電極參數(shù)對石墨化電爐熱電場的影響

侯星浩，王春華

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001）

目前石墨化工藝常用的爐型主要有兩種，一是艾奇遜石墨化爐，二是“內(nèi)熱”串接石墨化爐[1-2]。艾奇遜石墨化爐是將爐內(nèi)的焙燒制品與少量電阻料組成爐芯，依靠電阻料的焦耳熱產(chǎn)生2 300.0 ℃以上的高溫使焙燒制品石墨化[3]。焙燒制品是經(jīng)過1 200.0 ℃煅燒的石墨電極半成品。艾奇遜爐的發(fā)展歷史久遠，技術成熟，經(jīng)過研究者不懈的努力，通過改進石墨化工藝技術、增強保溫料的保溫效果、改進爐體結構等措施，克服了其石墨化工藝能耗大的問題[4-6]?！皟?nèi)熱”串接石墨化爐不用電阻料，電流直接通過由焙燒炭坯縱向串接的電極柱產(chǎn)生高溫使其石墨化[2]。與艾奇遜石墨化爐相比，雖然“內(nèi)熱”串接石墨化爐生產(chǎn)周期短，能耗低，石墨化溫度高[7]，但兩者均不能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不能應用散裝物料。為此，炭素行業(yè)科技人員經(jīng)過深入研究，設計了連續(xù)式石墨化爐，并進行了大量的理論研究和試驗[8-13]。該連續(xù)式石墨化爐采用交流電或直流電使電極間產(chǎn)生電流，電極間充滿能夠?qū)щ姷奈锪?，電流通過物料后，物料通過自身電阻將電能轉(zhuǎn)換為熱能，物料被逐漸加熱煅燒。隨著物料向下移動，物料被逐漸加熱到約3 000.0 ℃，進行高溫石墨化，成為高純石墨化焦。石墨化焦經(jīng)過冷卻裝置冷卻后經(jīng)排料口排出。這種石墨化爐相對前兩種形式的爐型具有電耗低、可連續(xù)性生產(chǎn)、自動化控制程度高、可散裝料生產(chǎn)的特點。但是，由于此技術起步較晚，成熟度次于前兩種石墨化技術，工業(yè)上應用較少[1]。因此，需要加大對連續(xù)式石墨化爐技術的研究。在連續(xù)式石墨化技術中，電極的布置起關鍵作用，電極參數(shù)直接影響爐內(nèi)物料的溫度及其石墨化，對于更高爐溫的連續(xù)式石墨化爐（高達約3 000.0 ℃），爐內(nèi)熱工參數(shù)的測量十分困難，因此有必要對此石墨化爐的工作過程進行數(shù)值計算，研究電極參數(shù)對爐內(nèi)電場和溫度場的影響，為連續(xù)式石墨化爐技術的工業(yè)提供依據(jù)。

1 研究對象

以某廠石墨化爐為基礎，爐體結構簡圖見圖1。

爐體頂端為正、負兩根電極，采用直流供電方式，爐體尺寸為5.0 m×3.2 m×2.5 m；電極直徑為0.5 m，電極間距為1.7 m，電極深入物料長度為1.3 m，外露爐體長度為1.0 m，工作電壓為40 V。其工藝流程如下：物料（本文指經(jīng)600.0 ℃煅燒的煅后石油焦）通過進料斗依靠自重進入電爐內(nèi)的高溫區(qū)，進入高溫區(qū)后物料溫度達到3 000.0 ℃左右；石墨化后，物料進入爐底冷卻器冷卻到200.0～300.0 ℃后由冷卻器底部的閘板流出，自然冷卻至室溫；石墨化電爐高溫達3 000.0 ℃左右，一般爐襯耐溫差，容易被燒損，所以該爐在運行中將石油焦（可以是未經(jīng)煅燒的生石油焦）作為保溫材料，之后再輔以常規(guī)爐襯材料（從內(nèi)到外依次是高鋁耐火磚、輕質(zhì)黏土隔熱磚和保溫棉）；貼近爐襯的石油焦被加熱到1 000.0 ℃左右后通過出料口兩端閥門輸出，然后將這些受熱的物料重新送入爐內(nèi)，完成石墨化。

為簡化計算，本文不考慮爐襯，直接將爐襯視為1 000.0 ℃的爐墻，工作電壓保持40 V 不變，改變電極間距、電極深入物料長度和電極直徑等參數(shù)，研究這些參數(shù)對爐內(nèi)電場和溫度場的影響。電極間距取1.5、1.7、1.9、2.1 m，電極深入物料長度取1.1、1.3、1.5、1.7 m，電極直徑取0.4、0.5、0.6、0.7 m。爐體頂端、電極與其周圍空氣為自然對流傳熱，綜合傳熱系數(shù)分別為10.67、3.29 W/(m2·K)。

