年产5500吨高纯石墨生产工艺流程

年产5500吨高纯石墨窑炉节能技术改造项目可行性研究报告

第三章产品市场预测及改造规模

3.1石墨国内市场预测

3.1.1石墨级石墨制品的性质、用途及其制品

石墨是典型的层状结构物质，碳原子成层排列，每个碳原子与相邻碳原子之间等距相连，每一层中的碳原子按六方形环状排列，上下相邻层的碳六方环通过平行网面方向相互位移后再叠置形成层状结构，位移的方向和距离不同就导致不同的结构。上下两层的碳原子之间距离比同一层内的碳之间的距离大（层内C-C 间=0.142nm，层间C-C间距=0.340nm）。石墨由于其结构而具有以下性质：

1、耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失也很小。其热膨胀系数很小，石墨强度随温度升高而加强，在2000℃时，石墨强度比提高一倍。

2、导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子之间只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

3、润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能也就越好。

4、化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、碱有机溶剂的腐蚀。

5、可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

6、抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

石墨因其独特的性能而广泛运用于冶金、机械、石油、化工、电子、建材、地质、轻工等领域，主要有以下用途：

1、作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭保护剂、冶金炉的内衬。

2、作导电材料：在电气工业上用来制造电刷、碳棒、碳管、水银整流器的正极、石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。

3、作耐磨润滑材料：石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在200-2000 ℃温度和很高的滑动速度下不使用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备广泛采用石墨材料制成的活塞环、密封圈和轴承，它们运转时不需要加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好润滑剂。

4、石墨具有良好的化学稳定性：经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好、渗透率低等特点，大量用于制作热交换器，

黑漆、油墨和人造金刚石、钻石不可缺少的原料。它是一种很好的节能环保材料，美国已用它做为汽车电池。随着现代科学技术和工业的不断发展，石墨的应用领域还在不断拓宽，已成为高科技领域中新型复合材料的重要原料，在国民经济发展中具有重要的作用。

3.1.2国内石墨及石墨制品市场及其发展趋势

中国是世界上最主要的石墨生产国，生产量占世界水平的75%，其储量和产量均居世界首位。石墨所特有的金属和非金属双重工艺技术特性决定了石墨产品的重要性和不可替代性，石墨可广泛应用于电子、军事、航天、国防、核工业等领域，是我国继稀土之外的又一优势矿产。我国正处在工业化、城市化、现代化加速发展的进程中，钢铁以及有色金属、电子、机械、化工、核能、航空航天等国民经济各部门的持续、快速发展和产业结构的优化升级对石墨制品的数量、品种和质量提出了更高的要求。

过去十年我国石墨工业得到了较全面的发展。但是，与科学发展观和新型工业化道路的要求相比，我国石墨工业还存在增长方式粗放、企业创新能力偏弱、产品结构不合理、产能扩张速度过快、企业竞争力不强等一系列突出问题。要解决我国石墨工业发展中存在的诸多问题，使石墨工业更好地满足我国国民经济发展的需要，就必须全面贯彻落实科学发展观、提高技术创新能力、转变增长方式，把过去注重数量的粗放发展模式转为节约能源、

