淺述炭素焙燒爐煙氣凈化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

摘 要 本文論述了炭素焙燒爐煙氣凈化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)炭素焙燒爐煙氣凈化技術(shù)走可持續(xù)發(fā)展的道路提供了一定的見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞 炭素焙燒爐 煙氣凈化技術(shù) 應(yīng)用 發(fā)展

一、引言

炭素焙燒爐排放的瀝青煙氣，因其中某些成分有致癌作用，日益受到人們的關(guān)注。隨著環(huán)境管理的深化和環(huán)保技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外瀝青煙氣的治理工作有了較大的進(jìn)展。由于炭素焙燒工藝的不斷改進(jìn)，焙燒周期逐漸縮短，以天然氣為燃料使用電磁脈沖控制系統(tǒng)的敞開(kāi)式焙燒爐，焙燒周期已從早期的216h縮短為150h～160h。新焙燒工藝下焙燒爐煙氣中大量的瀝青、飛灰炭及瀝青粉塵混合物在電捕器內(nèi)沉積后難以清理，成為電捕法治理焙燒爐的難題之一。

二、對(duì)炭素焙燒爐煙氣凈化技術(shù)應(yīng)用的分析與認(rèn)識(shí)

（一）凈化方案之間的選擇比較

凈化方案：

由于焙燒爐不同，產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模、廠區(qū)環(huán)境和地理氣象條件等諸因素的不同，煙氣的數(shù)量、溫度和成分差別很大。對(duì)于環(huán)式焙燒爐，分為密閉式和敞開(kāi)式兩種爐型。密閉式焙燒爐中，瀝青揮發(fā)通過(guò)填料到達(dá)爐蓋下部空間，然后被抽入煙道排出。其密閉性好，摻入空氣量少，氧氣含量低，不能燃燒，因此煙氣溫度低，瀝青煙含量高，粉塵含量低。敞開(kāi)式焙燒爐則不然，其大量空氣通過(guò)填充料層進(jìn)入煙道，氧氣充足可引起部分揮發(fā)分燃燒。此時(shí)輕質(zhì)烴大多燒除，而殘留的主要是重餾分。由此可見(jiàn)，其煙氣溫度高，粉塵濃度高，焦油含量低，焦油成分中輕餾分少。兩種爐型煙氣狀況見(jiàn)表1。

因而，合理選用凈化方案是設(shè)計(jì)者遇到的頭等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外采用的凈化方法有靜電捕集法、氧化鋁吸附凈化法、堿吸收濕法及焦粉吸附凈化法。焙燒爐煙氣成分因焙燒爐和工藝條件的不同而出現(xiàn)差異，使得各種凈化方法的使用各有利弊，即適用范圍和應(yīng)用廣度也不同。

第一，靜電捕集法。目前國(guó)際上密閉式焙燒爐煙氣治理以靜電捕集法為主（約占85%）。我國(guó)密閉爐煙氣凈化也基本采用此法，諸如吉林、上海、撫順、南通、成都炭素廠及貴州鋁廠陰極焙燒爐等。其主要凈化設(shè)備為電捕焦油器，有同心圓式電捕焦油器、普通臥式電捕焦油器和寬極距預(yù)荷電式電捕焦油器三種結(jié)構(gòu)形式。同心圓式電捕焦油器采用單電場(chǎng)，凈化效率不穩(wěn)定;普通臥式電捕焦油器凈化效率大于90%，比同心圓式電捕焦油器略有提高，運(yùn)行穩(wěn)定性有所提高。寬極距預(yù)荷電式電捕焦油器極距加寬到400mm～500mm，在電捕焦油器前增加了全蒸發(fā)冷卻塔。該塔是利用水的汽化潛熱使煙氣降溫，通過(guò)控制水霧化質(zhì)量、塔內(nèi)流場(chǎng)等影響速率的因素，使液滴運(yùn)動(dòng)到塔壁和塔底之前全部蒸發(fā)，塔內(nèi)壁無(wú)水滴，塔出口不帶水，出口溫度控制在80±5℃。煙氣降溫過(guò)程中，氣態(tài)焦油凝結(jié)成液滴，并使焦油滴粒徑增大，以利于電捕焦油器捕集。目前，吉林、撫順、貴州等鋁廠已采用此方法。其瀝青煙凈化效率可提高到98%，瀝青煙出口濃度低于20mg/Nm3。第二，焦粉吸附凈化法。該方法是采用生產(chǎn)原料焦粉作為吸附劑，以吸附煙氣中的瀝青煙，然后經(jīng)布袋除塵器實(shí)現(xiàn)氣固分離。其吸附瀝青焦油的凈化效率高，而且用過(guò)的吸附劑可返回生產(chǎn)系統(tǒng)使用。但其對(duì)鋁電解廠回用殘極的陽(yáng)極焙燒爐產(chǎn)生的氣氟的吸附能力差。

