淺談降低焙燒爐煙氣污染物排放的方法

王素生，蔣金龍,，鮮勇，鄒澤玉

（1.索通發(fā)展股份有限公司， 德州 251500 2.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 長沙 410082 3.成都工業(yè)學(xué)院 材料工程學(xué)院， 成都 611700）

0 前言

環(huán)境問題是關(guān)系到經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的大問題，保持人類耐以生存的自然和生態(tài)環(huán)境已經(jīng)引起世界各國的廣泛關(guān)注。NOX、SO2是主要大氣污染物之一，嚴(yán)重影響環(huán)境、威脅人們的生活健康[1]。保護大氣環(huán)境質(zhì)量，是目前及未來相當(dāng)長時間內(nèi)我國環(huán)境保護的重要課題之一。2017年中國鋁用陽極總產(chǎn)能約為2408萬噸，相比2016年的2208萬噸/年，增加約200萬噸。截止到2018年6月底，我國鋁用陽極產(chǎn)能為2507萬噸/年，預(yù)計下半年至少還有280萬噸/年左右的新增產(chǎn)能投產(chǎn)。隨著環(huán)保部《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》的發(fā)布，在各級政府強力的督導(dǎo)與推進下，“2+26”城市域內(nèi)鋁用碳素企業(yè)的環(huán)保意思高度增強。企業(yè)為符合排放標(biāo)準(zhǔn)要求，不惜重金對窯爐工藝控制及環(huán)保裝備進行改進升級。本文主要對焙燒煙氣成分進行分析，在生產(chǎn)過程中通過調(diào)控燃燒器相關(guān)技術(shù)參數(shù)和燃燒系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)等，使焙燒過程中產(chǎn)生的相關(guān)污染物在焙燒爐中得到有效的降低，在工業(yè)生產(chǎn)中取得良好效果。

1 焙燒爐煙氣中主要成分及污染物

通過對四臺38室敞開式焙燒爐煙氣成分分析，敞開式焙燒爐的煙氣主要成分是N2、O2、CO2、H2O及小部分污染物。污染物如：NOX、SO2、焦油、粉塵等。另本廠由于無殘極的使用，因此不考慮氟化物的分析處理。在焙燒爐揮發(fā)分控制過程中，揮發(fā)分燃燒充分，產(chǎn)生的焦油極少，采用電捕凈化系統(tǒng)能很好的收集瀝青煙。

1.1 氮氧化物

焙燒爐煙氣中氮氧化物的來源主要為火道高溫?zé)煔庵蠳2與O2發(fā)生反應(yīng)所產(chǎn)生，屬于熱力型NOX的形成[2]。

產(chǎn)生NO和NO2的兩個重要反應(yīng)：

上述反應(yīng)的化學(xué)平衡受溫度和反應(yīng)物化學(xué)組成的影響；平衡時NO濃度隨溫度升高迅速增加；平衡常數(shù)和平衡濃度[3]如圖：

圖1 平衡常數(shù)、平衡濃度Fig.1 Equilibrium constant equilibrium concentration

上述數(shù)據(jù)說明：室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉(zhuǎn)化為NO2；800K左右，NO與NO2生成量仍然很小，但NO生成量已經(jīng)超過NO2；常規(guī)燃燒溫度（＞1500K）下，有可觀的NO生成，但NO2量仍然很小[4]。

根據(jù)NOX產(chǎn)生機理，控制NOX形成的措施是設(shè)法建立富燃料的燃燒區(qū)域；設(shè)法降低局部高溫區(qū)的溫度；使燃燒區(qū)域的氧濃度適當(dāng)降低，如圖所示在氧濃度降低的同時，NOX隨之降低。

圖2 煙氣循環(huán)燃燒對降低NOx的影響[3]Fig.2 Effect of circulating combustion of flue gas on NOx reduction

1.2 二氧化硫

硫在焙燒爐的煙氣中是以SO2形態(tài)存在的。本廠燃料為天然氣，SO2主要來源于粘結(jié)劑瀝青中揮發(fā)分燃燒和填充料冶金焦料氧化燃燒。而生陽極中煅后焦熱處理溫度高于焙燒處理溫度，煅后焦脫硫率較低，可忽略不計。

