碳素制品生产中能耗降低技术分析

作者简介：刘传军（1987.10-），男，民族：汉，学历：大专学历，研究方向：节能工程

摘要：为更快实现“双碳”目标，在导电材料、特殊结构材料、特殊功能材料等碳素制品的工业生产中，应贯彻可持续发展理念，以现有碳素制品生产工艺为基础，深入分析其中的能源消耗情况，围绕碳素制品生产工艺复杂、环境影响较大和环境污染问题等特点，可维护有序生产的前提下，通过优化生产设备、加强余热利用、改进能源系统等多种技术手段，降低碳素制品生产中的能耗，全面提升碳素制品生产中的清洁生产水平，实现增效、减污、节能、降耗的目的。

关键词：碳素制品；工业生产；能耗降低

引言：碳素制品作为现阶段工业生产的一种材料，以碳元素为主要成分，通过高温碳化、化学气相沉积、热解等工艺将其加工成各种碳素制品，因这些工业制品具有导电性强、耐腐蚀、耐高温等独特的化学与物理性质，故在航空航天、化工、机械、电子等领域得到广泛应用。而在可持续发展的战略指导下，应结合“双碳”目标，深入分析碳素制品生产中的节能技术，优化其制造工艺。

1 碳素制品生产中的能耗分析

碳素行业作为非金属制造行业的重要组成部分，根据生产工艺、结构特性、应用领域等，可将碳素制品分为炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨及其复合材料和生物炭与活性炭等其他碳素制品，虽然作为当前社会生产与经济发展中的一种基础材料，在航空航天、机械制造、新能源、冶金、化工等领域得到了广泛应用，但结合其工业生产内部来看，发现存在资源化水平低、碳排放量高、内部生产过剩等问题。特别是在其中能源消耗问题，主要包括产品自身综合能耗以及煅烧、焙烧、石墨化工序等碳素制品的生产主要工序的产品能耗。根据碳素制品生产能耗的产生可将其分为过程消耗与实物消耗。一般情况下，过程能耗占碳素制品综合能耗的20%～40%，原材料、碳制品和石墨制品等实物能耗则占碳素制品综合能耗的60%～80%。基于此，在推动碳素制品生产行业可持续发展的道路上，应以减少生产环节的物料损失作为实现节能降耗目标的关键，特别针对煅烧环节超过65%的燃料消耗，更要严格控制石油焦烧损。

2 碳素制品生产中的节能技术应用分析

2.1生产设备节能技术

以降低能耗作为优化碳素制品工业生产体系的核心目标，在分析其能耗降低技术期间，可围绕碳素制品生产过程中的设备能耗，引入高效节能窑炉、变频控制技术、余热回收装置等高效的节能减排设备，可将碳素企业的平均能耗降低超过20%。应用新型窑炉技术，可显著提升热效率，减少加热工序中所消耗的燃料量；应用变频控制技术可根据碳素制品生产的实际情况精确控制设备运行温度、湿度、转速、时间等参数，实现稳定的生产过程；应用余热回收装置，可回收利用碳素制品生产过程中产生的余热，以减少能源浪费，提升能源利用率。

某铝用碳素制品生产企业在关于降低能耗的节能生产设备应用实践中，围绕现有脱硫系统中以真空皮带机为主的脱硫石膏脱水装置，针对其在实际运行中滤饼脱水效果差、石膏脱水效果不好、脱硫工序浆液浓度偏高等问题，提出在脱硫系统中增加板框压滤机的设备优化措施，利用该设备高效的隔膜压榨功能，对经过静态过滤的隔膜压榨滤饼进行二次压榨，提升滤饼结构致密度，降低其含水率控制其含水率最高不超过15%。与此同时，改造后的脱硫系统在实际运行中，每年可减少0.93t/a的二氧化碳排放量，保证脱硫浆液浓度符合工艺要求[1]。

