炭素廢焦油綜合利用技術研究

張玉平

摘要：本文從國內和國外兩個方面敘述了廢焦油綜合利用技術研究現狀，通過炭素工藝流程分析，炭素廢焦油主要來源于成型及焙燒工序，廢棄碳粉來源于除塵粉、殘極外排物料和地面清掃物料。充分利用炭素廢焦油具有強粘性、廢棄碳粉具有高發熱值的特點，研發一種新型炭素制品生產工藝。利用陽極生產工藝技術，參照陽極生產工藝，從工藝流程、生產設備布置、生產工藝要求和產品應用四個方面提出了炭素廢焦油綜合利用技術設計思路，讓炭素廢焦油通過高溫稀釋與預焙陽極生產過程中收集的廢棄碳粉物料按一定比例混合，利用壓球機制作成一定規格尺寸碳球，碳球經過焙燒后用作燃料，也可破碎篩分后用作焙燒爐填充料。廢焦油綜合利用技術的研究，不僅降低了企業環保壓力，而且達到了炭素廢焦油綜合利用目的。

關鍵詞：廢焦油;綜合利用;碳球

1.炭素廢焦油綜合利用技術研究概述

1.1 炭素廢焦油綜合利用技術研究背景

預焙陽極生陽極生產過程中要添加14%-6%的煤瀝青作為粘合劑，在焙燒過程中，這些瀝青粘合劑分解成為含有焦油和少量二氧化硫有害成分的煙氣。這些煙氣一部分在焙燒爐火道中被燒掉，其余煙氣在通往電捕除塵器后被捕集，形成粘稠狀廢焦油。

由于廢焦油含有大量的多環芳香烴，采用傳統焚燒法很難完全燃燒，還會產生有害氣體。而通過對某企業炭素實地調查，了解到該企業對于收集廢焦油的處理手段有限，只是簡單的統一集中存放，大量臨時存放廢焦油，不僅帶來了環保風險，還影響現場環境。同時處置廢焦油的難度大，增加企業成本。因此研究一種高效、低投入炭素廢焦油綜合利用技術迫在眉睫。

1.2 炭素廢焦油綜合利用技術研究現狀

1.2.1國外炭素廢焦油綜合利用技術研究現狀

經資料查閱，國外對于炭素廢焦油處理研究開始較早，已經建立了比較為完善的處理體系，嚴格按照“3C”原則進行處理（即避免、循環、控制），同時根據管理的需求制訂了相關的處理標準、法律手段、行政手段和技術措施，對廢焦油的生產、運輸和處置過程嚴格管控。將處置管理列入公共政策，通過借助道德、經濟、法律甚至政治手段加強“危廢”的管理。

1.2.2 國內現狀

與國外相比，國內對廢焦油的處理研究起步比較晚，雖然通過借鑒先進經驗，在實驗室取得了許多先進性研究成果，但還沒有處理炭素廢焦油的有效方式。目前常用的處理方式是在廢焦油內加入適量的調配劑，生產乳化燃料的處理方式。其中調配劑可以有效調配廢焦油的流動性和分散性，降低其軟化點，使廢焦油燃燒更充分[2] 。但生產乳化燃料過程中添加的調配劑價格昂貴，再次利用費用太高，成本負擔過大，對企業成本壓力過高。

因此，研究一種高效、低投入的廢焦油綜合利用技術，不僅可以減小環保壓力，還可以實現資源的循環利用，變廢為寶，創造可觀的經濟價值。

2.廢焦油綜合利用技術研究方案規劃

某企業炭素充分利用成熟的預焙陽極生產技術，對流程進行了剖析分解，以設計出適合企業現狀的廢焦油綜合利用技術方案。

廢焦油在常溫常壓下呈黑色粘稠液狀，具有特殊臭味，主要成分是多環芳香族化合物，具有熱穩定性好，不易處理的特性[1] 。據了解，對于廢焦油某企業只能統一貯存。整個過程不僅不能對企業帶來效益，還需要企業浪費人力物力進行轉運、建立特殊的儲藏室，這使得工人的勞動強度和安全風險增加。但是廢焦油源自瀝青，也是具有強粘性的特點，可以充當粘合劑。

在預焙陽極生產過程中產生大量的廢料、收塵粉等廢棄碳粉物料，其中只有20%被再次利用制作成陽極鋼爪保護環，還有80%的廢棄碳粉物料有待處理。由于這些廢棄碳粉物料源自預焙陽極生產物料—煅后石油焦，保留了煅后石油焦結構穩定、高發熱值的特性，因此還可以加以利用。

