預焙陽極生產工藝的現狀及發展研究

任行強

（赤壁長城炭素制品有限公司，湖北赤壁 437300）

0.引言

鋁用碳素陽極行業發展不平衡，陽極產能過剩。隨著國家供給側結構改革和“三去一降一補”政策的實施，碳陽極產能將在一個階段處于過剩的狀態。這就要求碳素企業牢牢把握高質量綠色發展，堅持質量第一、效益優先。

1.預焙陽極生產現狀和問題

1.1 生產工藝流程

預焙陽極生產是以少灰碳素材料石油焦和煤瀝青為原料，生產鋁電解槽使用的預焙陽極。主要工序有原料、煅燒、配料、混捏、成型和焙燒，原理見圖1。

圖1 原理圖

1.2 原料工序

原料石油焦和煤瀝青（固體、液體）進廠后，分別貯存在原料儲槽（罐）和瀝青儲槽（罐）內。不同產地的石油焦按照規定的原料配比計量稱重，通過精準配料系統混合配料、破碎機破碎后進入煅燒配料倉，后經過自動加料系統進入罐式煅燒爐內進行高溫煅燒。石油焦的S和微量元素要求根據下游電解鋁企業的要求不同而選擇不同的焦源，灰分控制在0.5%以內，揮發分控制在10%左右。煤瀝青大部分企業選擇高溫改質煤瀝青，灰份要低于0.3%，水份要低于5%，并且水份和灰份要盡量降低；結焦值要在50%及以上，揮發分≤57%、甲苯不溶物28%～34%、軟化點：105℃～115℃、Na≤200ppm。

1.3 煅燒工序

現階段，我國企業絕大部分采用罐式煅燒爐來進行煅燒，煅燒爐的罐數也越來越大，已經有120罐的單臺煅燒爐在使用。煅燒爐煙氣余熱回收利用是節能減排和增加效益的重要手段。煅后焦的質量要求一般為：真密度不小于2.06g/cm3，粉末電阻率不大于500μΩ·m，水份不大于0.1%，揮發份不大于0.7%，灰分不大于0.4%，硫份和微量元素指標控制以電解鋁要求指標為準。

1.4 配料工序

在配料工序中，主要涉及到兩方面內容，分別為瀝青比和粒度比。首先，在進行預焙陽極生產時，我國的大多數企業都會優先考慮應用大顆粒配方，在其中煤瀝青的用量在總比的15%～17%之間[1]。其次，對于粒度比來說，通過對于不同的預焙陽極的生產企業的考察，我們發現他們所使用的干料在料級和最大顆粒上，都并不完全一樣。出現這種情況的原因是由于所使用的石油焦的產地和工藝路線不同，破碎篩分以后，粒徑分布的差異性也是出現這種現象的重要原因。所以，各個生產企業在具體的預焙陽極的生產過程中，都在通過不斷的實踐探索，進而確定一個科學、合理的粒度比[2]。

1.5 混捏工序

混捏的工藝技術條件主要是溫度和時間，在進行生陽極的生產時，要能夠合理地把控混捏的溫度以及時間。一般來說，混捏過程的最佳溫度視粘結劑的軟化點而定。一般來說，混捏最終溫度應該選定比粘結劑軟化點高出50℃～80℃，在此溫度下，瀝青具有較好的浸潤作用，因為溫度高、瀝青粘度小、流動性好、浸潤效果好，同時滲透到顆粒空隙中去[3]；溫度不夠，瀝青粘度大，混捏時攪刀轉動負荷大，較難使鍋內粉料和瀝青混捏攪拌均勻，糊料密實度差，糊料的塑性也差，用這樣的糊料壓制出來的生坯，體積密度小，焙燒后氣孔率大，因此在較低溫度下混捏是不允許的，如果溫度過高，瀝青受熱開始變化，部分輕質組分逐漸分解揮發，并加強了瀝青中炭氫化合物的氧化作用，使糊料塑性變差，影響成型的成品率。對于混捏時間而言，干混要控制在20min～30min之內，而在加入煤瀝青進行濕混時，時間為30min。需要注意的是，要合理的把控混捏的時間，不能夠過長或者過短，都會對預焙陽極的質量造成不利的影響。

1.6 成型工序

在國內進行預焙陽極生產時，較多應用振動成型的方法，但是這種傳統的振動成型方法在使用的過程中，具有一定的缺陷問題。首先，振動成型機的機身較大，而且比較笨重，每臺機器在制造的過程中需要耗費較多的鋼材。其次，在振動成型機中，具有較多的傳動性和附屬部件，因此就使得在使用過程中事故頻發，在維修的過程中，也具有較大的工作量，所需的運行費用高昂。最后，振動成型機具有大量的動力消耗，所需的能耗高。

