一种铝电解用炭阳极的生产焙烧系统及其工艺控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种炭阳极的生产系统，特别是涉及一种铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，以及利用该焙烧系统进行炭阳极焙烧的工艺控制方法。
【背景技术】
[0002]炭阳极的焙烧过程，就是粘结剂一一沥青炭化变成焦碳阳极的热处理过程。通过焙烧使炭质颗粒间的沥青转变成固体的焦碳膜，使炭质颗粒连接成具有一定的机械强度和物理、化学性能的整体。沥青变成焦碳的数量和质量直接影响着成品的性能。在炭阳极焙烧过程中，生坯中的沥青将发生一系列复杂的分解和聚合反应，其变化过程大致可分为五个阶段:(I)从室温升高至200°C的过程中，生坯软化，其中的沥青处于塑性状态并呈现缓慢的流动和扩散，体积略有膨胀。(2)在200°C?300°C之间，生坯逐渐排出水分、二氧化碳、一氧化碳和轻油等成分，并进行部分脱氢缩聚反应。(3)从300°C?500°C之间，沥青发生快速分解反应，大量排出挥发份，同时伴随少量聚合反应。为使挥发份的排出不至于过分激烈导致制品产生裂纹，这一阶段的升温速率应该放慢。(4)当温度达到500°C以上时，聚合反映加速，沥青焦化形成沥青焦;750°C?800°C时沥青的聚合反应基本完成，但仍有部分挥发份排出，这一阶段的升温速率也不能过快；(5)在800°C以后的焙烧过程中，是使异类原子和基团从生成的焦碳的大分子中分离出来，并使分子结构重新排列，使焦化过程进一步完善，该阶段升温速率可以加快。
[0003]由于沥青的苯环中碳一碳键强度比其他原子间键的强度大的多，因此当沥青发生热分解时，异类原子如氢、氧等首先发生反应，以H2、C02、C0、CH1等小分子的挥发物逸出，氮、硫、硼等元素则根据它们与碳的结合形式，析出或留在焦炭中。分子的热分解将在断裂处产生不饱和键力，它们会在更高的温度下把异类原子或基团分离出来，再与其他不饱和分子聚合。连接牢固的分子将集积为不挥发的残渣并逐渐形成分层的巨大平面分子，即沥青焦。由于层间非定域的键作用，在800°C以上的缩聚反应得到的焦炭，其电导率和导热率将急剧增大。生坯中的沥青在焙烧过程中的焦化是在固体炭质表面进行的，具有氧化脱氢缩聚的特征。在料坯混捏过程中固体炭质颗粒表面都不同程度地吸附有氧、氮、二氧化碳、一氧化碳等气体，吸附的气体分子具有与沥青分子进行氧化一还原反应的活性，可促进炭质颗粒表面与沥青间横向键的形成，并使之固化在一起，从而使焙烧后制品的密度和强度都得到提高。
[0004]升温速率对生坯中的粘结剂一一沥青的析焦量及成焦的密度有很大的影响。升温速度慢时，沥青有足够的时间进行聚合与分解反应，析焦量增大，成焦密度也大，因此可提高制品的密度和及机诫强度。同时，升温速度慢时由于焙烧体系中温度场分布较为均匀，可以防止制品在焙烧过程中出现裂纹。在焙烧过程中，沥青组分的分解与聚合反应成一对互逆的动态平衡过程，因分解反应为吸热过程，聚合反应为放热过程，故升温会使平衡状态向分解方向进行，而降温使反应向聚合方向进行。焙烧温度是表示阳极受热处理程度大小的重要指标，它对阳极的机诫强度、孔隙度、比电阻、反电动势、气体侵蚀速率及电解单耗等一系列物理化学性能都有重要的影响。因此采用最优的焙烧制度，对提高炭阳极的成品质量有着至关重要的作用。
[0005]但目前的炭阳极生产焙烧系统存在余热利用率低、生产成本高、安全性低的问题，如图1所示的54炉室的焙烧系统，共配置3套火焰控制单元，每套火焰控制单元在一个火焰控制周期内控制18个炉室，并在每个火焰控制周期结束后向前移动一个炉室，以便循环焙烧生产。其炉室与炉室通过隔墙隔开并沿主轴线平行排列，每个炉室由多个敞口料箱以及对应的封闭火道组成，相邻炉室对应的火道穿过隔堵连通，隔墙中可插入插板阀用于切断相邻炉室之间的火道通路。生产焙烧时，将生阳极装入由空心火道墙隔开的敞口料箱，并用填充料填充缝隙且覆盖阳极上面。从一个炉室到另一个炉室，通过隔墙火道可沿着焙烧炉形成多条独立且循环的火道。每个炉室对应的各火道的上侧壁上均设置了可启闭的四个燃烧测量孔，用于测量该处火道中的温度和压力，以便进行参数控制。就现有的每套火焰控制单元控制18个炉室来说，为满足炭阳极焙烧的工艺条件，每个火焰控制周期至少需要28小时，有的甚到长达36小时，生产效率较低，且其排烟架ER的支管烟气温度一般控制在550°C左右，一方面因高温燃烧架HR3至排烟架ER之间的炉室较少，使余热利用率较低，能源浪费较多，同时也使高温燃烧架HR3至排烟架ER之间的各炉室升温相对较快，容易造成炭阳极成品出现裂纹，影响质量和成品率。