鋁用炭素危廢瀝青煤焦油綜合利用技術(shù)的研究與應(yīng)用

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 811601）

1 前言

隨著構(gòu)建環(huán)保型社會的深入落實，節(jié)能減排工作已成為中央企業(yè)各項工作的重中之重。國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知《國發(fā)〔2016〕74號》要求，各企業(yè)充分認(rèn)識做好“十三五”節(jié)能減排工作的重要性和緊迫性。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化明顯加快，能源消費(fèi)增速放緩，資源性、高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸衰減。但必須清醒認(rèn)識到，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級，我國能源需求剛性增長，資源環(huán)境問題仍是制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸之一，節(jié)能減排依然形勢嚴(yán)峻、任務(wù)艱巨。

煤焦油是一種很有特色的化石燃料。與煤相比，燃燒潔凈，熱值高；與天然氣相比,安全、易于儲存且不受地域限制；與輕油相比，經(jīng)濟(jì)便宜。國內(nèi)電解鋁企業(yè)炭素生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的煤焦油目前無好的處置方法，2017年以前各鋁廠將煤焦油外銷，用于防水或結(jié)合劑使用。2017年國家環(huán)保總局將煤焦油列入危廢后各鋁廠收集后交專業(yè)廠家處理，處置費(fèi)用3500-4000元/噸，煤焦油作為替代燃料越來越受到了人們的重視，在此背景下研究煤焦油燃燒技術(shù)顯然具有十分重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)名稱為重質(zhì)燃料油的燃燒裝置，該裝置雖然解決了重油粘度較大，常常會因為霧化不好而影響燃燒效率，還容易堵塞輸油及燃燒管路的問題，但是該燃燒裝置適用于中粘度燃料油，而煤焦油的粘度高，該燃燒裝置不適用于煤焦油燃燒。本文將對煤焦油綜合利用技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 煤焦油的性質(zhì)和燃燒條件分析

煤焦油是原油經(jīng)過提煉后的副產(chǎn)品，一般是由裂化煤焦油、減壓煤焦油、常壓煤焦油或臘油等按不同比例調(diào)制而成。作為燃料選擇時，總體要求應(yīng)該是熱值高、燃燒性能好、粘度適中、腐蝕性和固體雜質(zhì)小，易于儲存和輸送。

2.1 性質(zhì)

煤焦油是炭素生產(chǎn)系統(tǒng)瀝青溶化后析出的重要產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量約占瀝青量的2%，其組成極為復(fù)雜，主要含有苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽等芳烴，以及芳香族含氧化合物（如苯酚等酚類化合物），含氮、含硫的雜環(huán)化合物等多種有機(jī)物。煤焦油又稱煤膏、煤餾油、煤焦油溶液，是一種黑色或黑褐色粘稠狀液體，比重大于水，具有一定溶性和特殊的臭味，可燃并有腐蝕性。理化指標(biāo)見表1。

表1 煤焦油理化指標(biāo)

2.2 煤焦油燃燒需要解決的幾個問題

2.2.1 點(diǎn)火困難

原因是煤焦油的閃點(diǎn)較高，常態(tài)下難于著火燃燒。

2.2.2 燃燒過程析碳

這主要是由于煤焦油中高分子碳?xì)浠衔锖扛?，不易燃盡，這種現(xiàn)象在采用壓力霧化的燃燒器中經(jīng)常出現(xiàn)。

2.2.3 高污染排放

（1）高SO2排放。煤焦油中的硫在燃燒后全部以SOx的形式隨廢氣排出。粗略計算可知，當(dāng)煤焦油的含硫量為2%時，在完全燃燒情況下，每立方米廢氣中可含有0.014kg的SO2，遠(yuǎn)高于國家規(guī)定的排放要求。

（2）高NOx排放。這一方面是由于燃料與空氣的不均勻混合燃燒出現(xiàn)局部高溫而導(dǎo)致空氣中的氮熱力氧化產(chǎn)生；另一方面是煤焦油自身較高的含氮量在燃燒中轉(zhuǎn)化和氧化而產(chǎn)生的。

（3）高CxHy、CO和碳粒子等不完全燃燒物質(zhì)排放。在霧化不良、油與空氣混合不均或油在燃燒高溫區(qū)中停留時間不足時，這種現(xiàn)象特別嚴(yán)重。

