廢陽極碳燃燒與污染物排放特性研究

摘要：以廢電解鋁陽極碳為樣本，采用熱重和紅外聯用等方法，對陽極碳的燃燒行為與污染物排放特性進行研究，探討其作為燃料使用的可行性。研究發現，陽極碳的著火溫度為550℃，燃盡溫度為927℃，綜合燃燒特性指數為2×10-11 %2·min-2·℃-3，其在燃燒過程中只有極少量SO2產生，沒有檢測到氮氧化合物和鹵族元素的產生；廢陽極碳中碳含量高達95%，揮發分和固定碳含量在40%以上，低位熱值33831kJ/kg，是一種良好的燃料。

關鍵詞：廢陽極碳；工業分析；熱重-紅外分析；燃燒特性

陽極碳是以石油焦、陽極顆粒和煤焦油瀝青混合物為原料，經石油焦的煅燒、中碎、篩分、細碎，以及瀝青的熔化、配料、混捏、成型，再經1100℃的高溫焙燒等工序加工制作而成，常用作預焙鋁電解槽的陽極材料，起著導電與還原的雙重作用[1]。但在鋁電解生產過程中，會有一定的廢陽極碳產生，不僅影響生產活動的正常運行，還對生態環境造成危害，隨著工業的迅速發展，鋁電解產生的廢陽極碳數量不斷增加，給環境保護帶來了很大壓力。為了減少廢陽極碳對環境的污染影響和實現工業資源的再利用，研究人員將廢陽極碳視為富含碳質的燃料，并利用相應的技術或工藝，對其進行高效合理的處置，提高其附加值[2]。如，陳喜平等[3]利用焙燒法使碳充分燃燒，發現陽極碳中的碳反應率最高達95.31%，殘留的燒渣為高純度電解質。本研究旨在探明廢陽極碳的燃燒與污染物排放特性，為其在工業生產中的資源再利用提供理論依據和數據支持。

1 實驗材料與方法

廢陽極碳材料來自某電解鋁廠，先使用小型粉碎機對其進行粉碎，篩選出100～140目之間的廢陽極碳，再對其進行干燥后作為實驗樣本。

研究采用元素分析、工業分析和熱重-紅外分析等方法，對廢陽極碳的元素組成、熱值、燃燒行為和燃燒過程中的污染物釋放特性進行分析，并在此基礎上對其作為燃料使用的可行性進行評價。

2 陽極碳常規特性分析

2.1 元素分析

陽極碳主要由C、N、O、S等元素組成，其中C的含量占比為95.410%，是陽極碳的主要成分，N、S的含量占比分別為0.550%和2.444%；陽極碳燃燒過程中可能會產生少量的氮氧化合物和SO2污染物，同時陽極碳中含有微量重金屬，可能會引發重金屬污染[4][5]。陽極碳元素含量如表1所示。

2.2 工業分析

陽極碳的水分和固定碳含量低，揮發分含量較高。對于燃料來說，揮發分含量高意味著燃料的著火溫度降低，更易在較低的溫度下釋放揮發分并釋放熱量，加快了燃燒過程，有助于后續固定炭的燃燒。但陽極碳的灰分含量高，不利于燃燒過程中揮發分與氧的充分接觸，使得燃盡階段滯后，燃盡溫度增高，且飛灰排放增加，因此需要設置除塵裝置。陽極碳工業分析和熱值測定如表2所示，可知陽極碳能夠作為一種高熱值的燃料使用。

2.3 熱重-紅外分析

采用TG-DTG法確定著火溫度Ti和燃盡溫度Tj。著火溫度對于反應點燃和穩定燃燒有重要意義，但不能反應燃燒的整個過程。因此，先用式（1）計算出樣本轉化率α，再用式（2）和式（3）計算出綜合燃燒特性指數S，以綜合反映樣本的著火和燃盡特性，S值越大，說明燃燒特性越好。

式中 α——樣本轉化率，無量綱；m0——樣本初始質量，mg；mt——樣本在t時刻的質量，mg；m∞——樣本在反應結束時的質量，mg。

式中 vp——最大失重速率，%/min；vm——平均失重速率，%/min；Ti——著火溫度，℃；Tj——燃盡溫度，℃；S——燃燒特性指數，%2·min-2·℃-3；β——升溫速率，℃/min；αi——樣本著火時轉化率，%；αj——樣本燃盡時轉化率，%。

3 陽極碳燃燒與污染物排放特性評價

3.1 陽極碳熱解失重評價

在氮氣氣氛下，將20mg陽極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG曲線如圖1所示，可以看出，陽極碳的熱解過程分為2個階段。

3.1.1 脫水階段

第1階段為脫水階段，樣本在這個階段的反應主要為發生物理變化并失去水分，質量損失率受含水率影響較大。由于陽極碳的含水率較低，因此其在這個階段的質量損失較小，TG-DTG曲線有明顯的峰值變化，當TG-DTG曲線基本不變時，代表這個階段反應結束。

