阻料包围需要加热的制品，周围再覆盖维持炉内高温的保温料，炉子通电后，利用需加热物料周围电阻料的焦耳热，将待加热制品加热到所需温度，加热完成后，加热好的物料需要通过自然与加水强制冷却再出炉;而内热式炉则利用待加热制品本身的电阻发热，待加热制品周边覆盖保温料，制品加热完成后同样只能通过自然与加水的强制冷却完成。此二种方式由于与被加热制品接触的保温料同样要求耐高温，只有炭质材料才具有此性能，因此卧式石墨化炉通常用来加热成件的物品，如石墨电极毛坯、阴极炭块等，以方便保温料、被加热件、电阻料等的分离，同时由于炉子为间断操作方式，加热过程中加热的保温料会带走大量的热，因此加热到2 500℃左右的炭质材料的电耗通常达到3 500 kWh/t以上，热效率较低。

无烟煤为散状物料，若采用卧式石墨化炉方式，加热处理好的无烟煤与保温料不能有效地分离。而采用高温电煅炉形式，炉子的内衬采用炭质材料能够耐受2 300～2 500℃的高温，而在内衬与外部钢筒之间是多层的保温材料，使加热过程中往外散发的热量小。由于炉子在启动完成后即连续生产，启动完成后炉体的各部材料都达到一个稳定的温度，只需要启动时的一次性蓄热，不同于间断式的卧式石墨化炉，每次通电都需要重新加热保温料及炉体耐火材料。另外，由于电煅炉为连续式炉，在炉内形成了预热带、煅烧带及冷却带，使达到高温的物料可以将热量传递到预热带，炉子的热效率大幅提高，使单位产品的电耗只有约1 200 kWh，仅为卧式石墨化炉的1/3。

7 直流高温电煅炉的缺点

(1)直流高温电煅炉采用变压器、整流器的直流供电方式，每台电煅炉配变压器、整流柜、控制柜各1台，以及辅助配套设备如冷却系统、直流测量、直流开关等。供电变压器比较昂贵。

(2)直流高温电煅炉在生产过程中的主要特点是电压级别、极距是一定的，在二次电流测定范围内调节煅后料的排料量，电流值超过规定的上限，排料量就增加，反之电流＜规定的下限，排料量就减少，由此得到一定质量的煅后料。排出的煅后料，需在规定时间内进行分析检测，检查煅烧条件的可靠性。由于高温电煅炉煅烧的温度比较高，测量比较困难，所以通常采用吨产品的输送电量及产品的石墨化度进行换算确定电煅炉内的煅烧温度。

(3)由于直流高温电煅炉炉膛内电阻的不均匀，而使电流分布不均匀，炉膛内存在温度梯度，炉中央温度比炉边的温度高约100～200℃，从而使煅烧物料的质量不均匀，但可以控制在一定的范围内波动。为了控制产品质量的均匀性，高温电煅炉炉膛不能设计得太大，因此高温电煅炉的产能不是很高，适合用于规模不太大的炭素制品厂。

8 结 语

(1)高温电煅炉是一种结构比较简单的立式电阻炉，利用待加热原料本身的电阻发热提升温度，它的操作也比较简单，可应用于石墨化低灰无烟煤散状物料。

(2)直流高温电煅炉石墨化散状物比卧式石墨化节能。

(3)由于高温电煅炉煅烧的温度比较高，测量比较困难，所以通常采用吨产品的输送电量及产品的石墨化度进行换算确定电煅炉内的煅烧温度;另外，为了控制产品质量的均匀性，受限于高温电煅炉的截面尺寸，高温电煅炉的产能不是很高。

[1]谢有赞.炭石墨材料工艺[M].长沙:湖南大学出版社，1988.

[2]钱湛芬.炭素工艺学[M].北京:冶金工业出版社，2008.

Application of Graphitizing Low Ash Anthracite Technology for High Temperature Power Calciner

LU Liang－you
(Guiyang Aluminium－Magnesinium Design＆ Research Institute，Guiyang 550081，China)

Aimed at application of graphitizing low ash anthracite technology for high temperature power calciner，application range of graphitizing low ash anthracite and features of high temperature direct current power calciner were expounded.

anthracite;high temperature power calciner;graphitizing

TF806.4

A

1004－2660(2012)01－0023－04

2011－12－08.

卢良油(1976－)，男，广西人，工程师.主要研究方向:炭素行业设计.