提高资源利用率、减少污染、增加品种、提高质量、注重效益的集约型发展模式，走持续、稳定、协调的发展之路。目前石墨发展具有以下趋势：

1、加大企业技术开发投入力度，提高技术创新能力，提高企业科技进步水平。当前我国石墨工业发展中，一方面低端产品如普通功率石墨电极、电极糊、铝用阴阳极炭块等产能过剩、市场供大于求；另一方面高技术含量、高附加值的产品如大规格超高功率石墨电极、核石墨、航空航天用石墨和各领域用特种石墨及碳石墨复合材料等在数量上又有相当大的缺口，需要依靠部分进口才能解决。这一问题虽然表现为石墨产品结构不合理，但其深层原因在于技术开发投入不足，产业自主创新和技术集成创新能力弱，产品结构的优化升级缺乏强有力的技术支撑。因此，加大研发投入，提高技术创新能力，在品种、质量、成本、服务上全面提高竞争力，已成为解决我国石墨工业结构性矛盾的主要出路。首先，加大研发投入，提高技术创新能力，是作为微观经济主体的石墨企业的内在要求。在市场经济条件下，企业是技术投入和技术创新的主体。把技术创新纳入到企业的发展规划中去，结合企业自身技术装备和产品定位情况，确定技术创新的主攻方向、重点内容；建立符合企业自身发展实际的创新机制和与高校、科研单位相联合的创新体系。其次要发挥政府的积极作用。对于重大的技术攻关项目，企业往往没有动力也没有能力独自承担，因此需要政府的支持，支持的方式除政府直接拨款外，还可采取

政府为之提供财政税收与信贷方面优惠政策的方式，行业协会可以在这方面协助企业争取政府的支持。

2、把节能降耗、改善环保水平作为企业发展的前提，重塑绿色石墨。要最大限度地实现生产过程中资源循环利用，最大限度地减少废弃物排放，使石墨工业成为资源节约型和环境友好型产业。为此，一是要淘汰落后生产设备。要坚决按照国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录（2013修正本）》淘汰能耗高、污染大的蒸汽加热混捏、交流石墨化炉、3340KVA石墨化炉及其并联机组、最大输出电流5万安以下的石墨化炉。二是要树立清洁生产观念和意识，树立生产全过程中的污染预防思想，把清洁生产作为提高企业整体形象、增强企业竞争力的重要手段来对待。三是要强化科学管理，改进操作。实践证明，资源浪费和工业污染有相当一部分是由于生产过程管理不善造成的。只要改善管理，改进操作，不需花费很大的经济代价，便可获得明显的避免浪费和减少污染的效果。主要方法是：落实岗位责任制，杜绝跑冒滴漏，防止生产事故，使人为的资源浪费和污染减至最小；加强设备管理，提高设备完好率和运行率；开展物料、能量流程审核等，减少石墨生产过程中的资源和能源消耗，减轻环境污染。

江西……碳素有限公司是一家专业从事石墨制品生产的企业，公司拥有先进的生产设备及加工中心，生产技术精湛，检测手段完备。公司的产品销往世界各地，由于产品性能优异、质量稳定，受到国内外用户的一致好评。公司目前拥有

高纯石墨材料生产线，由于高纯石墨是一种耐高温、耐腐蚀的材料，目前在市场上还没有可以替代的产品，市场需求量十分大，加上其它高纯石墨生产企业生产的高纯石墨数量有限，最近几年高纯石墨市场都是供不应求。随着产业结构的升级，高新技术对特种材料的产量、质量都会有所提升，高纯石墨的的需求量将会快速增加。

江西……碳素有限公司年产5500吨高纯石墨窑炉节能技术改造项目针对的产品为特种（高纯）石墨，产品市场前景好，符合特种石墨的发展趋势。节能技术改造将淘汰高耗能、污染大的4座6室环式炉，将采用高效率、低污染的18室环式焙烧炉，这符合国家的要求，也符合石墨低耗能、低污染、绿色石墨的发展趋势。

3.2改造规模

本项目为技能技术改造项目，旨在为企业节约能源消耗，减少环境污染。江西……碳素有限公司目前年生产能力为5500吨高纯石墨，公司的加工设备中主要耗能设备为4座6室环式炉，该窑主要用于石墨焙烧，由于高纯石墨在生产中需要三次焙烧，每次焙烧后需要将6室环式炉完全冷却后取出，并且6室环式炉在焙烧时主要依靠烟气的温度加热石墨块，烟气的热量在窑炉里面利用率很低，排烟时烟气温度有时能达到一千摄氏度，能量损失很大，这使得窑炉热效率特别低，由于6室环式炉建设时间比较早，建设时受技术、资金等各方面限制，6室环式炉燃烧不完