冶金焦硫含量為0.6%～0.9%，作為填充料在焙燒爐平均消耗為填充料的消耗為23 kg/t-c，則填充料燃燒可產(chǎn)生SO2為：

1.3 粉塵

焙燒爐煙氣中煙塵的來源主要有：瀝青揮發(fā)分不完全燃燒產(chǎn)生的炭黑、填充料中細粉顆粒被氣流帶入火道的煙氣中產(chǎn)生、耐火材料粉塵等。

2 降低焙燒爐煙氣污染物排放的方法

通過煙氣污染物產(chǎn)生機理，結(jié)合焙燒爐控制進行針對性分析、整改優(yōu)化，通過改進達到降低污染物排放的目的。

2.1 降低氮氧化物排放的措施

通過焙燒爐煙氣控制中進行了以下調(diào)整，有效的控制了NOX的產(chǎn)生：

（1）調(diào)整每個燃燒系統(tǒng)三排燃燒架的天然氣用量分配，結(jié)合燃氣壓力及上下游噴氣功率的調(diào)整，對高溫爐室的空氣-燃料比(AF)進行調(diào)節(jié)，使其處于貧氧富燃的狀態(tài)。

（2）傳統(tǒng)的燃氣燃燒器主要以保證燃燒效率為目標(biāo)，對于污染物排放控制考慮欠缺。其由于火焰剛度不足和發(fā)散，使火焰噴入火道的深度不夠，造成火道內(nèi)溫度分布不均和局部溫度過高[5]。

通過引入新型燃燒器，調(diào)整燃燒器喉管與噴口直徑比（見下圖），控制火焰形狀使燃料與助燃空氣在爐內(nèi)混合更均勻，降低了燃燒過程中產(chǎn)生的局最高溫度，降低了NOX生成量。

圖3 燃燒器示意圖Fig.3 Schematic diagram of burner

（3）燃燒器放置孔使用石棉密封，減少空氣進入。對火道1孔、3孔燃燒器噴嘴位置的火道墻進行維修，避免火道變形阻擋火焰燃燒，造成局部高溫。

（4）調(diào)整鼓風(fēng)機位置和開度，使鼓風(fēng)機后置，延長自然冷卻爐室，適當(dāng)調(diào)整鼓風(fēng)機開度結(jié)合火道負壓使零壓控制在15pa以內(nèi)。這樣減少供氧量，達到降低NOX的產(chǎn)生[6]。

（5）利用脫硝設(shè)備進行控制，當(dāng)?shù)趸衔锍邥r，向高溫爐室內(nèi)噴入氨水，并適當(dāng)調(diào)節(jié)氨水壓力控制流量，使氮氧化合物數(shù)值控制在要求的范圍以內(nèi)。其機理是選擇性非催化還原法（SNCR），以尿素或氨基化合物作為還原劑脫出NOX的化學(xué)反應(yīng)[7]：

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)即選擇性非催化還原法,是一種經(jīng)濟實用的NOx脫除技術(shù)[8]。SNCR脫硝技術(shù)的原理是在合適的溫度區(qū)間噴入氨基還原劑，通過一系列的氣相基元反應(yīng)還原氣體中的NOX，溫度為850～1100℃與SNCR反應(yīng)的溫度窗口相匹配[8]。工作原理如圖1所示。

圖4 SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)工作原理圖Fig.4 Schematic diagram of SNCR flue gas denitration system

2.2 降低二氧化硫排放的措施

二氧化硫的治理辦法：

（1）對各火道建立檔案，對火道狀況進行分級。加強變形火道更換和維修。對火道和橫墻連接處，使用石棉和高溫耐火泥進行堵漏。

（2）降低總管負壓，使單火道負壓由260Pa控制在160pa之內(nèi)，實行低負壓運行。冷卻風(fēng)機后移，減少冷卻料箱中填充料氧化。

（3）對裝爐質(zhì)量嚴(yán)格要求，裝爐過程中填充料搗實?？刂聘采w料厚度，在焙燒過程中及時補充覆蓋料，避免填充料氧化燃燒。

（4）嚴(yán)格控制冶金焦進廠硫含量，從源頭進行控制。對裝爐填充料進行定期篩分，去除較大顆粒及粉塵。

（5）煙氣排出端，使用NID（New Integrated Desulfurization）進行干法脫硫。NID工藝是采用石灰（CaO）作為吸收劑，CaO在消化器中加水消化成Ca(OH)2,然后與一定量的循環(huán)灰相混合進入增濕器，在此加水增濕使混合灰的水分從2%增加到5%，然后含鈣循環(huán)灰以流化風(fēng)為動力借助煙道負壓進入反應(yīng)器，進行脫硫反應(yīng)。該技術(shù)脫硫效率高，脫硫效率可達90%以上。其主要反應(yīng)機理為：

