熔塊窯爐使用發(fā)生爐煤氣和全電能污染物排放對比*

洪 流 李海倫 陳修成

(1 佛山市土壤和固體廢物污染防治技術(shù)服務(wù)中心 廣東 佛山 528000) (2 佛山市新之源污水處理有限公司 廣東 佛山 528000) (3 佛山市海特克玻陶技術(shù)有限公司 廣東 佛山 528031)

2020年1月，生態(tài)環(huán)境部在京召開2020年全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議，對2019年生態(tài)環(huán)境情況進(jìn)行總結(jié)，提出2020年工作思路是“抓重點(diǎn)、補(bǔ)短板、強(qiáng)弱項(xiàng)”，12項(xiàng)工作中包括“堅(jiān)決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)、著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)和扎實(shí)推進(jìn)凈土保衛(wèi)戰(zhàn)”。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的壓力下，企業(yè)和政府部門對環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系一直沒有得到平衡，重發(fā)展輕保護(hù)的現(xiàn)象依舊存在，2019年1～11月，全國粗鋼、乙烯、水泥、平板玻璃等產(chǎn)品產(chǎn)量同比分別增長7.0%、9.3%、6.1%、6.9%，重點(diǎn)區(qū)域高耗能行業(yè)增長勢頭更明顯，增加重點(diǎn)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善難度。

發(fā)生爐煤氣作為陶瓷行業(yè)的傳統(tǒng)燃料應(yīng)用極為廣泛，但受近年出臺(tái)的“煤改氣”及“限煤”等政策的沖擊，發(fā)生爐煤氣的應(yīng)用受到了極大的限制。2019年7月1日生態(tài)環(huán)境部等四部委發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案 》 (環(huán)大氣[2019]56號(hào))，文件中規(guī)定：原則上禁止新建燃料類的煤氣發(fā)生爐。

陶瓷行業(yè)長期粗放式發(fā)展，在帶來高效經(jīng)濟(jì)回報(bào)的同時(shí)也對環(huán)境造成了巨大污染，基于這個(gè)原因，近年來各地在出臺(tái)環(huán)境治理政策時(shí)都會(huì)將陶瓷行業(yè)列入重點(diǎn)控制范圍。隨著行業(yè)洗牌加劇，競爭更加白熱化，行業(yè)逐步進(jìn)入微利時(shí)代。熔塊是重要的陶瓷原料，在改善釉料特性、制造特殊裝飾效果方面不可缺少。熔塊加工需要很高的溫度，耗能是重要成本，所以整個(gè)行業(yè)一直在追隨廉價(jià)能源而遷移，從廣東佛山到山東淄博，到目前分散到全國各地。目前熔塊行業(yè)的遷移路線是選擇經(jīng)濟(jì)相對落后，環(huán)保治理要求和政策相對比較寬松，還允許使用發(fā)生爐煤氣的地區(qū)。

環(huán)保治理全國一盤棋是個(gè)大趨勢，發(fā)生爐煤氣由于其制造和使用過程中存在較多污染和安全隱患，逐步會(huì)受到關(guān)?；蛳拗?。熔塊生產(chǎn)可能的取代能源主要是天然氣或電能，由于加熱機(jī)理不同，使用電能的經(jīng)濟(jì)效益根據(jù)各地電價(jià)不同而有所差異，筆者僅從污染物排放方面進(jìn)行對比。

1 煤氣與電加熱熔塊窯爐加熱機(jī)理

1.1 煤氣燃燒機(jī)理

1.1.1 煤氣原理及燃?xì)獬煞?/p>

煤的工業(yè)成分分析項(xiàng)目一般有揮發(fā)分、固定碳、水分、灰分等，化學(xué)成分除碳、氫、氧、氮、硫以外，還根據(jù)產(chǎn)地不同, 含有極少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氫、氧是煤炭有機(jī)質(zhì)的主體，一般占95%以上。煤化程度越深，碳的含量越高，氫和氧的含量越低。碳和氫是煤炭燃燒過程中產(chǎn)生熱量的元素，氧是助燃元素。煤炭燃燒時(shí)，氮不產(chǎn)生熱量，在高溫下轉(zhuǎn)變成氮氧化合物和氨，以游離狀態(tài)析出。

硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫含量對質(zhì)量影響最大。高煤制氣的原理就是將煤炭中固定碳轉(zhuǎn)換成可燃的氣體,一般使用空氣在有水的狀態(tài)下進(jìn)行不完全氧化反應(yīng)。為了提高燃?xì)鉄嶂担灿胁扇「谎蹩諝獾姆绞?，不在此對比研究范圍?/p>