全，会产生大量的烟气，环境污染特别大。根据同行业的一些新窑炉使用情况，结合江西……碳素有限公司目前的工艺及产量情况，详细对比后，决定使用1座新型18室环式焙烧炉代替原有的6室环式炉。

第四章生产工艺技术和节能技术改造

4.1 生产工艺技术

4.1.1 技术方案概述

本项目主要针对的产品为高纯石墨，主要是淘汰江西……碳素有限公司目前使用的4座6室环式炉，建设1座新型的18室环式焙烧炉作为焙烧窑炉。

高纯石墨完整的生产工序主要包括煅烧、破碎、配料、混捏、压型、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工、检验等，在高纯石墨的生产中，需要进行三次焙烧、两次浸渍才能完成整套工序。江西……碳素有限公司目前的生产主要是从混捏开始，采购的原料就是已经通过煅烧、破碎、配料等工序的材料。由于石墨化工序需要的投资比较大，一次性投入需近亿元，考虑到投入成本和效益等各方面因素，结合公司建设时的财务情况及周边地区石墨生产企业的情况，江西……碳素有限公司并未在自己厂区进行石墨化工序的加工，主要是通过外协加工完成，目前主要是将焙烧完全但未进行石墨化的产品由江西新卡奔科技有限公司进行石墨化处理。江西新卡奔科技有限公司是专业生产加工石墨细结构产品、石墨提纯产品、锂电池负极材料的专业企业，拥有先进的石墨化设备，完全能够完成江西……碳素有限公司产品石墨化工序的加工工作。江西……碳素有限公司高纯石墨的生产焙烧工序目前使用4座6室环式炉，本项目实施后采用先进的18室不带盖

式环式焙烧炉。

4.1.2 工艺流程简述

工艺过程详述如下：

1、磨粉

原料为已经通过配料的各种粒度料，需要经过两次磨粉达到粒度要求，再和雷蒙磨加工出的粉料按一定比例配制成干混合料。

2、混捏、压型

原料经过磨粉，变成不同粒级的焦炭颗粒，分别进入指定的料仓，再根据配方分别从各种料仓提取不同粒级原料进入混捏锅，注入一定量的粘结剂沥青，加温至160～180℃后搅拌，达到要求后用成型机或挤压机挤压成型。大部分过程将由电脑操作

控制，基本实现自动化，这样能够使配料温度的控制更加准确。

3、焙烧

焙烧工序主要是将成型后的石墨坯在隔绝空气的条件下加热，按一定的升温曲线加热，在1250℃的温度下，使粘结剂完全焦化，以增强石墨的强度，提高石墨的导电能力。

将不同型号的石墨毛坯放入18室环式焙烧炉内，每室由5个焙烧箱和烟道组成，在焙烧箱的毛坯周围填充2～4mm的河砂(硅砂)，作为支撑保温物，使毛坯均匀加热，不因受热变形。在环式焙烧炉内经过逐渐加热一保温一升温一保温一冷却后出炉。出炉时，先由除去焙烧箱上部的密封材料，再由抓斗抓去毛坯上部覆盖的300mm保温料，使毛坯上部暴露后由专用钢丝绳套固定后由行车吊出炉外，剩余保温料由高压抽吸装置吸回配料部备用。

该工艺采用不带盖的环式焙烧炉，由奉新县工业园区内的天然气站供应的天然气作为能源进行加热，焙烧炉运行特点是把整个焙烧炉划分为若干个火焰系统。加热时，天然气由管口经过连通管上的喷咀喷入烟道上孔内，每6个室为一段火焰系统，串联运行。首先起重装炉，装炉后通过烟气预热，然后每个炉室的加热运行时间为336小时(14天)，其中恒温8天，然后出炉冷却。每段按顺序装炉、预热、加热、冷却、出炉形成环型加热，连续生产。焙烧炉生产中排出的含有沥青的废气，经过静电除尘得以净化，净化达标后的尾气由引风机送入烟囱排放。