（二）凈化系統(tǒng)自動(dòng)控制的應(yīng)用

設(shè)計(jì)者側(cè)重于對(duì)電捕集器著火防爆以及管道著火的控制與報(bào)警。對(duì)決定著電捕集器入口參數(shù)的全霧化噴淋裝置內(nèi)而言，其諸參數(shù)結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)系統(tǒng)的影響還沒(méi)有給予重視。設(shè)計(jì)者大多還是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。噴水量、冷卻水溫度、煙氣量等對(duì)煙氣冷卻的影響，許多文獻(xiàn)大多只是提及或沒(méi)有提及，更沒(méi)有給予量化，因而造成系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差，控制不到位等情況的發(fā)生。其成為系統(tǒng)頻繁發(fā)生故障或著火燃爆的罪魁禍?zhǔn)?。同時(shí)，其也造成了系統(tǒng)能源和水資源的浪費(fèi)。

（三）炭素焙燒爐瀝青煙氣凈化系統(tǒng)可靠性研究

由于炭素電極作為重要的導(dǎo)體和還原劑，在生產(chǎn)制造過(guò)程排出的瀝青煙氣中含有大量的有害物質(zhì)和粉塵，易發(fā)生煙道著火、電捕集器燃爆，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生焙燒爐爆炸事故，因此其有必要對(duì)煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，得出炭素焙燒爐瀝青煙氣凈化系統(tǒng)可靠性差，危險(xiǎn)性大。其中，煙道、霧化噴淋和電捕集子系統(tǒng)為重要環(huán)節(jié)。而且其噴淋霧化子系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行影響最大。該系統(tǒng)既是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是最薄弱環(huán)節(jié)。

在對(duì)瀝青煙氣凈化系統(tǒng)作可靠性分析時(shí)，將“煙氣排放超標(biāo)T”這一事件作為系統(tǒng)的頂事件。其子事件有煙道著火A，霧化噴淋系統(tǒng)不能正常工作B，電捕集器故障C，排煙風(fēng)機(jī)故障D，焙燒爐故障E等。其采用下行法分別對(duì)子系統(tǒng)A、子系統(tǒng)B和子系統(tǒng)C的故障樹(shù)求取最小割集，得出系統(tǒng)T頂事件發(fā)生的最小割集共有27個(gè)。而且系統(tǒng)T的子系統(tǒng)A、B、C、D和E的重要度順序?yàn)椋?/p>

I27（B）>I27（C）>I27（A）>I27（D）=I27（E）

通過(guò)對(duì)瀝青煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，得出以下結(jié)論：

