超高功率石墨電極生產能源消耗量計算與節能措施研究

宗超，楊世文，李二偉

摘 要：超高功率石墨電極是我國石墨電極行業的發展趨勢之一。文章以超高功率石墨電極為對象，介紹了超高功率石墨電極的內涵，論述了超高功率石墨電極與高功率石墨電極、普通功率石墨電極之間的區別。同時，結合具體超高功率石墨電極生產項目，計算了超高功率石墨電極生產能源的消耗量，探析了超高功率石墨電極生產能源消耗量的節約措施，希望能為提升超高功率石墨電極生產效益提供參考。

關鍵詞：超高功率;石墨電極;節能

中圖分類號：TQ127.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.029

我國石墨電極行業的產量經過2014年～2016年下行態勢之后，2017年～2019年轉而回升，2019年全年石墨電極行業產量達80萬噸。隨著我國鋼鐵產能逐漸恢復增長，鋼鐵廠商用高端電弧爐的數量持續攀升，為優質超高功率石墨電極供應需求的增長提供了充足驅動力。2019年全年，我國優質超高功率石墨電極產量達到8.6萬噸，消耗量達到6.63萬噸。在超高功率石墨電極產量、消耗量持續增加的背景下，關于超高功率石墨電極生產能源消耗量的控制，引起了各界的關注。因此，從生產能源消耗量計算視角入手，分析超高功率石墨電極生產能源的節約措施，具有非常重要的意義。

1 超高功率石墨電極概述

石墨電極又可稱為人造石墨電極，具有耐高溫石墨質導電、高機械強度、抗氧化、少雜質的特點。石墨電極生產用的原材料為石油焦、針狀焦，粘結劑為煤瀝青，需要經過煅燒、配料混捏、粉碎磨粉、擠壓成形、瀝青浸漬、石墨化、焙燒、機械加工等若干工序。

石墨化過程包括兩個階段。第一階段以開展化學反應為主，需要將無定形碳的原料放置在1 000 ℃～1 800 ℃之間，促使無定形碳微晶結構內結合的硫元素、氫元素、氮元素、氧元素持續溢出，無定形碳微晶結構邊緣純度持續提高，殘留的若干晶格缺陷則沿著微晶層面寬度方向增長。第二階段以物理反應為主，需要將第一階段處理后的半成品放置在1 800℃～3 000℃。在1 800 ℃～2 000 ℃之間，利用X射線衍射技術進行無定形碳微晶尺寸觀測，在發現易石墨化碳、難石墨化碳差異突顯后，進入2 000 ℃～3 000 ℃區間內。綜合考慮晶格缺陷移動、不正常變化退火因素，促使晶體層面多軸方向微晶尺寸持續向高水平變化，而晶體層面之間距離則持續向低水平發展，最終獲得內部微觀結構更加科學、抗磨性更高、純度更高的石墨電極。

從理化性質入手，根據電阻率、熱膨脹系數、抗析強度、允許使用電流密度的差異，可以將石墨電極劃分為普通功率電極、高功率電極、超高功率電極三種，具體分析如表1所示。

2 超高功率石墨電極生產項目概述

某超高功率石墨電極生產項目分為三期建設。

一期為40 kt/a石墨電極一次焙燒項目，主體設備為2臺36室帶蓋式環式焙燒爐，2014年12月完成建設，投資完成額為10 526.89萬元，設計產能40 000噸/年，已于2015年初試運行。