完全可以利用廢焦油、廢棄碳粉物料這兩種原料按照預焙陽極生產流程，生產出另一種炭素新產品，這款產品具有高發熱值的特性。

通過市場調研，冶煉爐窯在生產過程中使用塊狀燃料，必須具備高發熱值的特性，而廢焦油綜合利用技術所研究的這種炭素新產品就具備高發熱值的特性，因此確定出了此次研究新產品的外觀形式—碳球，其形狀接近于冶煉燃料煤球。

2.1炭素廢焦油的來源

預焙陽極生產過程中主要在成型、焙燒兩個生產工序產生廢焦油。

2.1.1成型工序廢焦油

預焙陽極生陽極生產過程中要添加一定量的煤瀝青作為粘合劑。在制備過程中，粘合劑需要在高溫下熔化，在熔化過程中會產生大量焦油，并被電捕除塵器捕集。通過對某企業炭素成型工序2018年每月廢焦油的產生量的統計分析，該炭素成型工序每年可產生廢焦油64.9噸。

2.1.2焙燒工序廢焦油

陽極在焙燒過程中，瀝青粘合劑在溫度升高時軟化和焦化，在此期間分解成為含有瀝青焦油和少量二氧化硫有害成分的煙氣。其中一部分在焙燒爐火道中被燒掉，其余煙氣在通往電捕除塵器后被捕集，形成粘稠的廢焦油。

焙燒過程，根據溫度可分為揮發分排出、焦化、高溫燒結三個階段，見表2.1。

通過對某企業炭素2018年每月廢焦油產生量進行統計分析，該炭素焙燒工序每年可產生廢焦油88噸，具體統計見表2.2。

按照統計2018年某企業炭素收集廢焦油量為152.9噸，可以用來制作碳球。

2.2 廢棄碳粉物料的來源

按照預焙陽極生產流程，在整個生產過程中，能收集到的廢棄碳粉主要有以下幾部分：

2.2.1除塵粉

據了解，某企業炭素預焙陽極生產過程中除塵器收集的除塵粉為了生產高品質綠色陽極，要外排，每年外排的收塵粉多達846.3噸，

2.2.2 殘極外排物料

某企業炭素為進一步降低陽極灰分和Fe含量對生產工藝流程進行了改進，將部分殘極外排，按照統計，2018年該企業炭素外排的殘極物料3439噸。

2.2.3地面清掃物料

生產線廢料收集是企業創建節約型企業的基礎做法之一，2018年經統計某企業炭素地面清掃物料收集量達到242噸。

按照統計，2018年某企業炭素收集廢棄碳粉物料共計4527.3噸，除去炭素要將收集廢棄碳粉物料中的20%用于制作陽極鋼爪保護環，即炭素還有3621.8噸廢棄碳粉物料用于制作碳球。

3.廢焦油綜合利用技術研究工藝流程設計

3.1 工藝流程設計

為了綜合利用炭素廢焦油，除塵粉等廢棄碳粉物料，某企業炭素結合陽極生產模式，初步設計了以下工藝流程，如圖3.1所示。

碳球生產工藝流程如上圖所示，根據廢棄碳粉物料粒度，判斷是否需要破碎，將破碎后的廢棄碳粉物料通過皮帶運輸機送至原料槽，再經皮帶運輸機送至攪拌機。

將廢焦油桶放在脫桶機內，使用熱媒油加熱廢焦油，增加廢焦油流動性，通過泵打入攪拌機中。

進入攪拌機的廢棄碳粉物料和廢焦油徹底攪拌混合，然后將混合后的物料通過刮板輸送機輸送到成型機中，擠壓成球形，最后碳球通過帶式輸送機輸送出到堆放地。

3.2 生產設備布置設計

為了降低生產投入成本，該企業充分利用現有空閑場地，生產線選擇在焙燒場地，生產出的碳球可以就近裝入焙燒爐進行焙燒。所有設備自行安裝調試，同時利用焙燒爐改造剩余除塵管線，將廢焦油綜合利用生產線的除塵并入焙燒煙氣凈化系統。現場生產設備布置圖如3.2所示。

3.3 生產工藝要求

通過大量試驗，最終確定碳球生產配方：廢焦油、廢棄碳粉物料的百分占比為14%：86%，按照生產需要，碳球生產各關鍵步驟關鍵操作都相應確定出了工藝要求，如表3.1所示。