2.2.4 難于調(diào)節(jié)

表現(xiàn)在當(dāng)負(fù)荷增加時，不完全燃燒損失及有害氣體排放明顯增加；而當(dāng)負(fù)荷減小時，燃燒工況惡化,甚至出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。

2.3 煤焦油燃燒條件

對用作燃料的煤焦油，除要求有高發(fā)熱量外，還要求：

（1）黏度低。以便于管道輸送，有利于噴吹霧化改善燃燒效率；煤焦油因含石蠟量多而黏度大，使用時需進(jìn)行預(yù)熱。

（2）凝固點(diǎn)要低。一般煤焦油凝固溫度為22℃～36℃；對石蠟量多，凝固點(diǎn)高的煤焦油，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募訜岽胧?，以便于運(yùn)輸和裝卸。

（3）閃點(diǎn)溫度高?？刹捎幂^高的預(yù)熱溫度，便于輸送和霧化，一般煤焦油的閃點(diǎn)在180℃～330℃，都高于需要預(yù)熱的溫度。

（4）油中的機(jī)械雜質(zhì)和含水量要少。雜質(zhì)多和含水量高，不僅降低了煤焦油的發(fā)熱量，而且使用時會引起燒嘴堵塞和火焰波動，故需進(jìn)行過濾。

（5）含硫要低。一般含硫量為0.15%～0.30%，但也有少數(shù)煤焦油含硫高達(dá)2%，使用中造成不良后果。

天然氣熱值在10000～11000kcal/Nm3，燃燒溫度1882℃，如將煤焦油燃燒所需的條件滿足，完全可替代天然氣作為燃料，目前鑫業(yè)公司最大的天然氣消耗點(diǎn)在焙燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有國內(nèi)最先進(jìn)的燃燒控制系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)，火道墻內(nèi)溫度高達(dá)1100℃，是燃燒煤焦油的理想場所。

3 煤焦油綜合利用技術(shù)

煤焦油再生能源機(jī)是為粘度高、霧化性能差的煤焦油專門設(shè)計的提高燃燒性能的燃燒裝置，主要由煤焦油箱、預(yù)熱器、油過濾器（粗濾、精濾）、煤焦油泵、溢流閥、流量調(diào)節(jié)閥（截止閥）、燃燒器、脈沖閥、電器系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、機(jī)架及閥門和管道等組成（如圖1）。

圖1 煤焦油燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)圖

煤焦油在油箱內(nèi)被加熱軟化，經(jīng)兩級過濾后進(jìn)入煤焦油泵加壓，溢流閥調(diào)節(jié)油壓到需要的壓力，加壓后的煤焦油通過流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入燃燒器，需要燃燒時溫控系統(tǒng)啟動脈沖閥，煤焦油通過燒嘴噴入到燃燒室內(nèi)，多余的煤焦油經(jīng)回油管路流回油箱。

3.1 預(yù)熱系統(tǒng)

預(yù)熱系統(tǒng)由油箱、預(yù)熱器、溫度計和保溫裝置組成。用于加熱煤焦油至一定溫度，減小粘度，以增加煤焦油霧化效果。

3.2 過濾系統(tǒng)

過濾系統(tǒng)由三級過濾器（篩網(wǎng)、粗濾、精濾）、排污閥、反沖洗管路、快開門組成。第一級過濾為鋼絲篩網(wǎng)，布置在油箱加油口，可避免加油時大顆粒雜物進(jìn)入到油箱內(nèi)；第二級過濾為吸吮式過濾器（粗濾），安裝在油泵入口處；第三級過濾為藍(lán)式過濾器（精濾），安裝在油泵入口管道上，后兩級過濾器均可拆卸清洗，使用一定周期后需更換。三級過濾裝置保證了油質(zhì)的清潔，避免油泵非正常磨損，最主要是防止燃燒器燒嘴的堵塞。當(dāng)使用一定周期后打開排污閥將油箱內(nèi)的油垢排出，防止形成結(jié)垢堵塞過濾器。油泵溢流回油管安裝在吸吮式過濾器旁邊，只要油泵工作時高速回油就一直對過濾器表面進(jìn)行沖洗，可起到自潔作用。

3.3 加壓系統(tǒng)