第一，系統(tǒng)T的故障樹(shù)與門(mén)少，或門(mén)多，最小割集共有28個(gè)，則頂事件（煙氣排放超標(biāo)）的發(fā)生就有27種可能。這表明該系統(tǒng)可靠性差，危險(xiǎn)性大。第二，子系統(tǒng)B的最小割集數(shù)量最多，達(dá)14個(gè)，說(shuō)明該系統(tǒng)不穩(wěn)定，是整個(gè)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。第三，電捕集器入口煙氣溫度的高低直接由噴淋系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行氣體調(diào)制過(guò)程控制，因此子系統(tǒng)C的底事件y2和y11是由子系統(tǒng)B引起的，子系統(tǒng)B在整個(gè)系統(tǒng)中的地位極其關(guān)鍵。第四，系統(tǒng)T頂事件的發(fā)生取決于子系統(tǒng)A、B、C的可靠性，其中子系統(tǒng)B對(duì)頂事件發(fā)生的影響最大，子系統(tǒng)C的影響次之，而子系統(tǒng)D和E對(duì)頂事件發(fā)生的影響較小。

分析結(jié)果與工程實(shí)際是一致的。

三、依靠技術(shù)進(jìn)步，以促進(jìn)炭素焙燒爐煙氣凈化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展

（一）稀相流化床法

稀相流化床技術(shù)包括三個(gè)基本環(huán)節(jié)：煙氣冷卻、吸附凈化、氣固分離。焙燒爐煙氣首先進(jìn)入冷卻塔，采用噴霧冷卻的方法使煙氣溫度下降，造成焦油冷凝，第二步將煙氣導(dǎo)入一個(gè)使之加速，形成湍流的裝置，并從此加入吸附劑，使氣固充分接融，冷凝焦油附著于吸附劑表面，完成煙氣凈化，最后含有吸附劑的氣流通過(guò)布袋除塵器、固體被阻留、分離、回收，干凈氣體經(jīng)煙囪排入大氣。

（二）濃相沸騰床法

美國(guó)鋁業(yè)公司煙氣凈化一直使用沸騰床技術(shù)。焙燒爐煙氣凈化不僅要除氟，同時(shí)還要除瀝青焦油和降溫。仿照A-398法（鋁電解煙氣干法凈化技術(shù)）試驗(yàn)時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)篩板堵塞，因而對(duì)沸騰床反應(yīng)器做了相應(yīng)的修改。新氧化鋁從一端以150kg/h～350kg/h的速率加入沸騰板的上部，從篩板底下鼓入新鮮空氣，使氧化鋁流態(tài)化，而煙氣從沸騰床的兩側(cè)進(jìn)入床層，使煙氣與氧化鋁密切接觸，煙氣中的氟、瀝青焦油和粉塵被捕集于氧化鋁之中，排氣經(jīng)設(shè)在反應(yīng)器上部的布袋濾塵器過(guò)濾后排空。新鮮空氣與煙氣量之比為1/5～1/8。煙氣冷卻降溫通過(guò)向沸騰床上噴水來(lái)實(shí)現(xiàn)，水量須嚴(yán)格控制，不能造成“濕床”。降溫可促使焦油冷凝提高吸附效率，并可保護(hù)濾袋不被燒壞，減少細(xì)粒氧化鋁飛揚(yáng)。

（三）濕法凈化

最近的“濕法”已非早期的水洗法可比。水洗法雖然設(shè)備簡(jiǎn)單，但除焦油效率低，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。干電捕可以除焦油，但對(duì)于敞開(kāi)爐又不甚適宜。濕法凈化一般均配濕式電收塵器，為凈化氟、硫等氣態(tài)污染物，尚需加一級(jí)洗滌吸收設(shè)備。以日輕為貴州鋁廠設(shè)計(jì)的陽(yáng)極焙燒爐煙氣凈化裝置為例，煙氣首先經(jīng)過(guò)沉降室，噴霧使之飽和，分離一部分粗粉塵，避免收塵器極板上形成干區(qū)，從而造成焦油和粉塵黏附。然后其進(jìn)入空心洗滌塔，塔高25.7m，上、下部直徑分別為3.8m和5.7m，空塔速度3.6m/s～2.0m/s，塔頂部布置28個(gè)噴嘴噴淋稀堿液，以吸收氟和硫化物。煙氣溫度降至70℃左右，再進(jìn)入雙室二電場(chǎng)濕式電收塵器，進(jìn)一步捕集焦油和粉塵后排空。洗滌液送至水處理場(chǎng)，投加氯化鈣使之產(chǎn)生氟化鈣、硫酸鈣沉淀，以此為晶核促使焦油和粉塵分離，再加PA-322凝聚劑加速絮凝沉降，經(jīng)濃縮、過(guò)濾分離泥渣。其排水中含氟25.1mg/l，焦油13.4mg/l，而且與廠內(nèi)其他廢水混合后可以符合排放標(biāo)準(zhǔn)。但其仍不免有二次污染之嫌。