1.7 焙燒工序

現階段，在預焙陽極的生產過程中，主要是通過傳統的環式焙燒爐，開展焙燒工作。但是這種傳統的焙燒爐在實際應用的過程中，具有一定的不足和缺陷。首先，在傳統的環式焙燒的過程中，會消耗大量的煤氣，因此需要較多的燃料投入。其次，對于對外排放的煙氣中，具有較高的瀝青煙氣的含量，因此會造成較為嚴重的環境污染。而且這種環式焙燒爐能耗大，電機功率較高。再次，在同一個焙燒室內，具有明顯的上下溫差，而且其中的制品的質量，呈現出不均勻的問題。最后，對于焙燒室的墻體來說，頻繁出現損壞的問題，具有較大的維修量。

2.預焙陽極的發展方向

2.1 產業布局

鋁用碳素陽極分布現狀不合理, 從企業分布來看，商品陽極產能主要集中在華東地區的山東約769萬噸、華中地區的河南約326萬噸，西北地區的新疆22萬噸、甘肅10萬噸和青海35萬噸。山東省商用預焙陽極的產能占全國產能的約40%是中國預焙陽極的產量高地和價格洼地。

隨著電解鋁布局的調整，產能指標主要轉移到廣西、云南、內蒙和貴州等地。陽極商業模式也發生了變化，由原來的配套為主，變為1998—2008年這10年的商品為主，現在又變為相對配套為主，商品為輔。

碳素產業分布將發生根本變化，市場變化不可測因素增多，處于“2+26+3”城市，尤其是河南的碳素產業淘汰將加劇。環保等投入勢必加大，原料、生產和運行成本相對于疲軟的陽極價格也將抬升。這也就意味著具備全產業鏈優勢的企業受益最深。“2+26+3”城市的環保一年嚴于一年，落后產能淘汰將加快，產能轉移將加快。

2.2 生產工藝

碳陽極生產是把散狀原料加工成塊狀成品，所以在環保不完善的時代，碳陽極生產給人印象是三高：高污染，原料和生產過程中無組織，生產過程中產生焦油等危廢；高能耗，生產過程需要耗大量的電和天然氣；高風險，生產過程高溫、高熱，特種設備多，鍋爐、天然氣、熱煤油和瀝青庫都是易發事故的重點風險源。但經過這么多年的發展，碳陽極企業發展更新很快，不但破除了老“三高”，而且已經發展成為新的三高：高集成，不但生產陽極，而且處理水、凈化水、賣蒸汽、發電和供熱等；高智能，生產管理都大數據化，操作和控制集中，新建工廠勞動生產率都在2000噸/人年；高規模，無論是生產線還是煅燒爐、焙燒爐、混捏鍋這樣的單體設備產能都越來越大，單生產線30萬噸/年起步，新廠建設遵循了最先進的碳素生產工藝以及實踐著綠色發展理念和高度集成流程控制，在建設成本2000元/噸以下，勞動生產率2000噸/人年以上條件下，實現了像先進電廠那樣的集中控制和環保指標。原料儲存已經由槽向罐轉變，采用翻車結構卸料，采用精準配料系統配料、混料，大幅降低了原料的無組織排放和污染問題，提高了配料的經濟性和精準性。煅燒爐單體最大產能達到原來的三倍以上，余熱利用能夠滿足80%～90%的自用電，煙氣凈化系統和焙燒共用，產生的煅后焦不進中間倉直接進破碎系統，減少了中間過程，降低流程能耗。成型系統實現了6000L的混捏鍋和一鍵配料，振動成型運行效率提高一倍，環境噪音降低30%以上，實現自動監測質量和質量全流程跟蹤。焙燒爐最大單體產能突破35萬噸，天然氣單耗最低降到45標方以下，實現了機器人全程實施的外觀清理和天車堆垛。能耗大幅降低，基本上低于190kg/t，碳排放量僅為0.4307t，實現了節能明顯、超低超凈排放目標。

3.總結

國家政策和市場競爭要求鋁用碳素企業綠色、環保、節能、安全、優質、低耗、高效、智能發展；要求鋁用碳素企業設備大型化、工廠智能化、配置集約化、單線產能最大化；要求鋁用碳素企業向資源、綠色能源豐富地區、成本洼地轉移；要求鋁用碳素企業與電解鋁企業戰略合作常態化，商品配套定制化，資源配置共享化，形成上下游循環經濟產業鏈，實現利益最大化。