石墨電極及其物料的參數(shù)參考文獻[4]。石墨電極的導熱系數(shù)約為65 W/(m·K)，電阻率為6.36×10－6Ω·m。物料在高溫區(qū)的綜合導熱系數(shù)為10 W/(m·K)，低溫區(qū)的綜合導熱系數(shù)為6 W/(m·K)，物料的定壓比熱容、平均電阻率見表1 和表2。

表1 物料的定壓比熱容

表2 物料的平均電阻率

2 數(shù)學模型的建立

2.1 溫度場方程

假設電爐內(nèi)物料靜止，爐內(nèi)物料間的傳熱過程遵循能量守恒定律和傅里葉定律，物料間傳遞的熱量源自電極間產(chǎn)生的電能，則物料的溫度場滿足帶有內(nèi)熱源（電能）的三維導熱微分方程[14]：

式中，T 為溫度，K；λx、λy、λz分別為物料三坐標方向的導熱系數(shù)，W/(m·K)；qs為單位體積中內(nèi)熱源的生成熱，W/m3；cp為物料的定壓比熱容，J/(kg·K)；ρ 為物料的密度，kg/m3；τ 為時間，s。

2.2 電場方程

根據(jù)電工學的原理，導體內(nèi)的電傳遞服從導電的拉普拉斯方程[15]：

式中，γx、γy、γz為物料三坐標方向的電阻率，Ω·m；V為電勢，V。

2.3 電熱轉(zhuǎn)換方程

當電流通過物料時，電能轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)換的熱量可用式（3）表示[10]。

式中，σ 為物料的電導率，S/m；E 為物料的電場強度，V/m，E=－gradV。

3 結果分析

3.1 生產(chǎn)工況計算結果分析

電爐爐體的電勢及電場強度分布云圖如圖2所示。

由圖2 可以看出，電極柱上的電勢變化很小。這是因為：石墨電極本身具有很小的電阻率，電阻率僅為6.36×10－6Ω·m，因此電極自身產(chǎn)生的熱量很小。兩根電極之間由于深入物料，物料帶有電阻，電勢由正極端向負極端逐漸降低。在距離正、負電極0.2 m 內(nèi)，越貼近電極的區(qū)域電勢變化幅度越大（即電勢差較大），在電極底端拐角處電勢變化更為明顯，其余部分電勢變化由正極端向負極端近似呈線性降低，兩電極外圍電勢變化幅度減緩。

由圖2 還可以看出，由于電勢差正比于電場強度，電場強度大之處電勢差也較大，即電勢變化較大。電極處的電場強度比爐芯處的電場強度大，兩電極間電場強度比其他區(qū)域的電場強度大。電場強度越大，電能轉(zhuǎn)換為熱能的數(shù)量越多，說明兩電極間為爐體的主要發(fā)熱區(qū)域。

電爐爐體的電流密度、溫度分布云圖見圖3。

由圖3 可以看出，在兩電極間，電極與物料接觸部分電流密度較大，兩電極外圍的電流密度較??；在電極底端與物料接觸之處電流密度達到最大（1 3612 A/m2），因為電流流經(jīng)物料產(chǎn)生焦耳熱，此處的溫度也會達到高溫。另外，電流密度與電場強度的分布趨勢一致。這是因為電流密度正比于電場強度，反比于電阻率。在高溫時，物料電阻率降低，電場強度的增加、電阻率的降低均會使電流密度增加。由圖3 還可以看出，在兩電極間形成了高溫區(qū)，高溫區(qū)內(nèi)溫度為2 400.0 ℃以上。

非石墨質(zhì)炭在2 400.0 ℃以上的溫度下熱處理后，碳原子晶格完全轉(zhuǎn)變，形成石墨質(zhì)炭[3]。因此，爐內(nèi)2 400.0 ℃以上的高溫區(qū)完全滿足物料的石墨化要求，在此稱之為石墨化區(qū)域。電爐的石墨化區(qū)域見圖4。由圖4 可知，高溫區(qū)主要集中在電極的中下部，隨著高溫區(qū)向外延伸，溫度逐漸降低。高溫區(qū)的分布與電場強度、電流密度的高值區(qū)基本吻合。

