炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術(shù)研究與推廣

袁永健,陳麗新,張海龍

(貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

炭素及石墨制品混捏成型工段生產(chǎn)的配料環(huán)節(jié)中均會使用高溫的液體瀝青作為粘結(jié)劑[1],瀝青煙氣中含有多種多環(huán)芳烴(PAHs),其中的苯并芘、苯并蒽、咔唑等多環(huán)芳烴類等有機物多為致癌和強致癌物質(zhì)[2]。混捏成型工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生瀝青煙的設(shè)備多且配置分散,排煙支管長達數(shù)十米,且由于瀝青煙氣中混有炭粉、水蒸汽,極易造成排煙管道、凈化設(shè)備堵塞直至凈化系統(tǒng)功能喪失。凈化系統(tǒng)排煙功能失效后瀝青煙充斥混捏成型車間廠房,極大危害了車間一線員工的身心健康,對企業(yè)形象造成不良影響。

研發(fā)炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術(shù)和專用設(shè)備應(yīng)用于瀝青煙氣治理,徹底解決了混捏成型瀝青煙氣治理難題,該技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。

1 混捏成型瀝青煙氣治理技術(shù)

針對混捏成型瀝青煙氣治理,目前炭粉吸附凈化、干式電捕凈化及蓄熱式焚燒爐焚燒凈化三種凈化技術(shù)應(yīng)用比較普遍。下面簡單對三種主流技術(shù)進行介紹。

1.1 炭粉吸附凈化技術(shù)

國內(nèi)從上世紀(jì)80年代引進了多套上炭粉吸附凈化系統(tǒng)(青海鋁廠是80年代引進的)。在此凈化系統(tǒng)中,生制品制造的原料之一的細焦粉末(石油焦粉或針狀焦粉,俗稱“炭粉”)被用于吸附煙氣中的瀝青煙,吸附凈化反應(yīng)完成后,布袋除塵器將吸附瀝青煙氣后的炭粉分離出來再返回工藝流程用于產(chǎn)品的生產(chǎn)?，F(xiàn)階段世界上絕大部分的炭素廠采用炭粉吸附凈化技術(shù)處理混捏成型工段產(chǎn)生的瀝青煙氣。

但是,采用該技術(shù)的瀝青煙凈化系統(tǒng)普遍存在堵管、凈化效率較低的問題。目前國內(nèi)采用該技術(shù)的凈化系統(tǒng)故障率較高,多數(shù)處于癱瘓、或半癱瘓狀態(tài)。

1.2 干式電捕凈化技術(shù)

干式電捕瀝青煙凈化系統(tǒng)比較簡單,適用于 “炭粉”供應(yīng)量不足,無法使用“炭粉吸附凈化技術(shù)”的場合。

干式電捕凈化技術(shù)是利用電捕焦油器高壓電場將煙氣中瀝青煙電離后,荷電的瀝青煙微粒在電場力的作用下運動至收塵極極板,從而將煙氣中的瀝青煙分離出來達到凈化的目的。但是,由于混捏成型工段瀝青煙溫度較低,粘結(jié)在極板上的焦油清理困難,嚴(yán)重影響電捕的凈化效果,難以滿足現(xiàn)階段日益嚴(yán)格的排放需求。同時,干式電捕凈化系統(tǒng)由于其凈化原理的局限,會產(chǎn)生液態(tài)的焦油、粉塵和水的混合物。由于分離、回收利用困難,會對環(huán)境造成二次污染。所以,一般不推薦使用電捕處理混捏成型工段瀝青煙氣[3]。

1.3 蓄熱式焚燒爐焚燒(RTO)凈化技術(shù)

蓄熱式焚燒爐(RTO)是一種用于處理中低濃度揮發(fā)性有機煙氣的節(jié)能型凈化設(shè)備。其基本原理是將有機煙氣加熱到約800 ℃左右,使煙氣中的碳氫化合物燃燒變成二氧化碳和水蒸氣后排至大氣。

此凈化技術(shù)最大的優(yōu)點在于它不產(chǎn)生任何二次污染物,凈化效率非常高,對瀝青煙氣中所有有害物均能凈化處理。并且由于內(nèi)置煙氣熱量回收模塊,所以燃料耗量比較“直燃式”焚燒爐低了很多,系統(tǒng)運行費用相對較低(但燃料消耗帶來的運行費用仍遠高于炭粉吸附凈化系統(tǒng)),但是,RTO處理方式仍然沒有解決因為瀝青粘接堵管造成系統(tǒng)失效的問題。