加壓系統(tǒng)由煤焦油泵、球閥、溢流閥、單向閥、壓力表和高壓油管組成。

3.4 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)由燃燒器、金屬軟管、脈沖閥、流量調(diào)節(jié)閥組成。

3.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是以上各系統(tǒng)的指揮中心，主要控制元件有輸入輸出電纜、空氣開關(guān)、變頻器、接觸器、熱繼電器、啟動停止按、指示燈組成。

3.6 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)是保證燃燒質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)，當(dāng)燃燒室溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出指令，燃燒器脈沖閥得電打開，燃燒器噴油燃燒，反之失電關(guān)閉。主要控制元件有測溫元件、變送器、PLC、導(dǎo)線組成。

4 應(yīng)用效果

4.1 煤焦油能耗對比

1#焙燒線為利用煤焦油參與焙燒生產(chǎn)，煤焦油消耗量見表2；2#焙燒線為純天然氣生產(chǎn)，兩條線天然氣消耗量對比見表3。

表2 1#線煤焦油消耗量統(tǒng)計表

表3 天然氣消耗對比統(tǒng)計表

4.2 生產(chǎn)運(yùn)行效果

利用煤焦油投入生產(chǎn)后，焙燒工藝火道升溫和運(yùn)行情況對比見表4、圖2。

圖2 火道溫度燃燒控制運(yùn)行效果

表4 火道升溫情況（℃）

4.3 環(huán)境效果

1#、2#焙燒線環(huán)保監(jiān)測統(tǒng)計對比見表5。

4.4 應(yīng)用評價

（1）廢油消耗705L/天·臺，符合設(shè)計，滿足生產(chǎn)要求；

（2）天然氣消耗較其他爐室降低1957m3/天·臺；

（3）火道升溫速度和最終溫度滿足工藝要求；

表5 1#、2#焙燒5月份報表（日排放平均值）

（4）污染物排放符合環(huán)保要求；

（5）邊火道無需再架輔助燃燒器，IP溫度滿足工藝要求；

（6）新舊技術(shù)對比見表6。

表6 新舊技術(shù)應(yīng)用效果對比

5 結(jié)論

在研究危廢煤焦油綜合利用中采用板式預(yù)熱器，軟化煤焦油，以便于管道輸送，有利于噴吹霧化改善燃燒效率；確定了軟化溫度，防止高于閃點(diǎn)溫度而爆燃現(xiàn)象；采用三級過濾技術(shù)，隔熱、散熱燃燒架，阻隔了油中的機(jī)械雜質(zhì)，防止油路和噴嘴堵塞；采用兩級凈化，降低煙氣污染；系統(tǒng)中應(yīng)用了密閉存儲、隔熱保溫、溢流恒壓技術(shù)，安全可靠。按年產(chǎn)量30萬噸鋁用炭素產(chǎn)品計，預(yù)計可達(dá)到以下效果：

（1）節(jié)約天然氣：2142915Nm3/年

每天產(chǎn)生的瀝青煤焦油全部在焙燒爐內(nèi)燃燒，可替代部分天然氣，每臺爐每天可節(jié)省天然氣1957Nm3，共4臺焙燒爐，年運(yùn)轉(zhuǎn)率75%，則年節(jié)約天然氣量為：

V=1957m3/天·臺×4臺×365天×0.75=2142915 Nm3。

（2）處置利用的瀝青煤焦油量：850t/年

每天每臺設(shè)備消耗煤焦油0.705m3，共4臺焙燒爐，年運(yùn)轉(zhuǎn)率75%，煤焦油密度1.1t/m3，則年消耗煤焦油量為：

V=0.705m3/天·臺×4臺×365天×0.75×1.1t/m3=850t。

（3）減少二氧化硫排放：154 t/年

降低二氧化硫排放26.65mg/m3，焙燒爐煙氣量220000m3/h，共4臺焙燒爐，年運(yùn)轉(zhuǎn)率75%，則年降低的二氧化硫排放量為：

V=26.65mg/m3×220000m3/h×24h×4臺×365÷109=154t。

（4）減少氮氧化物排放：203t/年

降低二氧化硫排放35.05mg/m3，焙燒爐煙氣量220000m3/h，共4臺焙燒爐，年運(yùn)轉(zhuǎn)率75%，則年降低的二氧化硫排放量為：

V=35.05mg/m3×220000m3/h×24h×4臺×365÷109=203t。