中国炭素工业生产节能减排主要技术浅析

炭素材料按使用功能的不同分成导电材料、特殊结构材料和特殊功能材料三大类，主要用于冶金、化工、机械、宇航、核工业、生物、电子等行业。炭素材料的工业化生产主要包括原料储运、煅烧、沥青熔化、中碎配料混捏、成型、焙烧、浸渍、二次焙烧、石墨化、机加工、包装等工序。
我国炭素材料工业取得长足的进步，无论是在产量、品种和质量方面都取得很大成绩，生产技术和装备水平已经跻身于国际同行中并占有重要位置。虽然我国还没有将炭素制品列为高能耗产品，但炭素制品的原料如各石油焦、针状焦、沥青焦、冶金焦、无烟煤、煤沥青等都是能源产品，炭素制品生产过程中要消耗大量的电力、燃料、水等二次能源产品。以生产高功率石墨电极为例，每吨成品的总能耗高达5吨左右的标准煤，国外先进炭素公司的单位产品综合能耗平均比我国炭素企业低20∼30%左右。另外，炭素材料在生产过程中污染物排放较多，如沥青熔化、混捏、成型、焙烧、浸渍工序产生的沥青烟污染等，对环境与职工健康造成危害。可见，我国炭素工业的节能减排潜力很大。
1 炭素工业的节能减排要求
从炭素工业的角度考虑低碳经济的发展，主要有两个方面：一是研发生产满足可再生能源、清洁能源生产及其它行业节能减排所需要的炭素制品，二是搞好炭素工业自身生产过程的节能减排，包括生产工艺过程与设备^[1]。下面重点论述炭素工业生产过程的节能减排技术。
1.1 炭素企业节能减排需要解决的主要问题
1）炭素材料产品下游行业的节能减排、提质增效是首要关注重点，涉及到炭素产品本身品质与规格定位，其次才考虑炭素材料工业本身生产过程。
2）实现节能降耗
虽然炭素制品不属于高耗能产业，但是与国外同类先进企业相比，单位产量产品的能耗指标较高，尤其是焙烧和石墨化工序，能耗较高，主要是技术问题。出发点是减少物料过程损失，包括提高炭素制品生产（含成品与半成品）的实收率、合格率、成品率；加强生产过程在线监测与管理控制，根据产品质量要求和原料性能制定生产各类产品的工艺流程和工艺控制条件，完善成品、生产工序和半成品的检验制度。
3）解决好污染物排放
在生产过程中，各工序中的污染物排放较多，如沥青熔化、混捏、成型、焙烧、浸渍工序沥青熔化过程中产生的沥青烟污染问题，已经成为炭素企业实现清洁生产面临的首要难题。
4）废副品材料再利用
由于炭素生产的特殊性，在其生产过程中，各个工序都会产生较多的废副品，这些废副品材料如果不加以利用，不仅造成单位产品能耗高，还会造成原材料的极大浪费和对环境的严重污染。而如何在生产中及时、在线的发现废副品也是一大难题。
1.2 炭素生产主要节能减排标准规范
指导炭素工业节能减排的设计、生产运行、施工安装等主要的标准规范包括以下方面：《炭素单位产品能源消耗限额》 GB21370—2008、《炭素制品生产炉窑能耗限额》 YS/T 131-2010、《铝电解用预焙阳极单位产品能源消耗限额》GB25325-2010、《炭素厂工艺设计规范》（GB50XX--2012）、《综合能耗计算通则》GB2589-2008、《有色金属工业环境保护设计技术规范 》YS5017-2004、《铝工业污染物排放标准》（GB25465—2010）、《清洁生产标准—电解铝业》HJ/T187-2006、《炭素生产安全卫生规程》GB15600-2008、《工业企业厂界噪声标准》GB12348-2008，执行Ⅱ类标准、《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2001。
1.3 炭素生产节能概念与类型
1.3.1 炭素单位产品能源消耗
炭素单位产品能源消耗包括单位产品综合能耗及炭素生产主要工序（煅烧、焙烧和石墨化工序）单位产品能耗；能耗包括实物消耗和过程消耗；单位产品分为原材料制备、炭制品、石墨制品。
