淺談低灰煤在電解鋁用陽極中的應(yīng)用

（石河子市天山鋁業(yè)股份有限公司，石河子市，832000） 魯明遠(yuǎn)

鋁電解生產(chǎn)使用的陽極是以石油焦為骨料、以煤瀝青為粘結(jié)劑經(jīng)預(yù)熱、混捏、冷卻、成型、焙燒等工序加工而成，陽極作為電解槽的心臟，費用占整個電解鋁的14%左右。2017年我國原鋁產(chǎn)量約3 225萬噸，其中，新疆自治區(qū)產(chǎn)量約645萬噸，占全國的20%。生產(chǎn)一噸電解鋁需要消耗400～500kg的鋁用陽極，鋁用陽極的主要原材料是石油焦，生產(chǎn)一噸陽極約需要石油焦一噸左右，據(jù)此簡單計算，全國每年生產(chǎn)鋁用陽極消耗石油焦約1600多萬噸，如果單純從石油焦生產(chǎn)能力來看，國內(nèi)石油焦的產(chǎn)量完全能夠滿足國內(nèi)市場的需要，但與其他省擁有大量石油焦產(chǎn)量不同的是，新疆地區(qū)缺乏石油焦資源，近幾年新疆地區(qū)石油焦總產(chǎn)量均未超過180萬噸，如果新疆地區(qū)電解鋁需求的陽極全部在本地生產(chǎn)，需要石油焦370萬噸以上，換言之，截止2017年底，新疆地區(qū)石油焦年缺口量達(dá)190萬噸，導(dǎo)致石油焦市場出現(xiàn)供不應(yīng)求局面，這種情況，造成新疆地區(qū)石油焦價格遠(yuǎn)高于內(nèi)地其他地區(qū)。根據(jù)新疆本地石油焦的供需狀況，低灰煤代替石油焦在電解鋁用陽極中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 鋁用陽極中石油焦的主要指標(biāo)

石油焦是生產(chǎn)鋁用陽極的主要原料。石油焦的特性對鋁用陽極的性能有很大影響，灰分是石油焦的一項重要質(zhì)量指標(biāo)。石油焦的灰分比較低，一般小于1%，主要有微量元素組成，這些元素會在電解過程中發(fā)生選擇性氧化，加速陽極消耗。除灰分外，硫分也是石油焦的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，硫是一種有害組分。過量的硫含量，使陽極在電解過程中易產(chǎn)生“異?！爆F(xiàn)象，容易開裂，電阻率增大。同時影響石油焦質(zhì)量的還有電阻率，石油焦的電阻率直接關(guān)系到成品陽極的電阻率，除此之外，石油焦的密度、耐壓強(qiáng)度等參數(shù)也對陽極生產(chǎn)存在一定的影響。

對于全部用石油焦生產(chǎn)鋁電解用預(yù)焙陽極，已經(jīng)有成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YS/T 285-2012），其主要指標(biāo)見表1。根據(jù)石油焦性能的分析，低灰煤必須具備低灰分、低含硫量，高導(dǎo)電性能量才能用于鋁用陽極生產(chǎn)。

2 新疆低灰煤資源分析

新疆擁有豐富的煤炭資源且分布非常集中，全區(qū)煤炭資源預(yù)測約2萬多億噸，占全國比重高達(dá)40%，新疆煤炭以中低變質(zhì)長焰煤、不粘結(jié)煤和弱粘結(jié)煤為主，其次為中變質(zhì)的氣煤、肥煤和焦煤。預(yù)測資源量中灰分低于25%的約占95%，低于15%的約占47%，低于10%的約占16%。硫分低于1.5%的約占96%，低于1%的約占80%，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以看出，新疆不僅煤炭資源豐富，產(chǎn)量大，而且還有不少灰份很低的煤資源。有些礦區(qū)煤炭灰份可低至3%以下。新疆部分煤炭硫分含量很低，部分礦區(qū)煤炭的硫分在0.5%以下。這些豐富的煤炭資源為低灰煤在電解鋁用陽極中的應(yīng)用提供便利條件。

