第二讲石油焦煅烧工艺及设备

第二讲石油焦煅烧工艺及设备主讲人：刘桂琴辽宁省机械研究院Page2石油焦煅烧工艺及设备2.1原料预碎2.2煅烧工艺（包括：原料煅烧的目的及指标控制、煅烧工艺的主体参数、煅烧过程原料的物化性质变化）2.3煅烧设备分类2.4罐式煅烧炉煅烧方法2.5回转窑煅烧方法2.6电热煅烧炉煅烧方法本章主要内容Page3原料预碎碳质原料块度过大，不仅在煅烧工序保证不了煅后料质量的均一性，而且受到煅烧设备的限制，使加料和排料造成困难，还会影响中碎设备的效率。因此碳质原料在煅烧前要预先破碎到50～70mm左右的中等块度，以确保大小块料均能得到均匀的深度煅烧。注意：原料破碎也不能过细，否则会造成粉料过多和增加煅烧烧损量。碳质原料在隔绝空气的条件下进行高温（1200～1500℃）热处理的过程称为煅烧。煅烧是炭素生产的第一道热处理工序，煅烧使各种碳质原料的结构和物理化学性质发生一系列变化。无烟煤和石油焦都含有一定数量的挥发份，需要进行煅烧。沥青焦和冶金焦的成焦温度比较高（1000℃以上），相当于炭素厂内煅烧炉的温度，可以不再煅烧，只需烘干水分即可。但如果沥青焦与石油焦在煅烧前混合使用，则应与石油焦一起送入煅烧炉煅烧。天然石墨和炭墨则不需要进行煅烧。Page4原料煅烧的目的及指标控制原料煅烧目的：（1）排除原料中的水分和挥发份炭素原料通常都含有一定数量的挥发份，原料经过煅烧可排除其中的挥发份，从而提高原料的固定碳含量。炭素原料一般都含有3～10％的水份，通过煅烧排除原料中的水份，有利于破碎、筛分及磨粉等作业的进行，提高碳素原料对粘结剂的吸附性能，有利于产品质量的提高。（2）提高原料的密度和机械强度炭素材料经过煅烧，由于挥发份的排除，体积收缩，密度增大，强度提高，同时获得较好的热稳定性，从而减少制品在煅烧时产生二次收缩。原料煅烧越充分，对产品质量就越有利。Page5（3）改善原料的导电性能。炭素原料经过煅烧后排除了挥发份，同时分子结构也发生变化，电阻率降低从而提高了原料的导电性。一般来说，原料煅烧程度越高，煅后料的导电性越好，对生产制品的质量越有利。（4）提高原料的抗氧化性能。炭素原料经过煅烧，随着温度的升高，通过原料的热解和聚合过程，氢、氧、硫等杂质相继排出，化学活性下降，物理化学性质趋于稳定，从而提高了原料的抗氧化性能。原料的煅烧质量一般用粉末比电阻和真密度两项指标控制。原料的煅烧程度越高，则煅后料粉末比电阻越低，同时真密度也越高。Page6煅烧工艺的主体参数控制煅烧温度是煅烧工序的主要控制参数。经过1300℃煅烧的碳质原料已达到充分收缩，因此通常的煅烧温度选择1300℃左右比较合适。如果煅烧温度过低，碳质原料就得不到充分收缩，原料中挥发份不能完全排除，原料的理化性能不能达到均匀稳定，在下一步焙烧过程中原料颗粒会再次收缩，会导致制品变形或产生裂纹，而且制品的密度和机械强度都比较低。（为了避免碳质原料颗粒在焙烧热处理时产生再收缩，一般煅烧温度应高于焙烧温度。）如果煅烧温度过高，原料体积密度降低，制品机械强度下降，而且砌筑煅烧炉的耐火材料也不允许煅烧温度提得过高。因此，合适的煅烧温度是既可以保证煅烧物料的质量，又可以延长煅烧设备的使用寿命。根据长期的生产经验，碳质原料的煅烧温度一般为1250～1380℃。Page7煅烧过程原料的物化性质变化1）原料所含挥发分的排除碳质原料在煅烧过程中的变化是复杂的，既有物理变化又有化学变化。原料在低温烘干阶段（200℃以下）所发生的变化（主要是排除水份），基本上是属于物理变化；而在挥发份的排出阶段，主要是化学变化，原料中既发生芳香族化合物的分解，又产生缩聚过程。