炭素材料单位产品综合能耗中实物能耗占65～80%,过程能耗占20～35%。因此,在生产过程中必须加强对原材料与中间产品的管理,应尽量减少各生产环节的物料损失,尤其是在煅烧工段严格控制石油焦烧损。在过程能耗中,燃料能耗占65～80%,这说明选择指标先进的炉窑与燃控系统,并对窑炉要加强日常维护是至关重要的。
1.3.2炭素生产企业节能重点
炭素生产企业应积极依靠技术进步，配置先进的节能设备和节能新工艺，最大限度的提高炭素企业三大炉窑（煅烧炉、焙烧炉、石墨化炉）的热效率，减少能源损失，降低企业能源成本。
1.3.3炭素工业节能过程演化
随科技进步，炭素制品生产流程与钢铁工业类似，逐步走向大型化、连续化、自动化和高度集成，其节能思路也发生了一定演变，主要是从单体节能发展到了系统节能。
系统节能是将炭素工业看成一个整体，每环节的能量梯级综合利用，使炭素工业总能耗尽量小。系统节能包括：管理节能、技术节能、流程优化。
（1）管理节能
建立和完善公司能源控制和管理中心，对炭素制造流程各工序进行监视、控制、调整、故障分析诊断，能源平衡预测，系统运行优化、专家系统、高速采集数据和及时分析、归档处理，实现能源系统的分散控制、集中管理，与ERP或MES系统无缝集成。管理节能可为企业节约总能耗的10～15%。
（2）技术节能
采用先的技术装备和工艺实现节能。
（3）流程优化
即对炭素工业的全程或某一工艺进行结构调整，进行优化改造，淘汰落后设备，采用先进工艺实现整体节能效果。
2  中国炭素生产过程主要节能技术
2.1 炭素生产设备的主要节能技术成就
中国炭素工业生产主要节能技术取得了很大进步，是基于工序产品优质和均质化、设备大型化、热工炉窑结构优化和节能材料应用等，其中炭素炉窑设备节能技术取得了突破性的进展，这些成果主要包括：大型石油焦回转窑煅烧、大型罐式煅烧炉技术、高温连续的直流电煅石墨化炉、新型敞开焙烧技术、大料箱带盖焙烧炉、车底式焙烧炉、高压浸渍、隧道窑、新型环式炉二次焙烧炉、LWG(串接石墨化)技术、大型艾奇逊石墨化技术等。
以上炉窑设备的生产工艺或设备结构优化的节能技术是降低炭素工业整体能耗的关键，它们是生产的主要设备，也是耗能源头。同时，目前我国的一些技术研究院所和企业都相继开展了相关炉窑设备的技术优化或更新，包括生产操作工艺的优化，炉型结构的优化与节能材料应用以及配套设施的自动化等研究，其研究手段多样化，其中一些有实力的科研单位多采用计算机仿真与工业试验相结合的方式。
2.2 炭素生产余热利用
2.2.1余热的种类：
工业些窑炉都耗用大量的燃料，它们的热效率都很低，一般只有30％左右，而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40％～60％，其中可利用的余热在冶金方面约占燃料消耗量的三分之一。余热属于二次能源，它是一次能源和可燃物料转换过程后的产物，是燃料燃烧过程中所发出的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。一般分成下列几大类：高温烟气余热，高温蒸汽余热，高温炉渣余热，高温产品余热(包括中间产品)，冷却介质余热，可燃废气余热，化学反应及残炭的余热，冷凝水余热等^[2]。
2.2.2 炭素余热利用途径：
目前我国炭素工业余热利用方法主要是直接、间接或综合法。主要的余热利用为生产流程本工序或上下相关工序直接预热物料、预热空气或燃料；采用热媒作为载热体；生产蒸汽（生产和外卖）；产生过热蒸汽及用于发电；供暖、供热水和制冷等。
石油焦煅烧和无烟煤电煅烧、炭素制品焙烧、石墨化等过程中产生的烟气温度达200～1000℃,使用价值极大。目前煅烧余热已经成功用于产生蒸汽、发电、热媒、供热、浸渍热风循环加热等，而对焙烧及石墨化炉余热的利用技术有待于研究开发。
