焙燒煙氣凈化處理新工藝-雙干法凈化技術

王文博,宋海琛,劉竹昕,李雪嬌,胡紅勝,孔 曄

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

預焙陽極是電解鋁生產的重要原料,每年產能約為3100萬噸。在陽極焙燒過程中,焙燒爐產生的煙氣中含有大量的污染物成分,包括瀝青煙、苯并芘、氟化物、二氧化硫及顆粒物等。這些污染物對人體及周邊環(huán)境產生極大的危害,如苯并芘等有機物均為強致癌物,所以必須要對焙燒爐散發(fā)的煙氣進行處理,達到國家標準方能排放[1]。目前針對焙燒煙氣排放指標有多種標準要求,將各種標準列于表1中。

表1 污染物排放標準要求對比表

根據不同地區(qū)和當地具體環(huán)保政策,執(zhí)行的排放標準也不同,但從表1中可以看出,我國對于鋁工業(yè)煙氣中污染物排放的要求越來越嚴格,在當今的環(huán)保形勢下污染物處理措施的缺失已經不再被允許。

1 焙燒煙氣凈化處理技術現狀

焙燒煙氣凈化傳統(tǒng)的處理工藝主要采用靜電捕集焦油工藝串聯(lián)氧化鋁吸附工藝和蓄熱式焚燒爐(RTO)工藝等。傳統(tǒng)的煙氣處理技術可對瀝青煙、氟化物、顆粒物進行有效處理,但無法實現煙氣中污染物的綜合治理,如二氧化硫、苯并芘和會造成二次污染的瀝青煙等[2]。

1.1 電捕焦油器

電捕焦油器能夠捕集煙氣中的粉塵及焦油,其收塵原理是通過高壓直流電,在金屬極板上形成電場強度分布極不均勻的電場。在電場力的作用下,煙塵帶電并沿著電力線向著沉塵極沉積,并借助自重或沖洗將捕集的焦油收入到灰斗中。電捕焦油器應用廣泛,操作便捷,但其主要存在的問題有:

(1)捕集效率不穩(wěn)定,對苯并芘等有機物處理能力弱;

(2)存在著火、爆炸等安全隱患;

(3)危廢焦油處理難度大;

(4)沖洗廢水難回用。

1.2 蓄熱式焚燒爐(RTO)

為了更徹底的處理瀝青煙及苯并芘等污染物,國內外某些企業(yè)采用了蓄熱式焚燒爐(RTO)工藝,通過通入天然氣進行燃燒處理,將煙氣中的瀝青煙氣和苯并芘等有機污染物分解轉變成為二氧化碳和水。

該技術具有凈化效率高、污染物處理全,無需考慮廢水等二次污染問題等優(yōu)點。但同時由于焙燒煙氣中的可燃性瀝青煙少導致噴入的燃料天然氣多,從而造成該工藝的運行費用高,且高溫燃燒造成氮氧化物升高,增加了脫硝技術的成本與難度[3]。

1.3 氧化鋁吸附

采用氧化鋁吸附能夠有效處理殘極散發(fā)的氟化物,不僅能夠除去焙燒煙氣凈化的氟化物使其達標排放,而且能夠將載氟后的氧化鋁作為電解鋁原料使用,達到循環(huán)利用的效果。

該技術效率高,在炭素工藝上達到了循環(huán)利用、無二次污染的效果,但由于焙燒煙氣中含有瀝青煙使得白色的氧化鋁粉在經過幾次吸附反應后沾染瀝青煙后成黑色粉狀,同時回收到電解槽中后也會對電解效率產生一定的影響,且會將炭素工藝中的污染物瀝青煙帶入到電解煙氣中,產生二次污染的問題。

1.4 脫硫系統(tǒng)的缺失

早期的陽極炭塊原料采用的是低硫含量的石油焦,同時依據2010年頒布的《鋁工業(yè)污染物排放標準》(GB25465-2010),傳統(tǒng)的焙燒煙氣凈化技術是不用考慮脫硫系統(tǒng)的。但近年來隨著環(huán)保要求的提高和高品質石油焦的成本壓力,許多企業(yè)開始在焙燒煙氣凈化系統(tǒng)中增設脫硫設施并采用高硫焦作為原料[4]。

近年來,從其他行業(yè)引進的脫硫技術層出不窮,但針對焙燒煙氣含瀝青煙和硫含量較低的工況,目前采用氫氧化鈣半干法脫硫和石灰石-石膏濕法脫硫為主要的脫硫工藝。

2 焙燒煙氣凈化處理新工藝-雙干法凈化技術

針對傳統(tǒng)的焙燒煙氣凈化技術存在的不足之處,雙干法凈化技術應運而生,該技術通過炭粉吸附技術耦合氫氧化鈣半干法脫硫除塵一體化技術實現對焙燒煙氣中多種污染物的凈化處理并達到超低超凈排放概念,同時能夠解決瀝青煙的危廢處理問題,達到無二次污染,無廢水的良好運行效果[5]。

