炭素工業(yè)焙燒爐煙氣污染治理技術(shù)的研究和應(yīng)用

張 銳，豐慶國(guó)，董守東，萬(wàn)加兵（鹽城蘭豐環(huán)境工程科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)中，火電、冶金、化工和建材等行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，都有大量含有粉塵的煙氣排放，石墨電極是炭素行業(yè)的主要產(chǎn)品，焙燒爐是其主要的污染來(lái)源，炭素行業(yè)作為粘接劑的瀝青煙氣治理，一直是業(yè)內(nèi)大氣環(huán)境治理的大難題，也是嚴(yán)重制約行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的主要因素。蘭豐環(huán)境作為水泥行業(yè)的著名環(huán)保企業(yè)，也是專業(yè)從事煙氣粉塵系統(tǒng)治理的國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，利用其國(guó)家863超潔凈排放項(xiàng)目的實(shí)施單位和國(guó)家煙氣冶理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室骨干成員單位的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在焙燒爐煙氣冶理技術(shù)的研究和應(yīng)用上，針對(duì)碳素焙燒的煙氣特性，研究開發(fā)了炭素焙燒煙氣多污染物深度凈化的超低排放技術(shù)，生產(chǎn)出集脫硫、脫硝、除塵一體化的新一代除塵設(shè)備和功能材料，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)第一套炭素行業(yè)焙燒爐煙氣多污染物的深度凈化和超低排放。

1 煙氣特性及煙氣治理的技術(shù)途徑

炭素焙燒產(chǎn)生的煙氣具備以如下特性：

（1）煙氣中的瀝青焦油較多。瀝青焦油煙氣成分復(fù)雜，含有數(shù)百種物質(zhì)，其中酣類、蒽荼類、并芘等多環(huán)芳烴類物質(zhì)對(duì)人類和動(dòng)植物都有危害性，特別是苯并芘屬于強(qiáng)致癌物質(zhì)，應(yīng)予特別的關(guān)注。

（2）煙氣中的SO2含量較低，最高只有700 mg/m2； 煙氣中的NOx含量一般，通常在500mg/m2 左右。

（3）出口煙氣溫度較低，正常在90～120℃，經(jīng)過(guò)電捕焦后只有70～90℃。

（4）煙氣中粉塵含量也不高，主要由一級(jí)電捕焦器收集。

針對(duì)焙燒爐的煙氣特性，我們?cè)诓扇×艘韵氯N措施：

（1）采用三層噴淋層，嚴(yán)格控制每層間距2m，確保每層的覆蓋率在250%以上。

（2）采取兩層增效環(huán)，防止局部煙氣塔壁短路現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 雙層增效環(huán)

（3）針對(duì)焙燒爐煙氣成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高的特性，為滿足高標(biāo)準(zhǔn)的除塵要求，研究認(rèn)為氣速小于1.8m/s的狀態(tài)下，收塵效率更佳。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)炭素焙燒的工藝特性和煙氣多污染物深度凈化、超低排放的技術(shù)要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分級(jí)凈化、多級(jí)聯(lián)動(dòng)、協(xié)同治理的核心技術(shù)，用SNCR脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低濃度NOx的一級(jí)有效脫除；通過(guò)新型多功能高容炭基吸附材料高效去除煙氣中的瀝青煙和苯并芘（一級(jí)），兼顧SO2（一級(jí)）、NOx（二級(jí)）的共吸附脫除；采用新型深度袋式除塵技術(shù)高效去除煙塵（一級(jí)），吸附工藝與袋式除塵的有機(jī)耦合（噴射炭基脫硝材料），實(shí)現(xiàn)有機(jī)物、重金屬等多污染物的二級(jí)脫除以及三級(jí)高效脫硝；通過(guò)雙區(qū)托盤脫硫技術(shù)，配套多孔托盤、高效除霧噴淋裝置，實(shí)現(xiàn)硫塵霧（二級(jí)）的高效凈化；末端采用高效濕法電除塵進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煙氣中微細(xì)顆粒物PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、重金屬和有機(jī)污染物的深度凈化（三級(jí)）。

2.1 脫硫系統(tǒng)

采用鈣法脫硫工藝，流程如圖2所示。脫硫劑：采用200目～320目石灰粉或石灰石粉；鈣硫比：1.01～1.03；SO 脫除率≥99% 。

圖2 脫硫工藝流程圖

系統(tǒng)采用專利的脫硫增效技術(shù)，能夠有效地降低液/氣比，有利于塔內(nèi)氣流均勻，提升脫硫效率15%。采用深度濕法脫硫除塵一體化技術(shù)，通過(guò)高效除霧器、高效節(jié)能噴淋裝置和多孔托盤裝置提高脫硫除塵效率（見圖3）。

圖3 脫硫除塵一體化技術(shù)

除霧器采用一層管式加三層屋脊的獨(dú)特設(shè)計(jì)，葉片間距從30mm到25mm，葉片傾角37°，確保全塔無(wú)除霧死角，可達(dá)到極限霧滴去除顆粒尺寸170μm。優(yōu)化的噴淋布置方式，采用多種噴嘴組合，在提升自身霧化效果的同時(shí)提高二次碰撞的效果；為避免氣液短路，專門設(shè)計(jì)了防壁流裝置。采用多孔持液托盤技術(shù)，通過(guò)旋流撞擊托盤，保證氣流通暢、均勻。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)上，在系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)采用數(shù)值模擬分析（見圖4），提升凈化效率。

圖4 系統(tǒng)模擬分析圖

2.2 脫硝系統(tǒng)