3.2 計算方法驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的正確性，對實際生產(chǎn)中的石墨化電爐（見圖1）在不同時間段進行了監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測的是爐內(nèi)某處物料的溫度和各層爐襯的溫度。因為本次模擬未考慮爐襯，所以在監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取同一位置處物料在不同運行工況下的溫度作為驗證數(shù)值模擬方法的關鍵數(shù)據(jù)。監(jiān)測位置為爐體底端左側中部深入物料內(nèi)1.5×10－1m 處，采用雙鉑銠型熱電偶（測溫上限1 800.0 ℃）進行測溫，監(jiān)測時每隔15 min 讀數(shù)并記錄一次，總監(jiān)測時間不少于2 h，監(jiān)測三次，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5。電壓、監(jiān)測點物料溫度三次監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值也繪制于圖5 中（圖中，線代表平均值）。

由圖5 可以看出，電壓波動幅度為±0.5 V，溫度波動幅度為±5.0 ℃，說明石墨化爐在監(jiān)測期間運行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)可信。

將測試處的電壓平均值作為爐體的工作電壓，同時保證貼近物料的內(nèi)墻溫度為1 000.0 ℃，裸露在空氣中的石墨電極的溫度低于449.9 ℃，對監(jiān)測爐型進行了數(shù)值計算，得到48.9、56.6、60.3 V 的電壓下爐體底端半截面處物料的溫度分布，對監(jiān)測點溫度的數(shù)值計算結果與監(jiān)測的平均值進行了對比，結果見圖6。由圖6 可知，在各工作電壓下，監(jiān)測點的計算溫度誤差均在15%以內(nèi)，說明該計算方法是可信的。

3.3 多工況計算結果分析

3.3.1 電極間距 電極間距不同時電爐內(nèi)的石墨化區(qū)域分布見圖7。由圖7 可知，石墨化區(qū)域不受電極間距的影響，均主要集中在兩電極間的中下部；電極間距增加0.2 m，溫度峰值降低200.0～320.0 ℃，說明電極間距的增加引起爐內(nèi)溫度峰值的降低，且降幅隨電極間距的增加而減弱。這是因為：當電極間距增加時，電極柱之間的物料增多，電阻增大，導致物料溫度降低。當電極間距小于1.9 m 時，爐內(nèi)高溫區(qū)溫度高于2 400.0 ℃，存在石墨化區(qū)域，且石墨化區(qū)域隨著電極間距的縮短而擴大；當電極間距為2.1 m 時，爐內(nèi)溫度最高值低于2 400.0 ℃，不能進行物料的石墨化過程，不存在石墨化區(qū)域。

3.3.2 電極直徑 電極直徑不同時石墨化區(qū)域分布見圖8。從圖8 可知，隨著電極直徑的增加，石墨化區(qū)域越來越大，并由集中于爐內(nèi)中心處逐漸向爐底擴張，爐內(nèi)溫度峰值也逐漸增加。當電極直徑增加0.1 m 時，溫度峰值增幅為120.0～180.0 ℃，且增幅隨著電極直徑的增加而增加。這是因為電極直徑越大，物料與電極的接觸面積越大，在保持其他條件不變時，單位時間流通的電流越多，產(chǎn)生的焦耳熱越大。

3.3.3 電極深入物料長度 電極深入物料長度不同時石墨化區(qū)域分布如圖9 所示。從圖9 可以看出，當電極深入物料長度由1.1 m 增加到1.7 m 時，爐內(nèi)溫度峰值由2 644.0 ℃提高到3 000.0 ℃，且溫度峰值增幅隨著電極深入物料長度的增加而減弱。當電極深入物料長度增加時，在帶來高溫的同時，石墨化區(qū)域也在增加，這是因為隨著深入物料的電極越長，物料與電極的接觸面積越大，產(chǎn)生的焦耳熱也越多。另外，需要注意的是石墨化區(qū)域的擴大，會直接導致物料進入冷卻裝置的溫度升高，這將引起冷卻裝置能耗的增加，所以在確定合理的電極參數(shù)時要綜合考慮整套工藝的能耗。

4 結 論

（1）通過數(shù)值計算得到了石墨化電爐內(nèi)的電勢、電流和溫度分布，溫度計算結果與生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)相吻合，說明本文所用的計算方法可信。

（2）電爐內(nèi)發(fā)熱區(qū)與高溫區(qū)主要集中在兩電極間的中下部，電場強度、電流分布趨勢相似，高值均分布在兩電極間與物料的接觸處附近。

（3）電極間距、電極直徑和電極深入物料長度直接影響電爐內(nèi)的高溫區(qū)域分布。電極間距的縮小和電極直徑的增加均導致高溫區(qū)域擴大，溫度峰值升高，且溫度升高幅度隨著電極間距的縮小、電極直徑的增加而增加；電極深入物料長度的增加，引起高溫區(qū)域擴大，溫度峰值升高，且溫度升高幅度隨著電極深入物料長度的增加而降低。