煤制氣是多個(gè)化學(xué)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的過程，主要化學(xué)反應(yīng)有：

表1 發(fā)生爐煤氣組成(體積分?jǐn)?shù))

1.1.2 熔塊使用煤氣熔融機(jī)理

使用燃?xì)馍a(chǎn)的熔塊窯爐是一般采用蓄熱式馬蹄焰池窯，從側(cè)面加料，生料在窯爐底部，燃料在窯爐空間燃燒，使得空間溫度上升，主要通過輻射和對流方式加熱使生料熔融成玻璃態(tài)。一氧化碳與氫氣在高溫下燃燒產(chǎn)生熱量，主要化學(xué)反應(yīng)有：

1.2 電加熱熔融機(jī)理

電加熱熔融采用的是內(nèi)部加熱的塔形冷頂窯爐，熔塊生料是各種粉末原料的混合物，在低溫下幾乎是絕緣體，隨著溫度的上升慢慢融化逐漸具備一些導(dǎo)電性能，高溫熔融下玻璃液狀態(tài)是一種良導(dǎo)體。在融化的熔體內(nèi)插入電極，利用電流的焦耳效應(yīng)內(nèi)部加熱，粉料由窯爐的上部加入，底部熔融完全后流出。由于生料不具備導(dǎo)電性，因此需要先利用其他能源把生料融化到一定程度，具備導(dǎo)電性以后才能通電，常見的是使用天然氣先進(jìn)行助熔。為了方便電極安裝合理位置，電爐常設(shè)計(jì)為多邊形，常見的為正六邊形。

圖1 燃?xì)飧G爐示意圖(上圖為俯視圖，下圖為側(cè)視圖)

2 煤制氣與電加熱熔塊窯爐加熱污染物排放對比

2.1 煤氣加熱污染物排放

2.1.1 煤制氣階段的污染物產(chǎn)生

煤制氣是一個(gè)固體燃料轉(zhuǎn)換成氣體燃料的過程，由于煤炭組成繁多，反應(yīng)過程復(fù)雜，在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)生成多種產(chǎn)物，這些產(chǎn)物主要有固、液、氣3種形態(tài)。固態(tài)主要是廢渣，液態(tài)是含酚污水、焦油等，氣態(tài)主要以煤氣形式輸出。

廢渣主要成分有硅、鋁、鈣、鎂等，且含有一些未完全反應(yīng)的碳，它可以用來加工透水磚等建材。煤焦油液態(tài)產(chǎn)物主要有含酚污水、焦油等。含酚污水來源是煤氣在凈化冷卻和輸送過程，有水冷凝析出，制氣過程中產(chǎn)生的酚類物質(zhì)溶解至這部分水中便形成了酚水，酚水成分復(fù)雜含有多種酚類物質(zhì)、還有油類和其他懸浮物，其中以苯酚含量最高。2017年世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單，苯酚在3類致癌物清單中，屬于“對人類致癌性可疑,尚無充分的人體或動(dòng)物數(shù)據(jù)”范圍，在進(jìn)行深入研究的同時(shí)，各國也對此進(jìn)行了嚴(yán)格管制。酚水的無害化處理是焚燒，目前陶瓷行業(yè)通常是將煤氣站篩出的粉煤加工成水煤漿作為燃料，酚水加入其中，在使用時(shí)同時(shí)燃燒。煤焦油約占煤的3%左右，因具有較高熱值常常被作為工業(yè)燃料使用。其中含有多種煤炭衍生物和微量成分也是重要的化工原料，用來提取重要化工產(chǎn)品，目前提取的主要產(chǎn)品有萘、酚及其同系物蒽、菲、咔唑等，廣泛應(yīng)用于合成纖維、工程塑料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、燃料中間體、炸藥、油漆、染料等領(lǐng)域?，F(xiàn)行有效的2016 年6月14日由原環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)、公安部發(fā)布的《國家危險(xiǎn)廢物名錄》和2019年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《國家危險(xiǎn)廢物名錄(修訂稿)》征求意見稿都將“煤氣生產(chǎn)過程中煤氣冷凝產(chǎn)生的煤焦油”列入其中。

圖2 電爐示意圖(上圖為側(cè)視圖、下圖為俯視圖)