在煅烧过程中随热处理温度的升高碳质原料排出的可燃性气体称为挥发分。碳质原料所含挥发分的高低，取决于原料成焦温度或变质程度的高低。一般石油焦和无烟煤都从200～300℃开始排出挥发分。挥发分逸出量随煅烧温度的升高而增大，在一定温度范围内挥发分的排出达到最大值（石油焦为500～700℃，无烟煤为700～850℃）。若继续升高温度.挥发份的排出量会急剧下降；当温度达到1100℃以上时，挥发份排出基本停止，煅后碳质物料的挥发份含量降低到0.5%以下。相对而言，煅烧过程中无烟煤挥发份的排出比石油焦平稳。Page82）原料的真密度变化各种碳质原料煅烧后的真密度都有较大程度的提高，特别是各种石油焦的真密度，从煅烧前的1.42～1.61g/cm3，提高到2.00～2.12g/cm3，提高了约40%。如图所示，煅烧过程中煅烧料的真密度随煅烧煅温度的变化呈很好的直线关系。这表明测定煅烧料的真密度可以直接反映碳质原料的煅烧程度以及所处的煅烧温度。煅烧料真密度的提高，主要是由于碳质原料在高温下不断逸出挥发份并同时发生分解缩聚反应，导致结构重排和体积收缩的结果。碳质原料煅烧过程中真密度的增大与其挥发份的逸出密切相关。由于真密度可以表示煅烧料的结构致密化程度和微晶规整化程度，因此煅后料的真密度可以用来评价煅后料质量的优劣以及煅烧工艺的好坏。一般来说，在同样温度下煅烧后物料的真密度越高，则其赵容易石墨化。Page103）原料的抗抗氧化性变化随着煅烧温度的提高，碳质原料所含杂质逐渐排除，降低了碳质原料的化学活性。同时，在煅烧过程中碳质原料热解逸出的碳氢化合物在原料颗粒表面和孔壁沉积一层致密有光泽的热解炭膜，其化学性能稳定，从而提高了煅后料的抗氧化性能。4）原料的体积（密度）变化所有碳质原料煅烧后体积都有所收缩，但收缩程度不一样，原料挥发分含量大并在煅烧过程中逸出量多，则其体积收缩大。例如，成焦温度比较低的石油焦在煅烧过程中体积收缩比较大，达到20%以上，而成焦温度接近煅烧温度的沥青焦，煅烧后体积收缩很小。总之，在煅烧过程中，炭素原料的物理化学性质的变化主要取决于炭素原料的性质，也取决于煅烧温度。一般煅烧温度控制在1350℃左右，此时，炭素原料形成碳原子平面网络呈两维空间的有序排列，如果经过更高的煅烧温度，其中所含杂质的进一步排除，原子热运动加剧，碳原子的平面网格将逐渐向三维空间的有序排列转化，原料性质更趋稳定。应该指出，炭素原料经过煅烧后，仍残留有少量的挥发份，一般在0.5％以下，而灰份的含量有所增加。Page11煅烧设备分类炭素原料煅烧是在不同的煅烧炉内进行的，根据不同的炉型，其煅烧工艺也有各自不同的特点。目前采用较普遍的煅烧炉主要有三种：（1）罐式煅烧炉；（2）回转窑煅烧炉；（3）电热煅烧炉。罐式煅烧炉由于加热方式和使用燃料的不同，又可分为：1）顺流式罐式煅烧炉：燃气的流动方向与原料的运动方向一致。2）逆流式罐式煅烧炉：燃气的流动方向与原料的运动方向相反。3）简易罐式煅烧炉：中小厂采用的燃煤煅烧炉。以上几种炉型，由于结构和煅烧工艺条件不同而有明显差别，不仅传热介质类别不同，更主要的是传热条件和煅烧气氛有所差异。罐式炉和焦炉基本上是一种加热类型，即以耐火砖火墙传出的热量间接加热碳质原料。回转窑则是另一种类型，燃烧气体与碳质物料接触而直接加热。电热煅烧炉是借助电能转化为热能进行加热，被煅烧物料同时起着电阻发热体的作用。Page12罐式煅烧炉主体结构（以顺流式罐式煅烧炉为例）主要组成部分：①炉体一罐式煅烧炉的炉膛和加热火道。②加、排料和冷却装置。③煤气管道、挥发分集合道和控制阀门。④空气预热室、烟道、排烟机和烟囱。