4、浸渍

为使石墨制品减少孔隙，增加比重，以达到提高其导电率和机械强度的目的，把焙烧石墨预热至一定温度，放入浸渍罐，抽真空至一定的真空度后注入沥青，沥青在一定的压力下，浸到石墨体内，卸压后冷却出罐，再根据要求返回进行二次焙烧。

5、石墨化

经过多次焙烧浸渍后的材料需要经过石墨化，石墨化工序一般使用电力作为能源。此工序主要是将杂质的含量降低，提高碳的纯度，从而获得高纯度石墨。

6、检验、包装、入库、出厂。

4.2节能技术改造

4.2.1焙烧炉改造方案概述

焙烧工序是高纯石墨生产过程中的重要工序之一，也是高纯石墨生产过程中生产周期较长的工序。在保证产品质量的前提下，缩短焙烧工序生产时间、提高焙烧工序的产量、加快资金周转率、降低生产成本，对增加企业的经济效益是很有益处的。

焙烧的过程分为三个阶段：预热阶段、挥发排除阶段、冷却阶段。目前由于环保和节能减排的需要，过去投资小、污染大、能耗高的炉型已被禁止和淘汰。而隧道窑一般用于二次焙烧的产品，有其局限性，因此建设量少；车载式焙烧炉投资大，能耗高，不适应推广使用。

现在各石墨生产厂家优先选择应用的是环式焙烧炉，具有环

保、节能、产能和投资的比例合理等优点。

一座好的焙烧炉首先考虑焙烧制品的工艺要求。达到要求的热工性能，主要考虑以下几个方面：

1、火道的高温热工稳定性；

2、炉面操作要方便；

3、火道的热转导性能；

4、箱体的上下温差要小；

5、炉子的保温性能要好；

6、异形砖要少，砖的采购方便；

7、烟气的流动要合理，烟道设计阻力小；

8、烟气流动性要好，即负压要好，且负压调节方便。

本项目技术改造之前焙烧用窑为4座6室环式炉。所谓6室环式炉，是一种间歇式的窑炉，烟在内部反复运动达到热传输的目的。

6室环式炉优点：结构比较简单，投资少，建设周期短，不用复杂的异形耐火砖，炉体尺寸可大可小，使用燃料焙烧具有较大灵活性，操作较易掌握，对制品的加热比较充分、均匀。一方面，火焰从喷火口出来在上行至窑顶的过程中，通过对流、辐射把热量传给烧制品，当火焰到达顶部时，又对顶部制品进行加热，然后折向下行，在下行时通过对流、辐射对制品进行一次全面充分的加热，使窑内形成一个四周温度很均匀的环境；另一个优点是适应性很强，因为是间歇式的，所以可以根据不同的制品

来调节焙烧时间。

6室环式炉缺点：单窑生产能力低，热效率低。火焰自窑顶下行后，即经烟道，烟囱排出，排出温度要很高，才能使下部产品烧成熟。此外，因为是间歇式的，余热利用困难，窑体本身积蓄的热损失很大，造成了能源上的浪费，并使烧制的成本上升，劳动强度加大。装窑、出窑均是工人在窑内操作，环境条件差。

6室环式炉主要由燃烧室、料箱、火道、大拱顶、炉底、烟道等组成。燃烧室设在炉两侧，燃烧室的大小和数量是根据6室环式炉的产能或燃料品种来决定的，料箱由火道、炉底组成，是装焙烧品的地方。大拱顶使料箱的上部形成一个封闭的空间，高温烟气在此进入火道。炉底是架空的，流经火道和炉底的烟气对料箱进行间接加热。完成热交换的废烟气经炉底烟道进入车间烟道，最后从烟囱排入大气，6室环式炉大多为自然排烟，在烟道上设烟道闸门以调节炉内压力燃烧室产生的高温烟气沿挡火墙围成的喷火口上升至窑顶，然后折回向下流经砖坯加热烧成。废气经窑底孔汇集于总烟道，由烟囱排至大气。这种装、出炉方式为人工作业，劳动强度大，劳动条件差，每次都要砌和拆端墙。