表1 用石油焦護(hù)鋁電解用預(yù)熔陽極的主要指標(biāo)

3 低灰煤在電解鋁用陽極應(yīng)用分析

3.1 低灰煤炭的熱處理分析

由于各種固體原料低灰煤的成煤溫度的地址年代不同，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不同程度地含有水分、雜質(zhì)或揮發(fā)物。這些物質(zhì)如果不預(yù)先排除，直接用它們生產(chǎn)陽極材料，勢必影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能，將選定的低灰煤進(jìn)行1 300℃以上的熱處理，經(jīng)過高溫處理降低揮發(fā)分、水分和硫分含量，提高低灰煤的真密度和機(jī)械強(qiáng)度以及導(dǎo)電性能。

3.2 煅燒煤對瀝青吸附性能分析

瀝青煙氣體與火煅后煤之間由于分子間作用力相互吸引，瀝青充分填充煅燒煤顆粒的開氣孔并包覆顆粒的表面而不再有多余，在這種狀態(tài)各項理化指標(biāo)性能最好。瀝青加入后一部分浸入煅燒煤的內(nèi)部，另一部分覆蓋在表面，還有一部分就是填充于煅燒煤顆粒之間的間隙，因此，分析煅后煤顆粒中開口孔隙率、堆積孔率以及表面積，使低灰煤用于陽極生產(chǎn)時瀝青吸附性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.3 確定低灰煤用于陽極生產(chǎn)的最佳配比

將煅后煤和煅后焦混合作為骨料，用瀝青作為粘結(jié)劑，采用以往的工藝和配方，經(jīng)過混捏、成型、焙燒，按照不同的配比量制作成鋁用陽極試樣，分析各試樣灰分、體積密度、耐壓強(qiáng)度、電阻率、真密度、熱膨脹系數(shù)等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，尋找煅后煤與煅后焦的配比規(guī)律，確定煅后煤用于陽極生產(chǎn)的最佳配比。

3.4 混捏成型的工藝參數(shù)改進(jìn)技術(shù)

灰分和雜質(zhì)成分的控制，即便是超低灰的無煙煤，灰分的含量也遠(yuǎn)大于石油焦，所以混合使用后灰分的控制是主要的技術(shù)問題。低灰煤煅燒的揮發(fā)分控制，低灰煤的揮發(fā)分較高，在煅燒時，影響煅燒爐的熱平衡，通過調(diào)整石油焦中揮發(fā)分的含量、調(diào)整煙煤的比例，可以將混用后的揮發(fā)分調(diào)整到合適的水平。根據(jù)煤炭的性能特點，研究其用于陽極生產(chǎn)的工藝技術(shù)，包括粉料和顆粒的加工技術(shù)、配方改進(jìn)技術(shù)、物料的加入技術(shù)、混捏成型的工藝改進(jìn)等。

4 結(jié)語

低灰煤在電解鋁用陽極中的應(yīng)用，不僅可以緩解新疆石油焦資源的缺乏，突破新疆煤炭因運力不足產(chǎn)生的發(fā)展瓶頸，從企業(yè)角度還可以降低陽極生產(chǎn)成本，減少能源消耗，以國內(nèi)某鋁廠為例，該廠以超低灰煤電煅產(chǎn)品替代原料進(jìn)行鋁電解用預(yù)焙陽極工業(yè)化生產(chǎn)及工業(yè)應(yīng)用，電解鋁達(dá)到了有色行業(yè)二級品標(biāo)準(zhǔn)（部分達(dá)到一級），電解槽電壓降低19mV，槽內(nèi)溫度降低2.17℃。突破了傳統(tǒng)上鋁用陽極生產(chǎn)對石油焦原料的依賴性，拓寬了陽極原料的選擇范圍，對于電解鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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