炭素厂设计(engineering design of carbon plant)

以炭质材料(如石油焦、无烟煤和冶金焦等)为原料，以煤沥青作粘结剂，经过煅烧、配料、混捏、成型、焙烧和石墨化等热处理和加工过程，生产各种炭素制品的工厂设计。主要设计范围包括：炭素厂煅烧车间设计、炭素厂配料、混捏车间设计、炭素厂成型车间设计、炭素厂焙烧(包括浸渍)车间设计、炭素厂石墨化车间设计和炭素厂加工车间设计。

炭素制品分石墨制品、焙烧制品和糊制品三类。只生产阳极糊或阳极炭块的工厂(车间)设计，参见铝电解厂阳极车间设计。炭素厂设计内容主要包括：设计规模与产品方案、原料与生产方法、主要设备、车间组成与工厂布置、主要技术经济指标。

简史   炭素工业随着冶金、化工和航天等工业而发展，世界第一家炭素公司，1886年创始于美国。中国的炭素工业建立于20世纪50年代初期，1956年第一个炭素厂一吉林炭素厂建成投产，以后，又陆续设计建成了上海炭素厂、兰州炭素厂、南通炭素厂等大、中型炭素厂和数十家地方小型炭素厂。至90年代末最大炭素厂的综合能力(包括石墨制品、焙烧制品和糊制品)，年产达8～10万t。产品品种，除已能满足冶金、化学工业的需要，还为航天和核工业部门提供高纯石墨、核石墨、特种石墨、碳纤维、碳一碳复合材料等新型炭素制品和材料。

设计规模与产品方案   炭素厂的设计规模，应按照国内外市场需求，根据炭素工艺流程长、品种多的特征，考虑工厂的经济合理规模。经济合理规模与产品方案有关，在相同规模的条件下，增加石墨制品和焙烧制品的比例，减少糊制品的产量，对提高工厂的经济效益有利。以生产石墨制品为主的工厂，规模一般不小于5000t/a，以25000～30000t/a较为合理。

炭素厂的产品繁多，通常分糊制品、焙烧制品和石墨制品三类。糊制品中最通常的有铝电解用阳极糊和矿热炉用电极糊；焙烧制品有铝电解槽用阳极炭块、底部炭块和侧部炭块以及炼铁高炉用炭块等电炉炭块；石墨制品用量最大的是电炉炼钢用石墨电极，其次是冶金、化工用石墨阳极。工厂的产品方案要根据市场要求而定。

原料与生产方法   三类炭素制品均以炭质材料为原料，以煤沥青作粘结剂，经多次高温热处理而成。炭质材料分多灰分材料和少灰分材料两种。多灰分材料有无烟煤和冶金焦等，少灰分材料有石油焦、沥青焦等，根据炭素制品对材料性质的要求而选用。

糊制品和焙烧制品，根据制品特性，选用少灰分材料或多灰分材料；作电解阳极用的原料需用少灰分材料，例如阳极糊和阳极炭块，需用石油焦作原料；作矿热炉的电极和各种炉窑内衬用的制品，多采用多灰分材料，例如电极糊、高炉炭块以及铝电解槽的底部炭块和侧部炭块，均可用冶金焦、无烟煤等多灰分材料作原料。但石墨制品必须采用少灰分材料作原料，普通石墨电极和石墨阳极以石油焦为原料，高功率和超高功率石墨电极则需优质石油焦和针状石油焦作原料。

三类炭素制品的生产方法不同，但均以糊制品的生产方法和工艺流程为基础，焙烧制品的工艺流程是糊制品工艺的进一步延伸。石墨制品的工艺流程又是焙烧制品的进一步扩展。因此石墨制品的工艺流程最长，焙烧制品次之，糊制品最短。各类炭素制品中的各种产品，工艺流程基本相同，原料则不相同。

炭质材料均需经高温(1250～2000℃)煅烧，然后破碎、筛分、配料、加粘结剂(煤沥青)，在加热条件下进行混捏，便成为均质的炭糊，经铸型后为糊制品。炭糊如压制成一定形状的生制品，再经1250℃左右的高温焙烧(第一次焙烧)，成为焙烧品，加工后为焙烧制品。有的焙烧品尚须用电加热进行高温(2500℃以上)石墨化；有的焙烧品还要用沥青浸渍，进行第二次焙烧后，再通电高温石墨化。采取何种工艺流程，根据石墨制品的质量要求而定(见炭素厂焙烧车间设计)。焙烧品经石墨化后，再用机械加工成各种规格的石墨制品。三类炭素制品的工艺流程见图。

主要设备   有煅烧、混捏、成型、焙烧、石墨化和机械加工等设备，其数量和技术性能应根据工厂规模、产品方案、原料性质和物料流量而选定。

(1)煅烧与混捏设备。煅烧设备主要有罐式煅烧炉、回转窑、电气煅烧炉和回转床等。混捏设备有混捏锅和连续混捏机。这两种设备的能力应满足全厂三类制品全部产量的要求；煅烧设备的性能应适应原料的特性。

(2)成型与焙烧设备。成型设备有模压机、挤压机和振动成型机；焙烧设备有环式焙烧炉、隧道窑、车底炉和回转床焙烧炉等。这两类设备的能力应满足全厂758焙烧制品和石墨制品的产量要求，成型设备的性能尚须适应石墨制品和焙烧制品规格的要求。

(3)石墨化与机械加工设备。石墨化设备有艾奇逊(Acheson)炉和纵向石墨化炉，其能力和技术特性完全取决于石墨制品的规格和数量；机械加工设备有各类机床和联合加工机床等，其能力和技术特性应满足焙烧制品和石墨制品的产量和规格的需要。

与主要生产设备相配合的辅助生产设备有加料、排料和运输设备以及炉料的冷却设备等。

车间组成与工厂布置   炭素厂生产车间一般由原料车间(包括沥青熔化)、煅烧车间、配料混捏车间、成型车间、焙烧车间(包括一次焙烧、二次焙烧、浸渍和填充料加工)、石墨化车间(包括电阻料、保温料加工)和加工车间组成。

根据炭素厂产品品种多、工艺流程长、生产过程高温、粉尘多等特点，设计时应注意下列几点：(1)生产车间尽量集中，顺流程配置，避免物料逆流，缩短运输距离，减少物料运输的平面交叉。例如配料、混捏车间和成型车间尽量设在一个建筑物内，一次焙烧和二次焙烧统一设在一个区域或一个厂房内，成品库可与机械加工联合设置在一个车间内。(2)煅烧车间应配置在原料车问附近。(3)煅烧、焙烧、石墨化等高温车间，应设置通风、降温设施和消防安全设施。(4)配料、混捏、加工等粉尘较多的车间，设计时要设置通风除尘装置，防止粉尘飞扬而污染环境。(5)对沥青熔化、混捏、焙烧、浸渍过程逸出的沥青烟，首先尽量在生产过程中加以利用，然后再集中进行净化处理。

主要技术经济指标   炭素厂有三大类产品，而每类产品又有多种品种，现以石墨电极、铝用炭块和电极糊为例，列出消耗指标(见表)。

发展方向   多品种、高质量是炭素工业发展的总趋势。为适应电炉炼钢工业的发展，中国的炭素工业缩减普通石墨石极产量，增加大直径的高功率和超高功率石墨电极的产量。煅烧工艺采用高效节能的回转床，采用现代化的隧道窑和车底炉进行一次焙烧和二次焙烧，提高高压浸渍的工艺技术，采用纵向石墨化的新工艺，是提高炭素工业水平的主要方向。