3  炭素生产减排技术
3.1 主要污染源和治理方法
炭素生产产生的环境污染以大气污染为主，主要大气污染物是：沥青烟（含PAH）、颗粒物、氟化物、二氧化硫。其中沥青烟气较难处理，现处理技术有^[3]：
1）沥青烟湿法洗涤净化法（水洗）：效果差，二次污染难处理。
2）电捕器捕集法：对沥青烟效果较好，但是对PAH、硫、氟化物等效果差。
3）干料吸附法﹙碳粉、矾土、氧化铝﹚：对氟化物效果较好，但是含沥青烟的氧化铝“黄料”回到电解槽上不受欢迎。
4）蓄热式焚烧法：对沥青烟（含PAH）效果好，但是能耗较大，需要考虑热能综合利用。
5）黑法：对沥青烟（含PAH）效果良好，但是目前应用范围有局限性。
3.2 炭素减排技术要求
1）焙烧炉、沥青熔化、配料成型沥青烟排放浓度分别达到新颁布的《铝工业污染物环保标准》(GB25465—2010)规定的20mg/m³、30mg/m³、20mg/m³标准；BaP（苯并a芘）排放浓度分别达到0.06mg/m³、0.09mg/m³和0.06mg/m³限值；
2）焙烧炉、煅烧炉烟气净化SO2排放浓度达到小于400mg/m³限值；焙烧炉烟气净化氟化物排放浓度达到小于3mg/m³限值。
3.3 生制品沥青烟气治理技术
生制品沥青烟气治理技术属于干料黑法吸附。定量给料秤加料，供料稳定均匀；系统中设专利反应器，吸附效率高；采用电加热系统，防止焦油凝结；净化效率高（>99%）；焦油排放浓度≤10mg/Nm³，粉尘排放浓度≤30mg/Nm³。主要技术特点：
1）系统流程简洁合理；2）吸附用焦粉来于生产车间、循环使用；3）吸附效率高；4）安全可靠；5）自主创新、具有完全自主知识产权；6）控制技术先进；7）适合于连续混捏成型与间断混捏成型，现有生产线改造和新建工程。
3.4 焙烧烟气联合法净化
将预除尘、全蒸发喷淋、电捕焦油和干法氧化铝吸附收尘技术串联集成，形成多级处理焙烧炉烟气技术，灵活运用。主要效果为：净化效率高，无二次污染，操作管理方便等优点，净化后污染物排放指标远均低于国家标准、达到国际标准。
4  炭素生产节能减排技术新动向
目前及今后一段时间我国炭素行业的主要节能减排新技术主要为炉窑节能与沥青烟、BaP、SO2综合减排技术，其中有的已经取得阶段性成果，多数正在研发之中，主要包括以下方面：石油焦成球煅烧技术；煅烧烟气与生制品沥青烟、焙烧炉低温烟气综合治理技术；蓄热式燃烧技术（RTO,再生热氧化）；不设净化设施的焙烧技术；废弃炭粉间歇式燃烧架用于敞开环式焙烧炉；石墨化炉的余热回收与烟气脱硫；焙烧炉余热的回收利用与烟气脱硫技术；炭素原料煅烧余热进一步回收利用与过程脱硫技术；炭素生产“界面技术”。
5 结语
（1）我国炭素行业节能减排需要解决的主要问题是实现工艺过程和炉窑设备的节能降耗和污染物排放，炭素材料产品下游行业的节能减排、提质增效是首要关注重点。
（2）对我国炭素行业的主要耗能炉窑设备多采用计算机仿真与优化技术，对炉窑的操作参数、工艺过程以及炉型结构进行优化分析，提高设备性能指标，降低能耗。
（3）余热利用途径较多，而我国炭素行业中的焙烧及石墨化炉余热的利用技术有待于研究开发。
（4）生制品沥青烟气干料黑法吸附治理技术特点鲜明，技术成熟，在我国炭素行业的沥青烟治理中发挥显著效果。蓄热式燃烧技术（RTO）对沥青烟治理彻底，是一种有前途的方法
 
 
参考文献：
[1] 王绍文, 杨景玲等. 冶金工业节能减排技术指南[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.8
[2] 赵钦新, 王宇峰, 等. 我国余热利用现状与技术进展[J]. 工业锅炉,  2009(5): 8～15
[3] 李圣华. 炭素厂的消烟除尘和噪声控制[J]. 炭素技术, 2006(2): 49～55