炭黑干燥工序廢氣脫硫脫硝處理工藝分析

郝之勇，張 勇，路華東，李 磊

（山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司，山東 薛城 277000）

炭黑是人類最早開發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)量最大的納米級(jí)材料，在國(guó)際化學(xué)品領(lǐng)域被列入二十五種基本化工產(chǎn)品及精細(xì)化工產(chǎn)品之一，是橡膠工業(yè)重要的補(bǔ)強(qiáng)原材料，能給予膠料優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)和耐磨性能。全球約有70%的炭黑用于輪胎制造，20%用于其他橡膠工業(yè)，其余10%用于塑料添加劑、印刷油墨、電線電纜等工業(yè)。炭黑生產(chǎn)以煤系或石油系的油、氣作為原料，在反應(yīng)爐中經(jīng)過高溫不完全燃燒反應(yīng)，生成炭黑和炭黑尾氣，經(jīng)過降溫、分離、收集、粉碎、造粒、干燥、提升、輸送進(jìn)入成品罐，最后包裝、檢驗(yàn)出廠。

山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司（簡(jiǎn)稱奧瑟亞炭黑公司）一期年產(chǎn)12 萬t 炭黑項(xiàng)目于2016 年6 月建成投產(chǎn)，分U1、U2 兩條生產(chǎn)線，U1 為軟質(zhì)炭黑生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品有N660、MRG550，U2 為硬質(zhì)炭黑生產(chǎn)線，主要產(chǎn)品有N234、N326、N330、N339、N351、N375。炭黑生產(chǎn)過程中的干燥工序會(huì)產(chǎn)生大量含硝含硫廢氣，該廢氣含有的SO2質(zhì)量濃度在400 mg/m3以上，NOx質(zhì)量濃度在600 mg/m3以上，并且含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%～50%，溫度在200 ℃左右。這類含水率高且溫度低的廢氣無法直接進(jìn)行脫硝處理，必須把廢氣溫度提升到320 ℃以上，才能投入脫硝劑。如果在溫度過低時(shí)投入脫硝劑，廢氣中的SO2會(huì)與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，在催化劑的孔內(nèi)形成硫酸氫氨等副產(chǎn)物，堵塞催化劑微孔，降低催化劑的活性和壽命[1]。

為解決炭黑生產(chǎn)過程中干燥工序產(chǎn)生的廢氣溫度低的問題，奧瑟亞炭黑公司于2020 年對(duì)脫硫、脫硝設(shè)備進(jìn)行改造，通過設(shè)置升溫器和余熱鍋爐來滿足廢氣脫硫脫硝的溫度要求，實(shí)現(xiàn)了廢氣的達(dá)標(biāo)排放，可為采用無尾氣發(fā)電裝置的炭黑生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

1 干燥工序廢氣處理工藝

1.1 廢氣處理工藝流程

炭黑干燥工序廢氣處理工藝流程示意圖見圖1。炭黑生產(chǎn)過程產(chǎn)生的尾氣進(jìn)入干燥機(jī)，利用與空氣混合燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)濕炭黑進(jìn)行干燥，產(chǎn)生溫度只有200 ℃的低溫廢氣[2]。在升溫器內(nèi)通過燃燒少量的炭黑尾氣，產(chǎn)生溫度達(dá)到1 000 ℃左右的熱煙氣，進(jìn)而與干燥機(jī)過來的低溫廢氣混合，使進(jìn)入SCR 脫硝系統(tǒng)的廢氣溫度保持在320 ℃以上，以滿足脫硝要求。脫硝后的廢氣通過余熱鍋爐換熱，溫度再降到190 ℃以下，達(dá)到脫硫的最佳溫度，之后通過脫硫塔采用干法脫硫工藝完成脫硫，經(jīng)脫硫后的廢氣以及廢氣攜帶的脫硫劑、脫硫廢物進(jìn)入除塵器，經(jīng)濾袋過濾后的潔凈廢氣經(jīng)除塵器出口排出，粉塵積存在除塵器表面，經(jīng)反吹后落到除塵器錐斗排出。除塵后的廢氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)后，直接通過煙囪進(jìn)入大氣，此時(shí)可滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 炭黑干燥工序廢氣處理工藝流程示意圖

1.2 廢氣處理工藝說明

（1）由于干燥機(jī)出來的廢氣只有200 ℃，無法滿足SCR 脫硝系統(tǒng)320 ℃以上的溫度要求，因此，在SCR 脫硝系統(tǒng)前增加以炭黑尾氣為燃料的升溫器[3]。