2.2生产余热利用技术

在工业窑炉中，以燃料作为主要能源，但这类能源在实际燃烧过程中，其热效率往往只有30%左右，不到总能耗的一半，超过40%的热量以高温烟气、高温产品、高温炉渣等形式散失。特别是在冶金领域的碳素制品生产中，仅有1/3燃料消耗量的余热可被利用，这种经过一次能源和可燃物料转化后的二次能源，如果得到有效利用则可满足后续工艺过程的热量需求，产生巨大的经济效益。基于此，在碳素制品生产的能耗降低技术中，可有效应用生产余热利用技术，实现对高位烟气余热、高温产品（包括中间产品）余热、高温炉渣余热、高温蒸汽余热、化学反应与残碳余热、可燃废气余热、冷却介质余热等能源的有效利用。

结合现阶段碳素制品生产工艺发展来看，当前相关领域的生产余热利用主要包括直接利用、间接利用、综合利用三种方式，将收集到的余热用于上下游相关工序或者生产流程本工序的物料、空气、燃料等预热处理，或利用碳素制品焙烧、石墨化等环节产生的温度达到200℃～1000℃的烟气，用于产生蒸汽、热媒、发电等领域。上述企业在生产余热利用方面针对现有余热锅炉内置省煤器煅烧余热利用效率低、设备检查维修成本和难度高的问题，提出用外置省煤器替换厂区原7t/h和15t/h蒸汽锅炉的内置省煤器，将其设置在带式除尘装置和烟气脱硝装置中间，在外置省煤器的作用下可将200℃左右的烟气降低至90℃左右后排放出去，提高烟气中氮氧化物处理效率，显著提高经济效益。

2.3优化能源管理系统

从全局角度出发，完善的能源控制与管理系统，可有效监控、控制、调整碳素制品的生产过程，并实现优化系统运行、预测能源平衡、诊断分析故障等功能，在实现能源降低中发挥着至关重要的作用。相关研究指出，集成MES和ERP系统、应用能源管理系统优化生产体系的企业，其能源利用效率的提升可超过10%～15%[2]。与此同时，在日常的能源管理工作实践中，还要从碳素制品的生产工艺出发，科学计算各类碳素制品成品与半成品所消耗能源的定额，具体包括压缩空气、原料、新水、电力、天然气煤气等燃料以及辅助材料等。尤其在成品能源消耗定额中，需将其消耗定额换算到万元产值的综合能耗、万元利税的综合能耗、单位成品综合能耗，分别计算各工序的动力和石墨化工艺的电力消耗。对比分析能源消耗等额与实际能源消耗台账的统计结果，及时找出碳素制品生产中能耗过高的问题，结合热效率测定、热平衡计算等方式找出能源消耗过高的根本原因，进而提出针对性的能源控制策略。

2.4改善原料预处理技术

结合碳素制品工业生产实践来看，大多以焦炭、炭黑、石墨等作为原材料，在制作过程中需先对原料进行破碎、筛分、配料、混合等预处理，确保原料成分、粒度等符合产品性能的要求，并在后续工艺中均匀分布。但考虑到各类原料在预处理环节产生的能源消耗，一方面，严格按照碳素制品生产的工艺要求，仔细检验原料的粒度、纯度、化学性质等，精选优质原料，以免因原料质量问题为后续生产带来不便。另一方面，引入先进的干燥、破碎、筛分技术，切实提升原料利用率，以此减少能源消耗与工业排放。比如，以性能可靠的原材料为基础，在预处理环节将传统热风干燥用微波干燥技术替代，可有效减少原材料干燥工序产生的能耗。

结论：综上所述，针对碳素制品生产中的环境风险，既要从专业层面出发，优化其生产工艺，还要明确碳素行业绿色转型的发展方向，贯彻可持续发展理念，在工业生产中通过优化原料预处理、改进生产设备、应用余热利用技术等多种措施，解决传统碳素制品生产中污染严重、能耗较高的问题，实现清洁生产的目标。

参考文献：

[1]张彩平，黄昱茹.基于"碳素流—价值流"二维分析的企业碳成本控制研究[J].南方经济，2023（2）：130-145.

[2]刘艳芳，赵锐.碳素行业清洁生产实例研究[J].科技资讯，2023，21（15）：138-141.