筆者認為,如果解決不了前端排煙管道堵管的問題,工藝流程產(chǎn)生的瀝青煙無法排除、收集,無法進入凈化設(shè)備進行處理,仍然散逸在車間中,RTO處理技術(shù)還是很難在此工況下成功應(yīng)用。實際工程中,也有采用“炭粉吸附凈化+RTO焚燒”聯(lián)合使用的案例,但是由于投資、運行成本過高,無法推廣。

2 傳統(tǒng)炭粉吸附凈化系統(tǒng)的技術(shù)特點

混捏成型工段瀝青煙氣炭粉吸附凈化技術(shù)最大的優(yōu)點在于它利用生產(chǎn)原料作為吸收劑,吸附瀝青后終產(chǎn)物仍可返回工藝生產(chǎn),不額外產(chǎn)生外排的廢棄物,且凈化系統(tǒng)投資少、運行費用較低[4]。圖1為典型的傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)的工藝流程圖。

圖1 傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)工藝流程圖

圖2 凈化集氣下降造成的煙氣彌散到車間/焦油堵塞管道

傳統(tǒng)炭粉吸附凈化技術(shù)是將瀝青高位槽、瀝青秤、糊料混捏機、糊料冷卻機、成型機等設(shè)備產(chǎn)生的瀝青煙氣通過排煙支管匯集到排煙干管底部的煙氣集合器,煙氣中的部分液態(tài)焦油可在煙氣集合器中冷凝,然后排至下方的廢焦油桶中;煙氣經(jīng)過集合器冷凝后進入上方的文丘里反應(yīng)器,在文丘里反應(yīng)器合適位置加入吸附劑炭粉,炭粉在文丘里反應(yīng)器內(nèi)與瀝青煙氣混合進行吸附反應(yīng)。從文丘里反應(yīng)器加入的凈化炭粉后直至凈化除塵器濾袋表面的濾餅層為凈化系統(tǒng)的吸附反應(yīng)區(qū)域。經(jīng)過炭粉吸附凈化后的煙氣通過煙囪排放,凈化后炭粉在凈化除塵器中分離出來并返回工藝生產(chǎn)。從上述流程來看傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)也是通過炭粉吸附將瀝青煙氣凈化,只要保證凈化炭粉的投入量是可實現(xiàn)凈化目標(biāo)的,但對多個項目的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),實際運行情況就不容樂觀,因為其技術(shù)本身存在如下問題。

(1)混捏成型車間每條工藝生產(chǎn)線產(chǎn)生瀝青煙的設(shè)備多達10臺或更多,排煙點在10～20個左右,每點的排煙支管管徑在Φ100～Φ350 mm之間,這些小管徑的排煙支管由于散熱面積大,增加了瀝青煙氣的冷凝速度,此外如混捏機還會在初期的干混階段產(chǎn)生較多的干粉,在此情況下排煙管道很快就因為瀝青焦油的凝結(jié)及粘接炭粉而堵塞。管道堵塞是造成傳統(tǒng)“黑法”凈化效果不佳的最根本的原因。

(2)由于傳統(tǒng)技術(shù)在反應(yīng)器前焦油凝結(jié)、粘接問題客觀存在,所以必須在系統(tǒng)上設(shè)置大量的檢查口、清理口;同時,為了便于清理,排煙支管一般設(shè)計成法蘭聯(lián)接;為了排放凝結(jié)的焦油,管道低點和煙氣集合器下部必須設(shè)置放油口。由于上述檢修口、清理口、法蘭聯(lián)接位置、放油口等漏風(fēng)點的存在,造成系統(tǒng)溫度失控,加劇了瀝青煙的凝結(jié),加速了系統(tǒng)堵塞的問題。

(3)傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)是從工藝配料系統(tǒng)取凈化用炭粉,然后將炭粉通過螺旋輸送機和溜管直接將炭粉投入煙氣集合器上部的文丘里反應(yīng)器中,利用煙氣的流速將炭粉帶走,在此過程中炭粉與煙氣混合完成對瀝青煙的吸附凈化。該方案有兩個缺陷,首先是加入的凈化用炭粉采用自然投料方式斷續(xù)加入煙管,這就造成凈化炭粉與煙氣的氣-固兩相流不能充分連續(xù)混合、接觸、反應(yīng),部分炭粉已經(jīng)吸附過飽和,部分炭粉還未與煙氣接觸,凈化后炭粉成團且凈化效率較低。第二,從反應(yīng)器到除塵器距離過短,吸附劑炭粉和瀝青煙反應(yīng)接觸的時間無法保證。由于炭粉對瀝青煙的吸附效率不高,無法對除塵器濾袋實現(xiàn)有效的保護,瀝青煙會粘接、浸潤進而堵塞除塵器濾袋,最終造成除塵器失效。

3 混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術(shù)