（2）經(jīng)升溫后，320 ℃的高溫?zé)煔膺M(jìn)入SCR 脫硝系統(tǒng)，進(jìn)行氮氧化物的脫除，脫硝反應(yīng)方程式見式（1）：

（3）經(jīng)SCR 脫硝系統(tǒng)脫硝后，廢氣溫度為300 ℃～310 ℃，溫度較高，具有熱量回收價(jià)值，同時(shí)考慮到廢氣溫度過高不利于后續(xù)脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行，因此需要進(jìn)行余熱回收[4]。通過設(shè)置余熱鍋爐，生產(chǎn)1.2 MPa、250 ℃的過熱蒸汽。

（4）經(jīng)余熱鍋爐換熱后，廢氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)脫除SO2等酸性氣體。投入脫硫劑的同時(shí)，在脫硫塔頂部噴入工藝水來調(diào)整廢氣溫度。脫硫機(jī)理如下。

SO2被液滴吸收的反應(yīng)方程式見式（2）：

Ca(OH)2和NaOH 與H2SO3的反應(yīng)方程式見式（3）、式（4）：

（5）引風(fēng)機(jī)為廢氣處理系統(tǒng)的動(dòng)力來源，一備一用，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)壓操作，系統(tǒng)負(fù)壓通過該設(shè)備的變頻調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

2 干燥工序廢氣處理測(cè)試情況

2020年8 月1 日8:00:00—8 月4 日8:00:00，奧瑟亞炭黑公司對(duì)干燥工序廢氣處理系統(tǒng)的處理效率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試情況如下。

2.1 測(cè)試方案

（1）對(duì)未處理的廢氣中的NOx、SO2的排放濃度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得質(zhì)量濃度分別為600 mg/m3、400 mg/m3，取測(cè)試過程中NOx、SO2的平均排放值來計(jì)算脫硝、脫硫效率。

（2）將廢氣處理系統(tǒng)連續(xù)投入運(yùn)行72 h，并詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)。

（3）廢氣溫度是影響脫硝、脫硫效率的因素之一，為獲得最大脫硝、脫硫效率，本次測(cè)試將SCR 脫硝系統(tǒng)進(jìn)口廢氣溫度設(shè)定在320 ℃～340 ℃，脫硫塔進(jìn)口廢氣溫度設(shè)定在160 ℃～190 ℃。

2.2 測(cè)試步驟

測(cè)試前為保證生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定，先確認(rèn)工藝水、氣體及脫硝劑、脫硫劑的正常投入。然后調(diào)節(jié)燃料炭黑尾氣調(diào)節(jié)閥的開度，使SCR 脫硝系統(tǒng)入口廢氣溫度為320 ℃～340 ℃。根據(jù)脫硫塔入口廢氣溫度控制工藝水流量，保持脫硫塔出口廢氣溫度在130 ℃左右。逐步增大脫硝劑、脫硫劑的投入量，以獲取最低NOx、SO2排放值，并每2 h 記錄脫硝劑、脫硫劑的使用量，待測(cè)試結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)并計(jì)算脫硝、脫硫效率。2020 年8月1 日—4 日干燥工序部分廢氣處理數(shù)據(jù)見表1。

表1 2020 年8 月1 日—4 日干燥工序部分廢氣處理數(shù)據(jù)

續(xù)表1

2.3 脫硝、脫硫效率

從2020 年8 月1 日8:00:00 至2020 年8 月4日8:00:00，干燥工序廢氣處理系統(tǒng)連續(xù)72 h 運(yùn)行期間，測(cè)得排放的NOx的平均質(zhì)量濃度為81 mg/m3，平均脫硝效率為86.50%，高于設(shè)計(jì)值85%；測(cè)得排放的SO2的平均質(zhì)量濃度為38 mg/m3，平均脫硫效率為90.50%，高于設(shè)計(jì)值90%。

3 結(jié) 語

通過對(duì)炭黑干燥工序廢氣處理工藝設(shè)置升溫器和余熱鍋爐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢氣的熱交換，達(dá)到了最佳脫硫、脫硝溫度。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)最終脫硝效率達(dá)到86.50%、脫硫效率達(dá)到90.50%，均高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?？蓾M足采用無尾氣發(fā)電裝置的炭黑生產(chǎn)企業(yè)的環(huán)保要求，同時(shí)還能產(chǎn)生富余蒸汽，增加企業(yè)的營(yíng)業(yè)收入。