摘要：以廢電解鋁陽(yáng)極碳為樣本，采用熱重和紅外聯(lián)用等方法，對(duì)陽(yáng)極碳的燃燒行為與污染物排放特性進(jìn)行研究，探討其作為燃料使用的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)極碳的著火溫度為550℃，燃盡溫度為927℃，綜合燃燒特性指數(shù)為2×10-11 %2·min-2·℃-3，其在燃燒過(guò)程中只有極少量SO2產(chǎn)生，沒(méi)有檢測(cè)到氮氧化合物和鹵族元素的產(chǎn)生；廢陽(yáng)極碳中碳含量高達(dá)95%，揮發(fā)分和固定碳含量在40%以上，低位熱值33831kJ/kg，是一種良好的燃料。

關(guān)鍵詞：廢陽(yáng)極碳；工業(yè)分析；熱重-紅外分析；燃燒特性

陽(yáng)極碳是以石油焦、陽(yáng)極顆粒和煤焦油瀝青混合物為原料，經(jīng)石油焦的煅燒、中碎、篩分、細(xì)碎，以及瀝青的熔化、配料、混捏、成型，再經(jīng)1100℃的高溫焙燒等工序加工制作而成，常用作預(yù)焙鋁電解槽的陽(yáng)極材料，起著導(dǎo)電與還原的雙重作用[1]。但在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)有一定的廢陽(yáng)極碳產(chǎn)生，不僅影響生產(chǎn)活動(dòng)的正常運(yùn)行，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，鋁電解產(chǎn)生的廢陽(yáng)極碳數(shù)量不斷增加，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了很大壓力。為了減少?gòu)U陽(yáng)極碳對(duì)環(huán)境的污染影響和實(shí)現(xiàn)工業(yè)資源的再利用，研究人員將廢陽(yáng)極碳視為富含碳質(zhì)的燃料，并利用相應(yīng)的技術(shù)或工藝，對(duì)其進(jìn)行高效合理的處置，提高其附加值[2]。如，陳喜平等[3]利用焙燒法使碳充分燃燒，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極碳中的碳反應(yīng)率最高達(dá)95.31%，殘留的燒渣為高純度電解質(zhì)。本研究旨在探明廢陽(yáng)極碳的燃燒與污染物排放特性，為其在工業(yè)生產(chǎn)中的資源再利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

廢陽(yáng)極碳材料來(lái)自某電解鋁廠，先使用小型粉碎機(jī)對(duì)其進(jìn)行粉碎，篩選出100～140目之間的廢陽(yáng)極碳，再對(duì)其進(jìn)行干燥后作為實(shí)驗(yàn)樣本。

研究采用元素分析、工業(yè)分析和熱重-紅外分析等方法，對(duì)廢陽(yáng)極碳的元素組成、熱值、燃燒行為和燃燒過(guò)程中的污染物釋放特性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其作為燃料使用的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 陽(yáng)極碳常規(guī)特性分析

2.1 元素分析

陽(yáng)極碳主要由C、N、O、S等元素組成，其中C的含量占比為95.410%，是陽(yáng)極碳的主要成分，N、S的含量占比分別為0.550%和2.444%；陽(yáng)極碳燃燒過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生少量的氮氧化合物和SO2污染物，同時(shí)陽(yáng)極碳中含有微量重金屬，可能會(huì)引發(fā)重金屬污染[4][5]。陽(yáng)極碳元素含量如表1所示。

2.2 工業(yè)分析

陽(yáng)極碳的水分和固定碳含量低，揮發(fā)分含量較高。對(duì)于燃料來(lái)說(shuō)，揮發(fā)分含量高意味著燃料的著火溫度降低，更易在較低的溫度下釋放揮發(fā)分并釋放熱量，加快了燃燒過(guò)程，有助于后續(xù)固定炭的燃燒。但陽(yáng)極碳的灰分含量高，不利于燃燒過(guò)程中揮發(fā)分與氧的充分接觸，使得燃盡階段滯后，燃盡溫度增高，且飛灰排放增加，因此需要設(shè)置除塵裝置。陽(yáng)極碳工業(yè)分析和熱值測(cè)定如表2所示，可知陽(yáng)極碳能夠作為一種高熱值的燃料使用。