顺流式罐式煅烧炉炉体结构1—煤气管道；2—煤气喷口；3—火道；4—观察口；5—冷却水套；6—煅烧罐；7—蓄热室；8—预热空气道Page13提高罐式炉产量和煅烧质量的方法提高罐式炉产量和煅烧质量的关键是适当提高炉温或延长煅烧带，煅烧带温度必须控制在1250～1380℃（指火道温度、火道温度与罐内物料温度相差100～150℃）范围内，火道温度低于1250℃时要停产调整，直到温度合格才能正常加排料。如果煅烧带温度偏低，就会影响罐式炉的产量和煅烧质量，如果煅烧带温度过高，炉体就容易烧坏，导致炉子使用寿命缩短。影响煅烧温度的主要因素是燃料、空气量和负压。罐式煅烧炉的优缺点优点：煅烧质量稳定，物料氧化烧损小，煅烧物料纯度较高，挥发分可以充分利用，高温废气通过蓄热室预热冷空气，全炉热效率比较高。缺点：炉体庞大复杂，需要大量钢材和规格繁多的异性耐火砖（尤其是产能要求大时），砌筑技术要求高，施工期较长，建设投资较大。Page14回转窑煅烧方法2.5.1回转窑的主体结构回转窑是一台纵长的钢板制成的圆筒，内衬耐火砖。窑体的大小根据生产需要而定，较小的回转窑内径只有1m左右，长20m左右；较大的回转窑内径可达2.5～3.5m，长60～70m。回转窑炉体结构如图2-7所示。为了使物料能在窑内移动，窑体要倾斜安装，其倾斜度的大小一般为窑体总长的2.5～5%。Page15—筒体；2—炉衬；3—托辊；4—轮缘；5—大齿轮；6—传动齿轮；7—炉头；8—排料口；9—冷却圆筒；10—炉尾；11—燃料喷口Page16①窑身窑身由厚钢板卷成圆筒并用焊接或铆接而成，内衬耐火材料，按一定倾角安装在两对以上的托轮上。为了冷却煅烧后灼红的物料，在主窑的正下方另安装一台尺寸稍小的冷却窑。冷却窑的表面用淋水冷却。②窑头其上有窑门和燃料喷口，作用是为了通风、喷入燃料和隔绝炉端对外界的辐射热。③托轮、滚圈与挡轮托轮是安装在一定位置上承受窑体重量并能随窑体转动的轮子；滚圈是安装在窑体上的一个铸钢环，窑体转动时借助于滚圈回转于托轮上；挡轮是为了防止运转中窑体滑动，它安装在滚圈两侧。④传动装置回转窑的运转是靠机械传动的，电动机联接减速箱，减速箱联接减缩齿轮，减速齿轮联接在窑体上的大齿轮圈上。⑤密封装置为了防止空气漏入窑内，在窑头、窑尾与窑体结合部位安装密封装置，密封装置部位设有冷却设备。密封材料一般为金属、胶皮或石棉防风圈等。⑥燃料喷嘴和排烟机为了燃烧和控制窑内温度，在窑头安装有燃料喷嘴。回转窑内的负压靠烟囱和排烟机的抽力来控制，窑内产生的废气也靠烟囱和排烟机排入大气。⑦窑尾窑尾直接与沉灰室相连，加料管由窑上方斜插入窑尾罩内。窑尾还与余热锅炉烟道相接或直接与通往排烟机的烟道相连。⑧冷却装置回转窑的冷却装置是一个外面淋水的旋转钢筒，内砌耐火材料内衬，其传动和固定装置与回转窑相同，排料端安装有密封装置。回转窑主要由以下几个部分组成Page17回转窑煅烧工艺流程回转窑煅烧工艺流程如图所示。碳质原料经预碎后送入贮料仓。贮料仓中的物料经圆盘或振动给料机连续向窑尾加料。物料随窑体的转动而缓慢向窑头移动，物料在从窑尾向密头移动过程中，首先经预热带预热，然后经1250～1380℃的高温带煅烧。煅烧好的物料从窑头下料管落入冷却窑中。冷却后的煅烧料经密封的排料机构定期排出。Page18回转窑煅烧物料与烟气流程石油焦物料走向：窑尾→窑头→冷却机→煅后仓烟气走向：窑头→窑尾→沉灰室→余热锅炉→净化系统→排空回转窑内喷入的燃料与原料中逸出的挥发分一起燃烧（也包括少量原料的氧化和自燃），产生的高温在窑内分成三个温度带：预热带、煅烧带、冷却带。Page191）预热带