（四）焦炭吸附法

焦炭吸附法又稱(chēng)“黑法”，即用生產(chǎn)炭素制品的原料炭粉作吸附劑，吸附焦油后可以用于配制生陽(yáng)極。炭粉的比表面積約8m2/g～10m2/g，對(duì)瀝青焦油有良好的吸附性。AI公司處理敞開(kāi)式焙燒爐煙氣的“黑法”流程是先向煙道中噴水冷卻煙氣，然后引入文氏管，并向其中加入炭粉，使二者充分接觸進(jìn)行吸附。當(dāng)新炭粉投入量為6g/m3～20g/m3，循環(huán)炭粉60g/m3～150g/m3時(shí)，凈化效率可達(dá)99%。若煙氣中含氟，需在后部再加一套洗滌裝置予以吸收。廢水用石灰中和后排放。法國(guó)彼施涅公司向青海鋁廠報(bào)價(jià)書(shū)中采用“黑、白法”，即煙氣經(jīng)炭粉吸附除焦油后，再加一段文氏管用氧化鋁吸氟。

（五）干電捕法

目前，國(guó)內(nèi)已有幾個(gè)工廠（上海炭素廠、吉林炭素廠、撫順?shù)X廠等）采用單電場(chǎng)立式同心圓電捕焦油器處理焙燒爐煙氣，回收瀝青焦油后排空。運(yùn)行電壓30kV～40kV，煙氣通過(guò)速度1m/s～1.8m/s。此法系由煤氣行業(yè)移植而來(lái)，流程最簡(jiǎn)單，焦油捕焦效率在90%左右，排氣含焦油濃度可低于50mg/m3。

四、結(jié)語(yǔ)

第一，充分利用自控手段提高凈化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，抓住系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，重要參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。第二，至今因?yàn)闉r青煙氣的復(fù)雜性，難于模擬以及炭素生產(chǎn)規(guī)模龐大，難于現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)，還沒(méi)有人專(zhuān)門(mén)對(duì)凈化系統(tǒng)各安全影響因素進(jìn)行定性定量研究，關(guān)于凈化系統(tǒng)的安全可靠性還沒(méi)做系統(tǒng)性考慮。第三，對(duì)于電捕集系統(tǒng)，由于電捕集器極易著火，大部分設(shè)計(jì)者仍將重點(diǎn)放在該裝置上，采取的措施多是在電捕集器上端增加淋水裝置，以及自動(dòng)切斷電源，改旁通煙道，直接將焙燒爐煙氣放于大氣。第四，加大故障發(fā)生源的研究。全霧化噴淋裝置在電捕集系統(tǒng)中起著重要的作用，對(duì)煙氣調(diào)質(zhì)效果的好壞，直接影響電捕集器捕集瀝青的效率，并且影響瀝青回收工作的順利完成。因此，研究者要將研究重點(diǎn)，改進(jìn)措施著眼在該冷卻裝置。第五，將冷卻塔的研究成果用于全霧化噴淋裝置內(nèi)換熱換質(zhì)過(guò)程的研究中，以有效控制煙氣處理溫度，達(dá)到節(jié)約水資源，降低廢水處理量的目的。

（作者單位為包頭鋁業(yè)有限公司）

[作者簡(jiǎn)介：郭?。?979—），男，工程師，主要從事鋁用炭素裝備的管理及技術(shù)研發(fā)的工作。]

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