2.3 熱重-紅外分析

采用TG-DTG法確定著火溫度Ti和燃盡溫度Tj。著火溫度對(duì)于反應(yīng)點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒有重要意義，但不能反應(yīng)燃燒的整個(gè)過(guò)程。因此，先用式（1）計(jì)算出樣本轉(zhuǎn)化率α，再用式（2）和式（3）計(jì)算出綜合燃燒特性指數(shù)S，以綜合反映樣本的著火和燃盡特性，S值越大，說(shuō)明燃燒特性越好。

式中 α——樣本轉(zhuǎn)化率，無(wú)量綱；m0——樣本初始質(zhì)量，mg；mt——樣本在t時(shí)刻的質(zhì)量，mg；m∞——樣本在反應(yīng)結(jié)束時(shí)的質(zhì)量，mg。

式中 vp——最大失重速率，%/min；vm——平均失重速率，%/min；Ti——著火溫度，℃；Tj——燃盡溫度，℃；S——燃燒特性指數(shù)，%2·min-2·℃-3；β——升溫速率，℃/min；αi——樣本著火時(shí)轉(zhuǎn)化率，%；αj——樣本燃盡時(shí)轉(zhuǎn)化率，%。

3 陽(yáng)極碳燃燒與污染物排放特性評(píng)價(jià)

3.1 陽(yáng)極碳熱解失重評(píng)價(jià)

在氮?dú)鈿夥障?，?0mg陽(yáng)極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測(cè)得的TG-DTG曲線如圖1所示，可以看出，陽(yáng)極碳的熱解過(guò)程分為2個(gè)階段。

3.1.1 脫水階段

第1階段為脫水階段，樣本在這個(gè)階段的反應(yīng)主要為發(fā)生物理變化并失去水分，質(zhì)量損失率受含水率影響較大。由于陽(yáng)極碳的含水率較低，因此其在這個(gè)階段的質(zhì)量損失較小，TG-DTG曲線有明顯的峰值變化，當(dāng)TG-DTG曲線基本不變時(shí)，代表這個(gè)階段反應(yīng)結(jié)束。

3.1.2 主要熱解階段

第2階段為主要熱解階段，陽(yáng)極碳在這個(gè)階段的TG曲線有明顯下降趨勢(shì)，表明其質(zhì)量損失增大。氮?dú)鈿夥障拢?dāng)溫度低于800℃時(shí)，陽(yáng)極碳的重量基本沒(méi)有變化；800℃時(shí)，陽(yáng)極碳開始熱解并開始失重；最大失重發(fā)生在溫度930℃左右，此時(shí)DTG曲線有明顯的肩狀峰，最大失重速率為0.0123%/min。在第2階段，樣本于缺氧條件下受熱分解，各種揮發(fā)物隨著溫度的不斷升高而相應(yīng)析出，產(chǎn)生大部分的質(zhì)量損失。

熱解過(guò)程一般分為3個(gè)階段，第3階段即碳化階段的TG-DTG曲線變化幅度減小，質(zhì)量變化較小，失重速率逐漸趨近于零，這個(gè)階段通常被認(rèn)為是由C-C健和C-H健的進(jìn)一步裂解造成的[6]，熱解對(duì)象反應(yīng)十分緩慢，最終變成碳化物，無(wú)法進(jìn)一步熱解。而陽(yáng)極碳在1000℃時(shí)還在繼續(xù)反應(yīng)，仍處于第2階段中。

3.2 陽(yáng)極碳燃燒失重評(píng)價(jià)