煤氣發(fā)生爐在點(diǎn)火運(yùn)行期間和應(yīng)急停送氣時(shí)會(huì)有少量煤氣通過排放出去，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢氣還包括煤炭儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、篩分、加煤等過程中產(chǎn)生的粉塵污染。另外還有VOCs污染，主要來源有焦油池和酚水池散發(fā)的VOCs污染，其主要成分是揮發(fā)性的烴、烯、芳香烴類和苯、酚類等物質(zhì)；還有煤氣濕法脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的VOCs污染，主要是脫硫液再生過程中，混入脫硫液中的部分揮發(fā)性的芳香烴類和苯酚類、游離氨以及微量H2S等。

2.1.2 使用煤氣生產(chǎn)熔塊的污染

煤氣燃燒提供熔塊窯爐熱量，會(huì)產(chǎn)生大量CO2，由于煤氣組分中存在的其他有害成分還會(huì)產(chǎn)生其他污染物，其中主要是SO2。

熔塊生產(chǎn)大部分需要1 500 ℃的高溫，同時(shí)會(huì)排放較高濃度的NOx。

表2 不同含硫量煤氣化后煤氣中H2S含量以及燃燒后煙氣SO2含量(mg/m3)

表3 同一臺(tái)燃?xì)馊蹓K窯爐不同時(shí)間煙氣NOx監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2 電加熱污染物排放

電加熱窯爐由于沒有燃燒和高壓氣流，生產(chǎn)過程中無特殊污染物，生產(chǎn)時(shí)幾乎處于密封狀態(tài)，無煙氣無廢氣和粉塵產(chǎn)生。其主要污染物為產(chǎn)品熔制過程中產(chǎn)生的部分揮發(fā)性物質(zhì)，這些揮發(fā)物相對于燃?xì)猱a(chǎn)生量稍微少一些。作為能源消耗，排放是必不可少的，電加熱的污染物排放產(chǎn)生在發(fā)電環(huán)節(jié)。

2.3 煤制氣與電加熱熔塊窯爐加熱污染物排放對比

從前面對比可以看出，在熔塊生產(chǎn)上使用煤氣和用電在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的污染物排放差異巨大，使用煤氣會(huì)存在很多難以克服的污染治理問題。

1)酚水。很難處理，由于排放標(biāo)準(zhǔn)收嚴(yán)，越來越多的陶瓷廠在改用天然氣，水煤漿的消耗越來越少，酚水更加難以處理，按理自行焚燒也需要進(jìn)行環(huán)評。

2)煤焦油。被列入危險(xiǎn)廢棄物名錄，企業(yè)如果在環(huán)評報(bào)告中沒有報(bào)告使用煤焦油的工藝，無論自用還是出售都是非法的。

3)NOx。熔塊窯爐相對較小，很多地方并沒有強(qiáng)制脫硝，但是由于排放濃度太高，排放總量很可觀，很容易超量排放，在一些地方執(zhí)法中，嚴(yán)控總量可能會(huì)被迫停產(chǎn)。

4)脫硫污水及污泥。污泥因其雜質(zhì)太多，很難使用，已經(jīng)成為很難處理的固廢。而煤氣燃燒的這些問題在電爐上基本不存在，電爐只要配置合適的集塵設(shè)備就可以，收集粉塵還可以回收使用。

據(jù)報(bào)道，山東地區(qū)熔塊熔化費(fèi)較年前已每噸上漲150元左右，漲幅接近40%。造成熔化費(fèi)上漲的主要原因是，當(dāng)前在產(chǎn)的熔化爐數(shù)量較少，其中主要原因之一是山東省在今年繼續(xù)壓減焦化產(chǎn)能，從而導(dǎo)致部分焦化煤氣生產(chǎn)廠家關(guān)停，由此引發(fā)同一地區(qū)熔化爐因無燃料而停產(chǎn)。即使熔塊需求量下降，這些產(chǎn)能依然有部分需要補(bǔ)充，在目前大環(huán)境下，可供選擇的主要燃料有天然氣、煤氣和電力。除了前面對比的污染物排放差異以外，能耗方面電爐也有明顯優(yōu)勢。電加熱窯爐相對于煤制氣窯爐熱效率高，電熔爐熱交換在爐內(nèi)進(jìn)行，溫度最高的部位在電極附近，爐頂、池壁、爐底溫度較低，因而向周圍介質(zhì)散失的熱量極少，立足長遠(yuǎn)，電爐無疑是一個(gè)優(yōu)選。