2.1 工藝流程

雙干法凈化技術應用在焙燒凈化系統(tǒng)中主要的工藝流程如圖1所示。焙燒爐散發(fā)的煙氣在經過脫硝系統(tǒng)后首先進入到雙干法凈化工藝中的炭粉吸附瀝青煙系統(tǒng)中,通過焙燒爐收塵粉在炭粉吸附反應器中吸附煙氣中的瀝青煙再利用袋式除塵器將載焦粉捕集后循環(huán)利用,循環(huán)一定次數后將載焦粉排放到吸附法制球系統(tǒng)制成與焙燒爐填充料性質相同的炭球團后,回到焙燒爐系統(tǒng)中循環(huán)使用。經過炭粉吸附系統(tǒng)脫除瀝青煙后的煙氣再進入到氫氧化鈣半干法脫硫除塵一體化系統(tǒng)中,脫硫劑氫氧化鈣在半干法反應器中與煙氣混合并發(fā)生脫硫、脫氟反應,產生的脫硫灰經過袋式除塵系統(tǒng)收集后循環(huán)利用并最終為一般固廢綜合處理。煙氣在經過脫硝、除瀝青煙、脫硫脫氟以及除塵后通過排煙風機送入煙囪最后排放到大氣中。

圖1 雙干法工藝流程圖

2.2 炭粉吸附技術

雙干法凈化技術中首先采用的是炭粉吸附煙氣中的瀝青煙,由于采用黑色的炭粉作為吸附劑,所以該方法也俗稱為“黑法吸附技術”。該方法多應用于炭素廠成型車間來收集混捏成型過程中散發(fā)的瀝青煙氣[6]。此技術應用在雙干法技術中時,在原料上采用了焙燒車間收塵粉,屬于變廢為寶,雖然原料不如煅后焦粉的吸附性能好,但由于其價格低廉僅相當于煅后焦的1/10,是性價比非常高的一種吸附劑。同時,在載焦后可以制成球團重新回到焙燒爐系統(tǒng)中當作填充料繼續(xù)使用,循環(huán)經濟而又不產生二次污染,避免危廢處理,為企業(yè)節(jié)省大量成本。

2.2.1 收塵粉性質的研究

焙燒車間收塵粉是焙燒車間布袋除塵器收集下來的固體廢棄物,具有重量輕、顆粒細、易飛揚等特征,給生產企業(yè)帶來一系列處理難題,對其回收利用一直是制約陽極焙燒企業(yè)綠色生產的重要問題。

對收塵粉進行半定量分析,結果如表2所示。由表2可知,收塵粉的主要成分為炭粉,含量約占70.70%,其他灰分主要包括Si、Al、S、Fe等,說明焙燒車間收塵粉具有炭粉的大部分物化性質。

表2 收塵粉成分分析表

采用收塵粉通過炭粉吸附反應器與煙氣中的焦油發(fā)生吸附反應,將反應前后的收塵粉經過烘干機烘干、并通過超聲波振蕩儀振蕩并機械分散成后采用激光粒度分析儀,對吸附前后的炭粉粒度進行分析,結果如圖2所示。

圖2 吸附前后粒度分析

由圖2可直觀的看出,吸附前的平均粒度小于吸附后的平均粒度,說明收塵粉發(fā)生了吸附反應,形成了團聚現象。針對測量結果進行分析比較,將吸附前后收塵粉的粒徑變化分析列于表3中。

表3 收塵粉吸附前后粒度分析表

通過表3可知,吸附前的炭粉峰值粒徑為8.028 μm,中位粒徑為8.049 μm,吸附后炭粉的峰值粒徑為24.25 μm,中位粒徑為11.67 μm,吸附后碳粉粒徑變大、比表面積減小、遮光率增大,說明炭粉有效吸附焦油,導致粘度增加發(fā)生團聚現象。

為了定量分析收塵粉吸附瀝青煙的含量,根據《固定污染源排氣中瀝青煙的測定重量法》(HJ/T 45-1999),采用環(huán)己烷溶解炭粉中的瀝青煙,待環(huán)己烷揮發(fā)后,通過測試焦油重量得到碳粉中的焦油含量。取吸附瀝青煙后的收塵粉進行試驗,試驗結果如表4所示。

表4 炭粉吸附焦油試驗表

通過表4可知,未發(fā)生吸附反應的焙燒車間收塵粉內不含有瀝青煙,在經過一次吸附后能夠載焦,說明焙燒車間收塵粉具有炭粉的物化性質,能夠吸附瀝青煙,且一次吸附效率約為5.43%。