在空氣氣氛下，將20mg陽(yáng)極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測(cè)得的TG-DTG曲線如圖2a所示?？梢钥闯觯?0mg陽(yáng)極碳在空氣氣氛的燃燒TG曲線與氮?dú)鈿夥盏臒峤釺G曲線形狀及走勢(shì)基本相似。第1階段為預(yù)熱與干燥階段，樣本吸收燃燒過(guò)程中釋放的熱量并蒸發(fā)水分，由于著火時(shí)為非均相著火，揮發(fā)分和焦炭同時(shí)燃燒，因此僅在600℃時(shí)出現(xiàn)了1個(gè)明顯峰。第2階段為揮發(fā)分和固定炭燃燒階段，是陽(yáng)極碳燃燒失重的主要階段，DTG曲線在這個(gè)階段的下降趨勢(shì)有明顯變化，并出現(xiàn)了明顯的峰值。另外，陽(yáng)極碳在升溫初期出現(xiàn)了少量的表觀增重現(xiàn)象，原因主要在于其對(duì)氧的物理和化學(xué)吸附作用[7]。由于實(shí)驗(yàn)至1000℃時(shí)，反應(yīng)仍處在焦炭的燃燒階段，未達(dá)到燃盡階段，分析可能是樣本量較大的緣故，因此適當(dāng)減少樣本量，再作進(jìn)一步測(cè)試。

在空氣氣氛下，將8mg陽(yáng)極碳樣本以20℃/min的加熱速率從30℃升溫至1000℃，測(cè)得的TG-DTG曲線如圖2b所示?？梢钥闯?，燃燒反應(yīng)分為3個(gè)階段，即預(yù)熱與干燥階段、揮發(fā)分和固定炭燃燒階段、燃盡階段。8mg陽(yáng)極碳樣本在空氣氣氛的著火溫度為550℃，最大失重溫度點(diǎn)在660℃，這個(gè)結(jié)果與20mg樣本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的著火溫度和最大失重溫度相同。但在927℃時(shí)，8mg陽(yáng)極碳樣本已燃盡，整個(gè)燃燒過(guò)程不斷產(chǎn)生灰分，樣本中的可燃物質(zhì)已反應(yīng)完全，TG曲線呈現(xiàn)出逐漸平穩(wěn)的狀態(tài)。

由TG-DTG切線法確定陽(yáng)極碳著火溫度為550℃，最大失重溫度為660℃，燃盡溫度為927℃；將此數(shù)據(jù)代入式（2）和式（3）可得綜合燃燒特性指數(shù)，如表3所示。

3.3 燃燒-紅外光譜評(píng)價(jià)

空氣氣氛下，在對(duì)陽(yáng)極碳進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，主要檢測(cè)其產(chǎn)生的氣體成分，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯?00～4000cm-1波數(shù)段，陽(yáng)極碳燃燒主要產(chǎn)生的是CO2和少量CO，在780～1100cm-1波數(shù)段，檢測(cè)到了極少的SO2；峰狀趨勢(shì)開始于溫度550℃左右，當(dāng)660℃時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)燃燒最快，這個(gè)結(jié)果與上述熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)；沒(méi)有檢測(cè)到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

4 結(jié)論

經(jīng)特性分析可知，陽(yáng)極碳主要由C、N、O、S等元素組成，其中C含量95.410%，為陽(yáng)極碳的主要組成部分；陽(yáng)極碳燃燒過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生少量氮氧化合物和SO2污染物，且陽(yáng)極碳中含有微量的重金屬，有可能引發(fā)重金屬污染；陽(yáng)極碳中揮發(fā)分和固定碳含量在40%以上，低位熱值為33831kJ/kg，是一種良好的燃料，但較高的灰分含量會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生不利影響。

經(jīng)熱重分析可知，陽(yáng)極碳的著火溫度為550℃，燃盡溫度為927℃，綜合燃燒特性指數(shù)為2×10-11 %2·min-2·℃-3。

經(jīng)紅外光譜分析可知，陽(yáng)極碳燃燒過(guò)程中釋放的產(chǎn)物主要為CO2，另有少量的CO和極少的SO2，沒(méi)有檢測(cè)到鹵族元素和氮氧化合物的存在。

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作者簡(jiǎn)介

孫偉（1982—），男，漢族，山東臨沂人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-08