圖5 NID技術(shù)工藝原理圖Fig.5 NID technology process schematic diagram

2.3 降低煙塵排放的措施

減少煙塵產(chǎn)生的措施同樣是圍繞改善爐體密封：爐室縫隙用石棉塞好，用塑料薄膜進行密封，排煙架軟連接用石棉被圍好，再用小薄膜密封。擋板用薄膜密封好。另一方面提高填充料質(zhì)量，按期篩分。

治理煙氣中煙塵方式很多，主要有焚燒法，吸附法及電捕集法。因電捕集法效率高，不受生產(chǎn)條件限制而被廣泛應(yīng)用到焙燒爐煙氣治理上[9]。電捕除塵示意圖如圖6：

圖6 電捕除塵示意圖Fig.6 Schematic diagram of electrostatic precipitator

加強電場的維護，跟蹤運行電流的變化情況，及時對電場極絲、絕緣子等進行更換。電捕系統(tǒng)的安全運行，對煙氣的除塵是至關(guān)重要的。

由于NID的技術(shù)應(yīng)用，在脫硫的同時，通過收塵布袋將煙氣中的煙塵收集起來，很大程度上解決了煙塵排放的問題。這樣在焙燒爐煙氣治理方面選取的環(huán)保設(shè)備技術(shù)可采取SNCR+NID，達到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

3 工業(yè)應(yīng)用效果

焙燒爐煙氣污染物控制排放的治理過程中，應(yīng)選擇合理的方法，全面綜合治理。要從焙燒爐的細節(jié)管理及設(shè)備的改進上，有針對性的實施治理。

在以上各污染物治理措施中，多次提到爐體密封，也是為了控制煙氣中O2含量。其中控制煙氣中O2含量也是降低污染物排放的關(guān)鍵之一。在NOX、SO2等污染物檢測時，根據(jù)《山東省工業(yè)爐窯大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定（見表2），實測值需經(jīng)過折算，這也是須嚴(yán)格控制O2含量的原因。實測的工業(yè)爐窯污染物濃度，必須按公式（1）折算為基準(zhǔn)氧含量排放濃度。各類工業(yè)爐窯的基準(zhǔn)氧含量按表5的規(guī)定執(zhí)行。

表2 基準(zhǔn)氧含量Table 2 Reference oxygen content

式中：

c ——大氣污染物基準(zhǔn)氧含排放濃度，mg/m3；

c′——實測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；

O2′——實測的氧含量，%；

O2——基準(zhǔn)氧含量，%。

經(jīng)過焙燒爐工藝控制的提高及環(huán)保設(shè)備改造升級，焙燒爐煙氣污染物得到有效的降低。通過對比可明顯看出降低幅度， 圖7 為環(huán)保設(shè)備改進前后煙塵含量的對比情況。

圖7 環(huán)保設(shè)備改進前后煙塵含量的對比Fig.7Comparison of smoke and dust content before and after improving environmental protection equipment

從圖7可以看出，通過對焙燒爐控制提高及環(huán)保設(shè)備的改造使用，排放口煙氣污染物排放值均得到有效降低，目前污染物排放控制水平已經(jīng)達到環(huán)保要求的特別排放限值。

4 結(jié)論

隨著環(huán)保要求日益加強，對煙氣污染物排放要求更為嚴(yán)格，因此，為了滿足將來的環(huán)保要求，減少大氣的污染物的排放并做到超低排放標(biāo)準(zhǔn)：

1、通過焙燒爐的維護與燃燒控制系統(tǒng)的改進，能大幅度降低NOX的產(chǎn)生，為后續(xù)的凈化設(shè)備減少壓力。

2、陽極焙燒爐采用SNCR脫硝技術(shù)脫硝率可達70%以上，滿足我國目前敞開式環(huán)式焙燒爐的煙氣脫硝處理[10]。并且SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)布置簡易、占地面積小，投資成本低、運行費用低，有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢[11]。

3、NID技術(shù)應(yīng)用，煙氣在反應(yīng)器中高速流動，整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運行可靠。裝置的負荷適應(yīng)性好。脫硫副產(chǎn)物為干態(tài)，系統(tǒng)無污水產(chǎn)生。終產(chǎn)物流動性好，適宜用氣力輸送。脫硫后煙氣不必再加熱，可直接排放。對所須吸收劑要求不高，可廣泛取得，循環(huán)灰的循環(huán)倍率可達30～150倍。脫硫效率高，脫硫效率可達90%以上。

4、將來投資和運行費用低、脫硫脫硝效率高、污染少、無二次污染的的煙氣凈化技術(shù)將成為技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。