二期50 kt/a石墨電極浸漬車間和二次焙燒車間，計劃投資概算為17 380.68萬元。

三期擬建48 kt/a超高功率石墨電極制造系統及配套設施，主要產品規格直徑為500～800超高功率石墨電極。

3 超高功率石墨電極生產能源消耗量計算

3.1 生產用水消耗量

在超高功率石墨電極生產時，水能源損耗環節主要分為一次焙燒與再焙燒產品冷卻水消耗、設備冷卻水消耗[1]。一次焙燒用水主要為排煙風機冷卻水（連續凈循環）、產品冷卻水（間斷新水蒸發）、環式焙燒爐冷卻水（連續凈循環），循環水量共為1 300 m3/d，新水量共為75 m3/d;再焙燒用水設備及用途主要為隧道窯設備冷卻水（連續凈循環）、隧道窯產品冷卻水（間斷新水蒸發），循環水量為1 800 m3/d，新水量共為185 m3/d;設備冷卻水主要為煅燒爐水套冷卻水（連續凈循環）、排煙風機冷卻水（連續凈循環）、真空系統給水（連續新水）、冷卻槽用水（連續濁循環）、石墨化爐爐頭冷卻水（連續凈循環）、變壓器小車冷卻水（連續凈循環）、機加工設備冷卻水（連續凈循環）、高壓浸漬罐冷卻水（連續凈循環）、高壓浸漬設備冷卻水（間斷濁循環）等，循環水量為7 500 m3/d，新水量共為1 000 m3/d。

其中，真空系統排水可作為高壓浸漬罐冷卻用水、冷卻槽用水，年產40 000噸超高功率石墨電極項目的生產用水定額為1 260 m3/d，用水天數為340 d，年用水量為42.84萬m3。而廢水回用水定額為259.2 m3/d，用水天數為340 d，年廢水用水量為8.8128萬m3，在考慮未預先計算以及管網漏水損失（2.624萬m3）的情況下，得出該項目年用水總量為36.6512萬m3/a。

3.2 生產用電消耗量

超高功率石墨電極生產用電工序主要為石墨化工序[2]。該工序設定溫度為2 900 ℃，理論熱能單耗為5 457.76 kJ/kg，換算為電能后為1 516 kW·h/t。同時，考慮到石墨化階段爐子表面損失熱量為15.8%，電能損失熱量為21.5%，耐火材料、保溫材料吸收熱量為17.5%，串聯石墨化爐的熱量利用率為45.2%，實際電能損耗量為3 353.98 kW·h/t。按年需石墨化量48 kt計算，年產48 kt/a超高功率石墨電極項目的年用電量為16 099.104萬kW·h。依據0.1229折標煤系數計算，得出生產用煤損耗量為1 978.580萬t。

3.3 生產用氣消耗量

超高功率石墨電極生產用氣設備，主要為浸漬工序的預熱爐、一次焙燒工序的帶蓋環式焙燒爐、再焙燒的隧道窯等。其中，浸漬工序的預熱爐余熱焙燒溫度為320 ℃，理論天然氣單耗為9.20 m3/t。因高壓浸漬工序預熱爐熱量利用率為20%，實際天然氣單耗為46 m3/t，浸漬所需生產能力為50 kt/a，則年耗天然氣量為230 m3/a;一次焙燒工序的帶蓋環式焙燒爐運行時，焙燒工序理論天然氣單耗與石墨理論熱能單耗、石墨比熱容具有較大關系，且石墨比熱容與溫度成正相關。因此，在300 K～3 200 K溫度范圍內，可以結合熱能單耗以及超高功率石墨電極一次焙燒工序溫度設定值（1 250 ℃），推算天然氣單耗為22.20 m3/t。

同時，考慮到該工序制品存在揮發燒損化學熱，熱量利用率在22.5%左右，天然氣燃燒化學熱占比為60%，此時可以得出實際天然氣單耗為：22.2/22.5%×60%=59.2 m3/t。在年產40 kt超高功率石墨電極生產能力一定時，年耗天然氣量為236.8萬m3/a;再焙燒的隧道窯設定溫度為800 ℃，理論天然氣單耗為31.5 m3/t。因再焙燒環節制品揮發化學熱占比為42.5%，天然氣燃燒化學熱占比為47.5%，隧道窯內熱量利用率為22.5%，可得出實際天然氣單耗為31.5/22.5%×47.5%=66.5 m3/t。再焙燒所需生產能力為50 kt/a，則年耗天然氣量為332.5 m3/a。合計超高功率石墨電極生產用氣為799.3 m3/a。