6室环式炉停火之后，为了减少制品在装运阶段的内外温差，不能立即打开炉门，应让其自然冷却。石墨在冷却80h（10个班）左右才出炉。空窑还要冷却16-24h，降温度至60℃以下，才能进行下一步操作。

6室环式炉的年运转次数n取决于运转周期，装炉密度取决于制品规格和装炉方式，成品率则与影响焙烧质量的多种因素有关。

目前普遍认为敞开式环式焙烧炉是比较理想的炉型。环式焙烧炉是由几条平行的垂直而且密闭的火道组成，两个火道之间构成一个料箱，用于装产品并进行生制品的热处理，通过加热使产品达到本工序要求的物理化学性能，为下一工序做准备。一般每室由多个料箱组成，每座环式焙烧炉由多个室组成，具体室数由投资和产量要素综合考虑。

环式焙烧炉由若干个结构相同的炉室呈双排布置，按移动的火焰系统运转，并对压型生制品进行焙烧热处理。组成环式焙烧炉的炉子各炉室之间既可连通，也可切断。生产时，把几个炉室串连起来组成一个火焰系统。对于火焰系统中的每一个炉室都依次经历烟气预热、焙烧和冷却阶段，然后进行预备作业。由上可见，环式焙烧炉火焰系统是连续作业，而单个炉室则是间断式周期性作业。

敞开式环式焙烧炉的燃料直接在密闭的火道内或横墙的上部通道燃烧。火道内设有折流墙，使燃烧生成的高温烟气在火道里迂回流动，并经横墙的上部通道流入串连的下一个炉室的火道，在这里再经过一次或两次折流，翻过横墙又进入第三个炉室的火道。烟气依次流经串连在一起的火焰系统中每一个炉室的火道，完成对料箱内的生制品的加热和焙烧后，温度已降至350℃

以下，最后经安装在横墙上的烟道排至环形烟道。炉后设有烟气净化系统，采用机械排烟。经过净化的烟气由烟囱排入大气。

高温炉室内生制品在达到焙烧工艺要求的温度后，就退出火焰系统，进入冷却系统，同时下一个装好生制品的炉室进入火焰系统进行焙烧处理，如此不断地循环运行。

本项目将6室环式炉改造为18室环式焙烧炉，18室环式焙烧炉具有环保、节能、产能高和投资比例合理等优点，故采用18室环式焙烧炉是合理的。

4.2.26室环式炉改造

本项目在技术改造前焙烧工序采用4座6室环式炉，年生产石墨5500吨，现有6室环式炉需要将焙烧原料人工搬运到6室环式炉内，且高纯石墨需要经过焙烧—浸渍—焙烧—浸渍—焙烧等工序，焙烧后还需要人工搬运出来，窑炉完全冷却后才能让人进入，故6室环式炉在焙烧阶段会散失大量的热量，导致6室环式炉的热效率低下。

通过调查发现，项目现有4座6室环式炉主要存在以下几个问题：

（1）6室环式炉只在周围使用了耐火砖，没有其他较好的保温措施，在焙烧时热量散失较为严重。

（2）窑炉的烟气流动长度较短，又没有使用烟气余热回用装置，导致烟气排放时温度很高，带走了大量的热量。根据本项目实际情况，未设置烟气余热回收装置的焙烧窑，在烟气排放时

温度高达800~1000℃，烟气带走的燃量高达总热量输入的40%。

（3）6室环式炉在装卸石墨材料时，需等窑炉完全冷却后，人工进入窑炉内装卸，也导致大量热量的散失。

本次节能技术改造主要针对6室环式炉，利用1座先进的18室环式焙烧炉代替原来的4座6室环式炉，并且配备5t行车吊装石墨，替代原来的人工搬运。

环式焙烧炉的特点如下：

(1)若干个炉室串连在一起运行，低温炉室用高温炉室的废烟气加热，排烟温度低，烟气的热量能够得到比较充分的利用。

(2)利用经过预热的空气助燃。高温炉室燃料的燃烧是靠负压抽进冷却炉室的热空气助燃的，负压愈大，抽进的热空气就愈多。利用冷却炉室中待冷却的焙烧成品预热空气可回收热量提高炉子的热利用率。