3.4產品及應用

生產出的碳球如圖3.3所示，經過焙燒爐燒制，碳球的熱值高達5000-5100kcal/Kg，是很好的高熱值燃料，碳球燃燒效果圖見3.4所示。

4.廢焦油綜合利用技術應用效果分析

4.1廢焦油綜合利用技術應用

從廢焦油、廢棄碳粉物料處理量來看，按照現有廢焦油、廢棄碳粉物料百分占比為14：86來計算，按照該企業炭素炭球生產線年產量6000噸的設計產能，碳球生產線全負荷運行計算，廢焦油年消耗量：3300×14%=462t，廢棄焦油每月消耗量為38.5t，2018年存儲的152.9噸廢焦油僅4個月就可以全部消耗完畢;廢棄碳粉物料年消耗量：3300×86%=2838t，還有783.84t廢棄碳粉物料剩余。為了將剩余的廢棄碳粉物料完全消耗，再次對預焙陽極生產線進行了分析，尋找欠缺部分粘合劑。

通過梳理，瀝青熔化系統不定期會進行排渣，所排瀝青渣內含有大量瀝青，按照以往，瀝青渣也是存儲到一定量后按照廢料進行低價處理，現在可以用來制作碳球，消耗剩余廢棄碳粉物料。對庫內瀝青渣存儲量進行了統計，2018年入庫瀝青渣150.7噸，完全可以用作碳球生產。

按照瀝青渣內含渣多的特點，對工藝線進行了簡單的改進，瀝青渣在通過熔化后按量直接加入攪拌機中。同時按照生產實際對工藝配方及溫度進行小范圍調整。

通過使用瀝青渣，現場廢棄碳粉物料可以全部生產成碳球，同時，有效減少了瀝青渣庫存，降低環保風險。

4.2廢焦油綜合利用技術經濟指標分析

根據現今市場價格，碳磚球價格約為1030元/噸，企業年產量為3300噸，可為企業帶來近340萬的年收入。即使沒有碳球外部市場，生產的碳球可用于企業的冬季取暖，降低供暖成本，有效降低企業的生產成本。

5.廢焦油綜合利用技術衍生

焙燒時填充料用于覆蓋生坯、填充間隙以防止生坯氧化、變形，傳導熱量，也是揮發分的排出通道，所以填充料在焙燒過程中焙燒爐填充料中小于1mm的粉料過多，會增大填充料的熱阻，影響揮發分的溢出[3] ，因此要控制焙燒爐填充料中的粉料量。碳球經過焙燒后性能類似于陽極碳塊，其性能化驗指標如表5.1所示。

如上表所示，經過焙燒的碳球較陽極灰分、體積密度、耐壓強度均偏高，按照其性質，完全可以將焙燒后的碳球破碎后用以替代填充料。

在碳球生產線增加了破碎篩分設備，碳球經過破碎、篩分，將其粒度控制在2-3mm，篩分后與在線填充料進行充分混合，混合物料使用后，焙燒爐溫度工藝控制平穩，未受任何影響。

碳球破碎篩分后用作填充料，可以彌補焙燒填充料燒損，每年可節約費用10多萬元。

按照市場需求，還可以改變碳球的形狀尺寸，例如，為了讓碳球易于破碎，可將其混合后的物料排入制作好的模具中，人工搗實，生產出一定尺寸的方磚，方磚經過焙燒后要比碳球容易破碎，可以有效提高破碎設備破碎效率，降低職工勞動強度。為了讓生產出的碳球在焙燒爐中易于裝出爐及填充料覆蓋控制，將碳球形狀改為與陽極尺寸一樣的大碳磚。等等的想法有待實施，有待研究。

6.結束語

隨著對環保工作的越來越重視，對廢物利用技術的研究越來越多，炭素廢焦油綜合利用技術充分利用炭素生產工藝過程中產生的廢焦油、廢棄碳粉物料生產處新產品，旨在降低企業環保壓力，實現企業綠色發展戰略目標。

參考文獻：

[1] 謝晟元.炭素陽極焙燒廢焦油處理方法探討[J].電力設備.2018年.第14期.

[2] 左小磊.陳曉青等.廢焦油瀝青的回收利用研究[J].環境工程.2004年12月第22卷第6期.

[3] 彭勇.陽極焙燒爐填充料燒損問題的探討[J].輕金屬.2016年4月.

（作者單位：中國鋁業青海分公司）