4 超高功率石墨電極生產能源的節約措施

4.1 水能源節約措施

冷卻用水是超高功率石墨電極生產環節水資源的主要損耗模塊，為了在保證冷卻效果的同時降低冷卻水用量，可以利用封閉間接水冷方式代替開放直接水冷方式，實現冷卻水的完全無凈化循環利用，并靈活調節水流速，降低水能源損耗。

在超高功率石墨電極生產過程中，需要將原料在石墨化爐內進行石墨化高溫度處理（2 500 ℃以上），獲得碳元素層狀分布的石墨質結構。因石墨化爐多為高功率（1.00×104 kVA及以上）、大電流（100 kA及以上）電爐，且在爐頭位置設置加熱電極，送電母排、母排線纜則在爐頭、加熱電極之間螺栓緊密連接，為爐內物料加熱提供支持，爐頭位置需要承受較大的高溫負荷，極易出現母排、母排纜燒損編制，進而致使電阻增加、能量損耗增加，甚至致使送電加熱效率顯著向低水平發展。

因此，在現有冷卻水直接噴淋降低母排、母排線纜與爐頭螺栓連接位置溫度的基礎上，可以整個母排、母排線纜為對象，將送電母排線穿設在三元乙丙橡膠材質的膠套（含夾層，夾層上下部分別為進水口、出水口）內，經螺栓、螺母將母排線纜末端固定在石墨化爐頭極板上。同時將水溫監控儀器安裝在膠套上，將流量控制閥安裝在進水口位置。進而利用內有空腔（已填充潤滑脂）的螺母罩完全包裹螺母。

在冷卻水從進水口位置流入、出水口位置流出時，可以完成母排線纜的一級間接水水冷冷卻。此時，若膠套內一級間接水溫度超過45 ℃，則可以啟動冷卻風機，完成對石墨化爐送電母排線纜的二級間接風冷冷卻。

在此基礎上，以冷卻水直接噴淋的形式，完成對石墨化爐頭極板上方、母排的三級直接水冷冷卻。而螺母罩內部空腔潤滑脂也會在螺母罩外部冷卻水噴淋下熔化，完成對螺母、螺栓的四級冷卻。

4.2 電能源節約措施

在超高功率石墨電極石墨化生產環節，高電導率、熱導率的保溫料是電能消耗的主要原因[3]。因保溫料電導率、熱導率較高，保溫性能會下降，熱量損失持續增加，對石墨化爐各部分的溫度分布造成破壞，加劇電極內部、外部溫度差，引發電極裂紋，延長送電曲線，致使電力能源消耗增加。因此，應將高電導率、熱導率的保溫料更換為電導率、熱導率較低的保溫料，并且控制保溫料顆粒度在φ8 mm以下，將新料與舊料配比控制在科學水平，以降低電力能源損耗率。比如，在石英砂+焦粉作為保溫料的情況下，可以適量加入木屑，促使三者比例在55%～65%、30%～40%、10%左右，利用木屑在600 ℃溫度環境下炭化的特點，減少松裝量，控制保溫料導熱性。

同時，根據通電65 h～78 h時間段石墨化爐電阻率變化（下降18.68 μΩm左右），引入綜合溫控停電方案，降低電能損耗。即在接通電源65 h且爐體電阻率值達到20 μΩm時，繼續通電5 h后斷開電力能源。