另一方面，由于排烟架(ER)烟气的温度较高，后续净化处理工序的压力较大，且安全性较低容易引火灾事故。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种铝电解用炭阳极的生产焙烧系统及其工艺控制方法，所述焙烧系统具有结构简单、成本低廉、成品率高的优点，所述工艺控制方法具有生产效率高、操作简便、安全可靠的优点，采用本发明可有效提高生产率15%以上，并降低燃料消耗10 ?25%。
[0007]为解决现有技术中的炭阳极焙烧系统其生产效率低、余热利用率低、燃料消耗较高，且容易出现裂纹影响成品质量的问题，本发明提供了两种结构形式的铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，其中一种铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，包括由多个炉室组成的循环焙烧炉单元、由多种控制架组成的至少一套火焰控制单元、以及用于移动火焰控单元中控制架的吊梁装置，每一个炉室均包括并排设置的多个敞口料箱，每一个料箱的两侧均设有封闭的火道且使相邻的两个料箱之间只设置一条火道，每条火道的上侧壁上沿长度方向均设有均布的四个燃烧测量孔，燃烧测量孔连通火道的内腔且设有封盖，相邻的两个炉室之间设有隔墙且使相邻炉室的对应火道穿过隔墙相互连通，隔墙中设有用于切断或开启相邻炉室之间对应火道的插板阀；每套火焰控制单元均包括排烟架ER、测温测压架TPR、低温燃烧架HRl、中温燃烧架HR2、高温燃烧架HR3、零压架ZPR、鼓风架BR和冷却架CR;
[0008]其中:每套火焰控制单元在一个火焰控制周期内控制20个炉室并在每个火焰控制周期结束后向前移动一个炉室;所述20个炉室沿火焰移动方向从上游至下游依次为预装生块炉室、出熟块炉室、第一预出炉冷却炉室、第二预出炉冷却炉室、第一冷却炉室、第二冷却炉室、第三冷却炉室、第四冷却炉室、第五冷却炉室、第六冷却炉室、第七冷却炉室、高温焙烧炉室、升温炉室、中温焙烧炉室、低温焙烧炉室、第一预热预热炉室、第二预热炉室、第三预热炉室、第四预热炉室和密封炉室;所述排烟架ER架设在第四预热炉室的上侧且处于下游端，测温测压架TPR架设在第三预热炉室的上侧且处于下游端，低温燃烧架HRl架设在第三焙烧炉室的上侧中部，中温燃烧架HR2架设在第二培烧炉室的上侧中部，高温燃烧架HR3架设在第一焙烧炉室的上侧中部，零压架ZPR架设在第七冷却炉室的上侧且处于下游端，鼓风架BR架设在第四冷却炉室的上侧中部，冷却架CR架设在第一冷却炉室的上侧中部。
[0009]本发明该结构形式的铝电解用炭阳极的生产焙烧系统与现有的炭阳极生产焙烧系统相比，在低温焙烧炉室的下游增加了一个预热炉室，并在高温焙烧炉室和中温焙烧炉室之间增加了一个升温炉室，使预热区炉室和焙烧区炉室均由三个变为四个。这种结构形式的单套火焰控制单元，由于从温度最高的高温燃烧架HR3到排烟架ER之间的距离延长，一方面可充分利用余热以降低能耗，实际应用表明采用本发明可降低燃料消耗10?25%。同时由于距离延长可使两者之间各炉室的升温速度减缓，避免了成品出现裂纹的现象，从而提高成品率和产品质量。另一方面，可相应地缩短火焰控制周期的时间，从而提高生产效率，采用本发明结构形式的铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，可使火焰控制周期的时间最低缩短至24小时，提高生产效率15%以上。另外，采用本发明的铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，可使排烟架ER支管烟气的温度控制在420°C?480°C，相比于传统的炭阳极生产焙烧系统的550°C降低了 70°C?130°C，降低了后续净化处理系统的压力，同时提高了安全性，降低了发生火灾的机率。
[0010]本发明提供的另一种铝电解用炭阳极的生产焙烧系统，包括由多个炉室组成的循环焙烧炉单元、由多种控制架组成的至少一套火焰控制单元、以及用于移动火焰控单元中控制架的吊梁装置，每一个炉室均包括并排设置的多个敞口料箱，每一个料箱的两侧均设有封闭的火道且使相邻的两个料箱之间只设置一条火道，每条火道