采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，通過(guò)爐內(nèi)噴入脫硝還原劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，在無(wú)催化劑的環(huán)境下，還原劑優(yōu)先與NOx進(jìn)行反應(yīng)，生成無(wú)害、無(wú)污染的氮?dú)夂退煌ǔＴ诒ＷC還原劑合理的運(yùn)行成本條件下，氨的逃逸量不超過(guò)10×10-6的前提下，達(dá)到60%左右的脫硝效率。脫硝裝置的采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)（見圖5），具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）深度凈化技術(shù)：采用先進(jìn)壓力控制系統(tǒng)有效提高還原劑的噴射力度、增強(qiáng)煙氣滲透能力。

（2）采用技術(shù)先進(jìn)噴槍，能夠改善噴射角度和霧化粒徑尺寸，讓噴入的還原劑在煙氣中分布更均勻，混合更充分。

（3）采用流場(chǎng)模擬技術(shù)，能夠有效選擇可持續(xù)維持恰當(dāng)反應(yīng)溫度范圍和足夠反應(yīng)停留時(shí)間的噴槍安裝位置。

（4）運(yùn)行穩(wěn)定技術(shù)：還原劑采用多級(jí)噴射技術(shù)，可有效地提高SNCR脫硝效率；通過(guò)提高自動(dòng)化控制系統(tǒng)響應(yīng)特性，以適應(yīng)負(fù)荷的不斷變化。

圖5 脫硝設(shè)備

2.3 濕法電除塵器系統(tǒng)

濕法電除塵器主要用于燃煤鍋爐脫硫后的粉塵深度處理，排放可達(dá)5mg/m3，甚至更低，達(dá)到近零排放的要求。被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、炭素等行業(yè)濕煙氣深度凈化、超低排放。作為用于處理含微量粉塵和微顆粒的除塵設(shè)備，濕法電除塵器主要用來(lái)除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、PM2.5等有害物質(zhì)，是治理大氣粉塵污染的理想設(shè)備。

濕法電除塵器的除塵原理與干式電除塵器基本相同，主要有荷電、收集和清灰三個(gè)階段，含塵氣體通過(guò)進(jìn)口經(jīng)氣流分布板進(jìn)入電場(chǎng)，同時(shí)噴嘴將霧化后的水霧噴入電場(chǎng)中的氣流中，水霧與粉塵碰撞凝聚成較粗的顆粒，粉塵與水滴在電荷的作用下被集塵板捕集，收集灰塵形成連續(xù)向下流動(dòng)的一層水膜，剩余煙氣經(jīng)煙囪排向大氣（見圖6）。

圖6 濕法電除塵器的除塵原理

濕法電除塵器的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 濕法電除塵器的結(jié)構(gòu)

我們?cè)谘邪l(fā)高效濕法電除塵器時(shí)，結(jié)合用戶需求，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化、創(chuàng)新，形成如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）可靠的固定裝置：采用重錘+整體固定框架+張緊絕緣箱的可靠固定措施，避免陰極線因高氣速氣流的沖擊而出現(xiàn)晃動(dòng)，確保除霧效率。

（2）高效的電暈極線：采用高效極線（鈦合金、2205、鉛銻合金），具有放電點(diǎn)多、效率高、起暈電壓低、耐腐性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）先進(jìn)霧化凝并技術(shù)：采用連續(xù)噴淋霧化水，通過(guò)其傳質(zhì)、碰撞、凝并作用，促使霧滴增大，保證霧滴和氣溶膠的高效去除。

（4）特殊蜂窩式導(dǎo)電管束：管束內(nèi)壁表面進(jìn)行特殊親水性處理，保證內(nèi)壁在工況下形成連續(xù)的液相膜，除霧效率高，清灰效果好。

（5）先進(jìn)絕緣保護(hù)系統(tǒng)：絕緣箱采用熱風(fēng)正壓保護(hù)裝置，絕緣性能更為可靠，避免“污閃”現(xiàn)象。

（6）智能的人機(jī)控制系統(tǒng)：采用DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理。滿足企業(yè)的高柔性、高效益的發(fā)展要求。

3 工程應(yīng)用效果

部分工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際見圖8。

圖8 工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)實(shí)際的工程應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)（見表1），采用本工藝技術(shù)進(jìn)行煙氣治理的項(xiàng)目，均獲得了較好的凈化效果，達(dá)到了煙氣超低排放的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)持續(xù)的技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，我們生產(chǎn)出國(guó)內(nèi)第一套炭素行業(yè)焙燒爐煙氣脫硫、脫硝和濕法電除塵系統(tǒng)裝置，用于工程項(xiàng)目，取得了良好的凈化效果，實(shí)現(xiàn)了炭素工業(yè)焙燒爐煙氣的超低排放。

（2）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)焙燒煙氣的超低排放技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)一級(jí)脫硝、二級(jí)脫硫、三級(jí)除塵、四級(jí)脫硝、三級(jí)脫碳及其有機(jī)物的深度聯(lián)動(dòng)治理，有效地實(shí)現(xiàn)炭素行業(yè)焙燒爐煙氣的超低排放指標(biāo)：粉塵≤5 mg/m3；SO2≤35 mg/m3；NOx≤50 mg/m3；瀝青煙≤10 mg/m3，苯并芘≤0.3 μg/m3。

表1 工程應(yīng)用效果

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮循環(huán)利用、以廢治廢，多功能炭基吸附材料就來(lái)自于炭素產(chǎn)品的直接應(yīng)用，吸附質(zhì)被送回焙燒解析，并被氧化脫除。系統(tǒng)安全性和智能化化程度較高，研發(fā)了阻燃防爆除塵裝置，配備智能化控制系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、協(xié)同治理，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，降低了環(huán)保的投資和運(yùn)行成本。設(shè)計(jì)中煙氣的停留時(shí)間較短，既提高了設(shè)備的除塵效率，也保護(hù)了設(shè)備不易發(fā)生腐蝕。