(3)环式焙烧炉按火焰系统运行，其特点是运行时炉室和制品不动，而燃烧装置按一定的火焰周期移动。虽然就整台炉子而言，生产是连续的，但对单个炉室则是从低温到高温，再到冷却，其温度场是变化的，对单个炉室的这种周期性间断作业的方式，炉温可由在火道和烟道内的高温烟气来加热，冷却时则由进入冷却区的冷空气带走热量，避免了6室环式炉等炉子冷却炉膛时热量的散失，有效提高了炉子的热效率。

(4)采用制品加填充料的装炉方式及间接的加热方式，这就造成制品加热滞后和温度不均匀的情况，并且与加热介质形成较大

的温差。同一时间，各个部位的制品的焙烧进程是极不一致的。实践中采取在焙烧温度下延长保温时间来缩小这种不一致，以减少制品在焙烧质量上的差异。

(5)在焙烧过程中制品要逸出挥发性气体。在一定的温度下和有充足的空气时，挥发分燃烧而释放出热量。这对炉子的热工过程有较大的影响，在炉子控制上要特别予以考虑。

(6)炉子热工过程控制的依据是焙烧温度曲线，合理的温度曲线的升温速度是两头快，中间慢。在保证制品加热安全的前提下尽量缩短加热时间。

本项目所选18室环式焙烧炉其优点主要体现在以下几个方面：

（1）采取了先进的窑炉控制系统，对焙烧曲线精确控制

在焙烧过程中，挥发物热量若能充分利用，可占总热量输入的15%-35%，严格控制好挥发物的逸出速度和燃烧位置将直接影响焙烧石墨的焙烧质量和热效率，合理控制焙烧曲线对提高环式焙烧炉的热效率有积极意义。本项目合理设计焙烧曲线，利过窑炉控制系统对焙烧温度、烟气排放温度（200-300℃）、烟气量。烟气压强等都能做到精确控制，有效提高焙烧炉的热效率。

（2）预防炉室内火道的空气渗漏，减少烟气带走的化学热

烟气带走的化学热占供入热量的20%以上，主要是出炉烟气中可燃成分没有完全燃烧造成的热损失，烟气中的可燃成分主要由CO、CH4、CmHn等可燃物，产生的原因是天然气燃烧不

充分和产品及填充料在低温加热过程中析出的挥发物。大量烟气没有经过高温炉室燃烧就直接进入烟道跑掉，充分利用焙烧炉烟气中的热量一直是焙烧炉节能方面的一种重要课题，预防炉室内火道的空气渗漏，增强对炉室内烟气的利用，可有效减少烟气带走的热能。本项目对窑炉的密封状态能够有效控制，有效减少烟气的渗漏，减少能量的损失。

（3）增强炉体保温，减少炉体散热

炉体散热占供入热量一部分，炉体散热主要由炉墙散热、炉底散热和其他散热等七个方面，炉墙散热和炉底散热为炉体散热的主要方面，采用导热率低的新型耐火材料砌筑炉体，是减少散热损失的有效措施。本项目选用炉内衬采用聚轻莫来石隔热砖；焙烧炉从内到外第二层为保温层，采用硅酸铝纤维保温棉；第三层为耐火砖，采用重质高铝耐火砖；第四层为表面，采用普通红砖；炉底采用500mm的钢筋混凝土基础，能有效降低炉体的散热量，提高环式焙烧炉的热效率。

本项目6室环式炉和18室环式焙烧炉的特点可进行对比如下：

表4-1 6室环式炉和环式焙烧炉对比表