針對傳統(tǒng)炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙氣凈化系統(tǒng)存在的問題,研發(fā)人員調(diào)研了國內(nèi)大量的炭素企業(yè)生產(chǎn)一線,對系統(tǒng)存在的問題進行匯總、分析,創(chuàng)造性的提出了“瀝青煙全流程高效吸附”的方式。采取各點擊破的原則,將傳統(tǒng)的炭粉吸附“黑法”凈化系統(tǒng)存在的問題逐一攻破。

(1)提出將凈化用炭粉多點、排煙管道源頭加入的工藝路線。炭粉在瀝青煙產(chǎn)生的源頭位置就將瀝青煙吸附凈化,可以解決支管管道的堵塞問題。此外,在排煙支管的起始端加入炭粉后炭粉本身具備的琢磨能力也可將煙管中粘接的冷凝焦油沖刷,實現(xiàn)“自清潔”功能。

(2)減少系統(tǒng)漏風(fēng),避免管道堵塞。由于實現(xiàn)了瀝青煙的沿程吸附,系統(tǒng)不會產(chǎn)生液態(tài)焦油,傳統(tǒng)凈化系統(tǒng)上必須設(shè)置的檢查口、清理口、放油口不再需要,保證了系統(tǒng)密閉,克服了傳統(tǒng)技術(shù)由于漏風(fēng)造成的系統(tǒng)溫度失控、焦油凝結(jié)堵塞系統(tǒng)的問題。

(3)從源頭位置加入吸附劑,炭粉和瀝青煙氣的反應(yīng)時間大大增加,進一步保證了系統(tǒng)的凈化效率,同時也保證了后端除塵器等設(shè)備的安全。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)存在的上述問題,技術(shù)團隊采取了“總體改進、分項技術(shù)攻關(guān)”的思路,研發(fā)了多項新技術(shù),分項克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足。

4.1 炭粉自清潔管道防堵塞技術(shù)

為解決傳統(tǒng)炭粉吸附凈化技術(shù)存在的堵管問題,研發(fā)人員充分利用炭粉的高效吸附性能,創(chuàng)造性的提出最重要一個凈化技術(shù)炭粉“自清潔-管道防堵”凈化技術(shù),圖3即為其凈化工藝路線與傳統(tǒng)炭粉吸附凈化工藝路線的區(qū)別。

圖3 傳統(tǒng)凈化系統(tǒng)炭粉投料原理圖/炭粉自清潔、管道防堵技術(shù)原理圖

炭粉“自清潔-管道防堵塞”技術(shù)利用凈化炭粉的大比表面積和強吸附的性能,將凈化用炭粉加入產(chǎn)生瀝青煙的設(shè)備或工位排煙支管的起始端,即瀝青煙氣收集后即加入凈化炭粉,讓炭粉第一時間將瀝青煙氣吸附凈化,排煙管道的沿程將不會出現(xiàn)焦油和水蒸氣冷凝的現(xiàn)象發(fā)生;此外,在排煙支管的起始端加入炭粉后炭粉本身具備的琢磨能力也可將煙管中粘接的冷凝焦油沖刷,實現(xiàn)“自清潔”功能[5]。同時,炭粉將在排煙管道壁面形成一層“薄粉膜”,由于炭粉本身就屬于自潤滑材料,將會使凈化系統(tǒng)的沿程阻力降低,經(jīng)過多個工程實踐證明:凈化系統(tǒng)在投入炭粉后系統(tǒng)的總阻力比不加炭粉時降低了500～700 Pa,系統(tǒng)阻力的降低一方面可改善集氣效率,另一方面也節(jié)約了風(fēng)機的能耗。

由圖3可看出凈化系統(tǒng)通過凈化工藝路線的重新設(shè)計實現(xiàn)了凈化炭粉從瀝青煙氣產(chǎn)生的源頭位置就開始對瀝青煙氣凈化,炭粉并在沿程對管道自清潔,解決了傳統(tǒng)炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)存在的瀝青煙在排煙支管冷凝、焦油堵塞支管的問題,也解決了煙氣中的冷凝水和焦油在管道跑冒滴漏的問題。

某碳素廠使用該技術(shù)5年,排煙支管仍舊保持較好的光潔度,未發(fā)生焦油堵塞,系統(tǒng)的集氣效率未發(fā)現(xiàn)明細衰減。

4.2 瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調(diào)控技術(shù)

炭粉是混捏成型瀝青煙氣凈化使用的吸附劑,炭粉的加入量直接影響到凈化效率,也是凈化系統(tǒng)是否能安全穩(wěn)定運行的首要保障,炭粉加入量過少會造成瀝青煙不能徹底吸附凈化,還存在將凈化除塵器濾袋堵塞的風(fēng)險;炭粉的加入量過多有可能會使凈化系統(tǒng)堵料,同時也加大了系統(tǒng)的阻力和管道的磨損。