當前，在電力資源供應緊張、電力資源價格升高的背景下，電力能源消耗成為超高功率石墨電極生產主要成本來源。以“艾奇遜”石墨化爐為例，在其運行過程中，內部熱量傳遞與散發過程受爐芯、送電方式的直接影響，在更換石墨化爐保溫料、利用綜合溫控停電方案的基礎上，還可以根據爐芯面積及裝爐工藝，進行石墨化電爐的進一步改良。一般爐芯面積與機組額定輸出電流、額定電流密度以及爐芯容重、供電加熱末期爐子升溫能力及比電阻有關。在確定爐芯面積的情況下，需要對爐芯溫度分布規律進行進一步分析。一般高溫區在石墨化爐橫截面呈現圓形分布，爐芯中點為圓心，半徑為爐芯中點到邊排電極外角之間的距離，距離圓心越近，溫度越高。

基于此，只有將電極裝爐設置為圓形截面或正方形截面，促使電極分布在兩側較大高溫區，才可以保證熱能的高效利用。在改善裝爐工藝的基礎上，由停電時石墨化爐電阻、功率變化規律可知，爐芯擴大時爐阻會向低水平發展，停止電源供應時爐功率處于較低水平，導致送電時間延長，熱損失處于較高水平。應注重提升爐阻，在增加電阻料促使爐排距向高水平發展的同時，減少上下墊層縮小爐芯面積，為后期送電功率提升提供依據。

一般可以將排距更改為100 mm，上墊層、下墊層分別更改為120 mm、80 mm，減少1排和4支電極，縮短近1 h的送電時間，在保證優級品率的同時，節約電力能源消耗量。

4.3 氣能源節約措施

為降低超高功率石墨電極生產環節天然氣能源的消耗量，可以結合產品質量要求，從原料性能控制入手，優先選擇高軟化點的改質瀝青、低喹啉不溶物含量的浸漬瀝青，在提高浸漬效率的同時，降低設備動力損耗。同時選擇低熱容量、低導熱率、強化學穩定性的密封材料，對焙燒系統邊火道、泄露風險點進行保溫密封，并在爐室之間進行1排擋風板的設置，利用變頻調整速度的方式對爐室內負壓進行自動調整，保證爐室密封效果，促使整個系統在負壓環境下平穩運行。

在這個基礎上，從焙燒升溫曲線、保溫曲線優化入手，對成型、配料、混捏等工序參數以及焙燒升溫制度進行調整[4]。比如，提高高溫燃燒前區溫度，將以此焙燒溫度調整為800 ℃～850 ℃，對應的焙燒爐最高火焰溫度調整為1 100揮發分，促使瀝青揮發分揮發位置向前方移動;將浸漬后二次焙燒溫度調整為700 ℃～750 ℃，對應的焙燒爐最高火焰溫度為1 000 ℃，保證瀝青揮發成分可以充分燃燒，提供大量熱量，減少天然氣損耗量。

除此之外，從帶蓋環式焙燒爐、再焙燒的隧道窯、帶蓋環式焙燒爐、再焙燒的隧道窯運行環節入手，在精心維護設備的基礎上，根據產品質量與設備動力消耗之間的關系，進行設備技術改造。如將罐式煅燒爐800 ℃以上的廢氣應用于采暖等，加強余熱利用，提高能源效益。

5 結語

綜上所述，探究超高功率石墨電極生產能源節約方案，對于石墨電極行業節能降耗目標的實現具有關鍵作用。因此，相關人員可從超高功率石墨電極生產主要工序入手，計算其水能源、天然氣能源以及電能源的損耗量。根據計算結果探明超高功率石墨電極生產能源節約與控制路徑，科學策劃，適時施策。在保證超高功率石墨電極生產量的同時，最大限度降低超高功率石墨電極生產用水、用電及用氣的消耗量。

參考文獻

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[3] 李海，張洪彪，陸曼，等.LF精煉爐石墨電極降耗分析[J].冶金設備，2018（4）：47-49，100.

[4] 李凱茂，繆輝俊，韓可喜，等.降低石墨電極消耗的工藝研究[J].中國有色冶金，2017，46（2）：49-52.