鋁電解炭陽極原料熱解行為及其反應(yīng)性研究.pdf

1、隨著電解槽大型化，鋁電解技術(shù)向著高效和節(jié)能降耗方向發(fā)展，對(duì)鋁電解用炭素材料質(zhì)量提出了更高的要求。我國鋁電解用石油焦呈現(xiàn)出硫含量、微量元素增加、石油焦粒度分布向細(xì)粒方向發(fā)展，高硫石油焦的使用量增加的態(tài)勢(shì)。如何調(diào)控現(xiàn)有炭陽極生產(chǎn)和技術(shù)優(yōu)化，并在原料質(zhì)量劣化的情況下制備優(yōu)質(zhì)炭陽極，滿足鋁電解生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文以炭陽極原料熱解行為及其反應(yīng)性為研究對(duì)象，開展瀝青浸潤及熱解行為研究，系統(tǒng)考察煅后焦粒度分布、微量元素和硫含量的

2、影響規(guī)律；并探索含鈦炭陽極電解新工藝的可行性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用體積密度測(cè)定儀、熱重分析儀、自制熱解設(shè)備和SEM分析手段，開展了瀝青靜置浸潤和粒料柱孔隙率實(shí)驗(yàn)，對(duì)瀝青浸潤煅后焦的形貌進(jìn)行了表征,開展了大質(zhì)量瀝青熱解動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明：在靜止浸潤條件下，小于0.15mm部分孔隙率小，難浸潤；大于2-3mm顆粒部分料柱孔隙率較大，易浸潤區(qū)；中間粒度區(qū)，隨著粒度的變大，浸潤率逐漸增大。小顆粒煅后焦被瀝青浸潤的包裹；大顆粒

3、最外層為一定厚度的瀝青浸潤層，大顆粒表層部分孔隙被“瀝焦體”填充、包裹；大顆粒內(nèi)部多孔、閉孔部分不能被瀝青浸潤。瀝青熱解過程動(dòng)力學(xué)模型為此處為公式反應(yīng)級(jí)數(shù)為2.3級(jí)，熱解過程表觀活化能Ea=108.27KJ/mol；結(jié)合不同粒度煅后焦BET分析，小于0.5mm為比表面積作用區(qū)域；0.5-3mm部分為煅后焦顆粒外表面的多孔結(jié)構(gòu)作用區(qū)域。⑵利用體積密度測(cè)定儀、陽極CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀等測(cè)試手段，考察了粒度分布對(duì)體積密度和炭陽極反應(yīng)性的影響

4、規(guī)律，得出：在初始粒度分布條件下，通過控制焦炭中粒含量，減少粗粒和細(xì)粒含量，增加粉料含量，炭陽極反應(yīng)性仍有繼續(xù)優(yōu)化的空間。⑶利用焦炭CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、陽極CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、XRD分析和自制熱解設(shè)備等測(cè)試手段，量化了微量元素含量對(duì)煅后焦反應(yīng)性、煅后焦微觀結(jié)構(gòu)、瀝青焦微觀結(jié)構(gòu)、炭陽極反應(yīng)性，研究了微量元素對(duì)“瀝青結(jié)焦體”反應(yīng)性的影響，考察了微量元素和粉狀煅后焦對(duì)瀝青熱解過程的影響。得出：隨著微量元素含量的增加，Na、Ca和Mg元

5、素均使“結(jié)焦體”CO2反應(yīng)殘余率逐漸降低，而 V和 Ni元素使“結(jié)焦體”CO2反應(yīng)殘余率逐漸增大；“結(jié)焦體”空氣反應(yīng)速率迅速增大。整體而言，炭陽極和煅后焦的反應(yīng)殘余率相近，“瀝青結(jié)焦體”為改善炭陽極反應(yīng)性的限制性環(huán)節(jié)；熱解表觀活化能增大，產(chǎn)焦率提高；煅后焦粉體的加入，可降低瀝青熱解表觀活化能，提高產(chǎn)焦率。⑷利用測(cè)硫儀、X-射線光電子能譜、紅外光譜分析儀、焦炭 CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、陽極CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、XRD分析和自制熱解設(shè)備等

6、測(cè)試手段，測(cè)定了硫在不同粒度石油焦中的分布情況及賦存狀態(tài)，研究了硫含量對(duì)煅后焦反應(yīng)性、煅后焦微觀結(jié)構(gòu)、炭陽極反應(yīng)性的影響，研究了硫含量對(duì)“瀝青結(jié)焦體”反應(yīng)性的影響規(guī)律，考察了不同硫含量粉狀煅后焦對(duì)瀝青熱解過程的影響。結(jié)果表明：硫優(yōu)先在大顆粒石油焦中賦存，再逐漸向小顆粒部分?jǐn)U展，可通過篩分分離出不同硫含量石油焦；不同高硫石油焦的賦存狀態(tài)相似，主要為噻吩類和硫醇類有機(jī)硫，也存在不同含量的無機(jī)硫化物和硫酸鹽類；不同硫含量和粒度石油焦的焙燒脫硫

7、性能有明顯差異；“瀝青結(jié)焦體”的CO2反應(yīng)殘余率僅為煅后焦的3/4-1/2左右，“瀝青結(jié)焦體”的空氣反應(yīng)性速率遠(yuǎn)大于煅后焦，受微量元素影響尤為顯著；不同高硫石油焦的性能差異較大，不能簡單以硫含量的高低來區(qū)分，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)將不同來源的高硫石油焦分別堆放，結(jié)合硫含量分布、微量元素含量、煅后焦性能和結(jié)焦體性能等進(jìn)行綜合利用。⑸利用焦炭CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、陽極CO2/空氣反應(yīng)檢測(cè)儀、XRD分析、SEM-EDS分析、自制熱解設(shè)備和熔鹽電解