2.2.2 收塵粉爆炸性的研究

炭粉屬可燃爆性粉塵,在炭粉吸附反應器、袋式除塵器或粉料倉等有限空間內,可能形成高濃度粉塵環(huán)境,在含氧與高溫條件下可能發(fā)生爆炸反應,需要對炭粉的爆炸性進行研究,同時有針對性地設計防燃、防爆措施。

通過20升球形爆炸測試裝置和最小點火能測試儀MIE Ⅲ標準實驗設備對吸附前后的收塵粉分別進行爆炸性測試,測試結果表明:

(1)吸附前收塵粉和吸附后收塵粉均屬于可燃爆粉塵;

(2)吸附前和吸附后的收塵粉最小點火能均大于1000 mJ,對靜電引燃不敏感,爆炸下限較高,屬于不易爆粉塵;

(3)粉塵云最低著火溫度和粉塵層最低著火溫度均超過測試設備的測試范圍,表明該粉塵不易被熱表面引燃;

(4)吸附前和吸附后收塵粉皆屬于St1級粉塵,其中吸附前收塵粉屬于St1級粉塵中危險性中等偏低類粉塵,吸附后收塵粉屬于St1級粉塵中危險性中等偏高類粉塵。

綜上所述,吸附前后的收塵粉均屬于可燃爆粉塵,雖然不易燃爆且爆炸后危險性較低,但必須在工藝流程設計及設備選型中考慮阻火、防爆及泄爆措施,以保證系統(tǒng)的安全性。

針對收塵粉的性質及吸附反應的特點,首次開發(fā)設計炭粉吸附工藝安全生產系統(tǒng),對系統(tǒng)采取泄爆、隔爆等相應措施,進行粉塵防爆。具體措施如下:

(1)溫度監(jiān)測與聯(lián)鎖滅火;

(2)采用阻火設備在焙燒煙氣出口處攔截焙燒煙氣帶出的未燃盡顆粒;

(3)加快擴散,避免粉塵濃聚;

(4)增設系統(tǒng)泄爆裝置;

(5)采用氮氣噴吹避免因氧氣含量高造成的燃爆風險;

(6)電力設備嚴格遵循《爆炸危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》(GB50058-2014)中防爆分區(qū)的設計規(guī)定。

2.2.3 吸附法制球系統(tǒng)的研究

雙干法凈化技術主要的目的是為了形成循環(huán)經濟,達到變廢為寶,不產生危廢及二次污染的效果。通過開發(fā)制球循環(huán)系統(tǒng),對完成吸附后的載焦粉制成球狀顆粒后,以填充料的形式回用到焙燒車間,制球系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

圖3 制球系統(tǒng)工藝流程圖

制成球團料后的成品主要成分為95%的載焦收塵粉和3%～5%的粘結劑,其導熱性和灰分等主要物化性能與填充料一致。球團料成品的粒徑90%以上在6～8 mm范圍,橢球形,體積密度可調節(jié)、可控,符合填充料對粒度的要求。粘合劑與原材料均化混合后形成良好而均勻的骨質結構,經測試成品球團料不易壓損,能夠承擔作為填充料承受的壓力。從填充料中揮發(fā)出來的有機物通過豎縫進入火道,火道溫度約為1130～1180 ℃,可以分解苯并芘,燃燒瀝青,既能徹底清除煙氣中的有機物質又能為焙燒系統(tǒng)提供一定的原料動力。

3 工程實況

目前,雙干法凈化系統(tǒng)已經在內蒙古某廠實際運行一年時間,系統(tǒng)運轉穩(wěn)定、煙氣出口指標達到超低超凈排放概念要求,同時原有焙燒煙氣凈化系統(tǒng)無法處理的苯并芘也減少到3×10-4mg/Nm3以下。將測量的原有煙氣污染物平均濃度與采用雙干法凈化后的煙氣污染物平均濃度列于表5中。

表5 雙干法凈化后的煙氣污染物平均濃度與原有煙氣污染物平均濃度比較表

4 結 論

(1)新工藝雙干法凈化技術針對焙燒煙氣有優(yōu)良的凈化效果且能夠處理傳統(tǒng)工藝無法處理的苯并芘等有機物,排放指標達到超低超凈排放概念要求。

(2)焙燒車間收塵粉能夠有效吸收焙燒煙氣中的瀝青煙,并能夠使危廢瀝青煙在凈化系統(tǒng)中循環(huán)利用,達到降本增效,廢物利用,不排放危廢,不造成二次污染的效果。

(3)吸附前后的收塵粉屬于可燃爆粉塵,新工藝雙干法凈化技術開發(fā)設計炭粉吸附工藝安全生產系統(tǒng),對系統(tǒng)采取泄爆、隔爆等相應措施。

(4)制成球團料后的成品物化性質與填充料一致,能夠回用到焙燒系統(tǒng)中,同時揮發(fā)出來的有機物既能為焙燒系統(tǒng)提供一定的原料動力,又能通過高溫焙燒方式徹底清除煙氣中有害的有機成分。