為了滿足本凈化技術(shù)在多個瀝青煙產(chǎn)生的“源頭”位置加料的要求,提出了瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調(diào)控技術(shù),即采用多種手段對凈化系統(tǒng)加入的炭粉進行計量和多點分料,具體做法為對加入凈化系統(tǒng)的總炭粉量采用精準(zhǔn)計量手段,并對加入凈化系統(tǒng)的每個位置的炭粉均可調(diào)節(jié)的手段, “多點分料”的控制原理圖如圖4所示。

圖4 凈化炭粉多點分料圖

本凈化系統(tǒng)除了對加入的凈化炭粉總量控制外還對每個加入點的量進行控制,凈化系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)生瀝青煙的工藝設(shè)備和工位的不同加入的炭粉量也不同,并可根據(jù)實際運行情況實時調(diào)整,這種加料方式即可滿足凈化的需要也可減少炭粉對管道的磨損。

4.3 炭粉稀相預(yù)混自動均噴技術(shù)

炭粉吸附凈化系統(tǒng)運行高效的根本在于:吸附劑與吸附質(zhì)充分混合,對于本系統(tǒng)來說就是要解決瀝青煙與炭粉的氣-固兩相混合問題,圖5是傳統(tǒng)炭粉吸附凈化技術(shù)與凈化炭粉稀相預(yù)混自動均噴技術(shù)的對比。

圖5 傳統(tǒng)凈化系統(tǒng)炭粉投料與“炭粉稀相預(yù)混-自動均噴”技術(shù)示意圖

由圖5可看出,凈化炭粉稀相預(yù)混自動均噴技術(shù)的原理與傳統(tǒng)的炭粉吸附“黑法”凈化技術(shù)采用單點自然投料方式存有本質(zhì)上的區(qū)別,炭粉 “稀相預(yù)混-自動均噴”技術(shù)將空氣與炭粉預(yù)混后的炭粉輸送至主要產(chǎn)生瀝青煙的設(shè)備及工位,如:混捏機、冷卻機、糊料輸送及成型工位等產(chǎn)生大煙氣量、且瀝青煙濃度較高的位置;除此之外加料方式也摒棄了傳統(tǒng)的溜管自然加料,而是采用專利設(shè)備,首先將凈化炭粉與空氣預(yù)混,然后利用氣力輸送的噴射加入。保證了吸附劑炭粉與瀝青煙氣的充分混合和接觸,從而保證了凈化系統(tǒng)的高吸附凈化效率。

5 推廣應(yīng)用情況與綜合效益

混捏成型瀝青煙氣全流程高效吸附凈化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用已涵蓋了石墨炭素行業(yè)中鋁用陽極、陰極及鋼鐵行業(yè)石墨電極等各種主流產(chǎn)品的生產(chǎn)。

本技術(shù)投入運行后經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測,排放指標(biāo)如下:

(1)顆粒物:<7.8 mg/Nm3

(2)瀝青煙:<7.2 mg/Nm3

(3)非甲烷總烴(VOC):<1.7 mg/Nm3

該技術(shù)不僅在排放指標(biāo)上優(yōu)于中國及歐盟現(xiàn)行的各項排放要求,且在使用5年的時間里排煙效果未發(fā)現(xiàn)明顯衰減,排煙管道未出現(xiàn)堵塞,主體設(shè)備運行狀況良好,其運行穩(wěn)定性得到進一步驗證。

6 結(jié) 論

(1)混捏成型炭粉吸附瀝青煙氣全流程高效吸附凈化技術(shù)在“炭粉自清潔管道防堵塞技術(shù)”、“瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調(diào)控技術(shù)”、“炭粉稀相預(yù)混自動均噴技術(shù)”等方面作了改進,解決了傳統(tǒng)瀝青煙炭粉吸附技術(shù)存在的一系列問題。經(jīng)過5年多的推廣應(yīng)用,該技術(shù)在石墨炭素行業(yè)多種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝中應(yīng)用均取得了很好的應(yīng)用效果。該技術(shù)解決了困擾炭素及石墨制品混捏成型近二十年的“痛點”問題,很大程度上改善了一線生產(chǎn)員工的工作環(huán)境,提升了石墨炭素企業(yè)的形象,社會效益顯著。

(2)相對傳統(tǒng)技術(shù),本技術(shù)由于在諸多方面作了改進,從凈化機理(主要體現(xiàn)在吸附劑特性、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度)還是凈化手段來說均可對煙氣中的苯并芘有效地凈化。下一步將結(jié)合本技術(shù)的應(yīng)用,把炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙氣中苯并芘的凈化研究作為下階段的工作重點,力爭通過凈化工藝的進一步改進能實現(xiàn)苯并芘的達標(biāo)排放。