3.1.2 主要熱解階段

第2階段為主要熱解階段，陽極碳在這個階段的TG曲線有明顯下降趨勢，表明其質量損失增大。氮氣氣氛下，當溫度低于800℃時，陽極碳的重量基本沒有變化；800℃時，陽極碳開始熱解并開始失重；最大失重發生在溫度930℃左右，此時DTG曲線有明顯的肩狀峰，最大失重速率為0.0123%/min。在第2階段，樣本于缺氧條件下受熱分解，各種揮發物隨著溫度的不斷升高而相應析出，產生大部分的質量損失。

熱解過程一般分為3個階段，第3階段即碳化階段的TG-DTG曲線變化幅度減小，質量變化較小，失重速率逐漸趨近于零，這個階段通常被認為是由C-C健和C-H健的進一步裂解造成的[6]，熱解對象反應十分緩慢，最終變成碳化物，無法進一步熱解。而陽極碳在1000℃時還在繼續反應，仍處于第2階段中。

3.2 陽極碳燃燒失重評價

在空氣氣氛下，將20mg陽極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG曲線如圖2a所示。可以看出，20mg陽極碳在空氣氣氛的燃燒TG曲線與氮氣氣氛的熱解TG曲線形狀及走勢基本相似。第1階段為預熱與干燥階段，樣本吸收燃燒過程中釋放的熱量并蒸發水分，由于著火時為非均相著火，揮發分和焦炭同時燃燒，因此僅在600℃時出現了1個明顯峰。第2階段為揮發分和固定炭燃燒階段，是陽極碳燃燒失重的主要階段，DTG曲線在這個階段的下降趨勢有明顯變化，并出現了明顯的峰值。另外，陽極碳在升溫初期出現了少量的表觀增重現象，原因主要在于其對氧的物理和化學吸附作用[7]。由于實驗至1000℃時，反應仍處在焦炭的燃燒階段，未達到燃盡階段，分析可能是樣本量較大的緣故，因此適當減少樣本量，再作進一步測試。

在空氣氣氛下，將8mg陽極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測得的TG-DTG曲線如圖2b所示。可以看出，燃燒反應分為3個階段，即預熱與干燥階段、揮發分和固定炭燃燒階段、燃盡階段。8mg陽極碳樣本在空氣氣氛的著火溫度為550℃，最大失重溫度點在660℃，這個結果與20mg樣本實驗測得的著火溫度和最大失重溫度相同。但在927℃時，8mg陽極碳樣本已燃盡，整個燃燒過程不斷產生灰分，樣本中的可燃物質已反應完全，TG曲線呈現出逐漸平穩的狀態。

由TG-DTG切線法確定陽極碳著火溫度為550℃，最大失重溫度為660℃，燃盡溫度為927℃；將此數據代入式（2）和式（3）可得綜合燃燒特性指數，如表3所示。

3.3 燃燒-紅外光譜評價

空氣氣氛下，在對陽極碳進行熱重實驗的同時進行紅外光譜檢測，主要檢測其產生的氣體成分，結果如圖3所示。可以看出，在600～4000cm-1波數段，陽極碳燃燒主要產生的是CO2和少量CO，在780～1100cm-1波數段，檢測到了極少的SO2；峰狀趨勢開始于溫度550℃左右，當660℃時達到峰值，此時燃燒最快，這個結果與上述熱重實驗結果相應；沒有檢測到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

4 結論

經特性分析可知，陽極碳主要由C、N、O、S等元素組成，其中C含量95.410%，為陽極碳的主要組成部分；陽極碳燃燒過程中可能會產生少量氮氧化合物和SO2污染物，且陽極碳中含有微量的重金屬，有可能引發重金屬污染；陽極碳中揮發分和固定碳含量在40%以上，低位熱值為33831kJ/kg，是一種良好的燃料，但較高的灰分含量會對燃燒產生不利影響。

經熱重分析可知，陽極碳的著火溫度為550℃，燃盡溫度為927℃，綜合燃燒特性指數為2×10-11 %2·min-2·℃-3。

經紅外光譜分析可知，陽極碳燃燒過程中釋放的產物主要為CO2，另有少量的CO和極少的SO2，沒有檢測到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

參考文獻

[1] RODRIGUES D，PICARD D ，DUCHESNE C，et al.Modal Analysis for Quality Control of Prebaked Carbon Anodes[J].JOM，2022，74（2）：697-705.

[2] 趙東方，楊玉卓.探析鋁電解生產中碳渣的危害性[J].科技創新導報，2013（10）：154.

[3]陳喜平，趙淋，羅鐘生.回收鋁電解炭渣中電解質的研究[J].輕金屬，2009（12）：21-25，37.

[4]曾柳.陽極碳塊灰分測定的探討[J].現代物業（上旬刊），2013，12（6）：46-47.

[5]王源瑞，孫帥楠，王亞平，等.ICP-AES法測定廢電解鋁陽極碳塊中鐵、鋰、鉀、鈣、鎂含量[J].甘肅冶金，2024，46（1）：87-90.

[6]鄒學權，王新紅，武建軍，等.用熱重-差熱-紅外光譜技術研究煤粉的燃燒特性[J].煤炭轉化，2003（1）：71-73.

[7]文鈞德.陽極炭渣燃燒機理及富集電解質初晶溫度研究（碩士論文）[D].蘭州：蘭州理工大學，2024.

作者簡介

孫偉（1982—），男，漢族，山東臨沂人，工程師，學士，研究方向為環境工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-08