炭黑生產(chǎn)線高溫高壓發(fā)電工程實踐

張帆

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 上海 210900）

伴隨著我國汽車輪胎行業(yè)的快速發(fā)展，炭黑作為輪胎工業(yè)的主要原材料，其產(chǎn)量也在不斷提高。作為炭黑生產(chǎn)線主要副產(chǎn)品，炭黑尾氣的綜合利用也是業(yè)內(nèi)人士不斷探索的方向。目前炭黑尾氣的主要利用途徑有：①作為配套發(fā)電單元鍋爐的燃料氣；②凈化處理后直接混入城市煤氣管網(wǎng)［1］；③作為炭黑反應(yīng)爐的燃料［2］。其中又以尾氣發(fā)電最為常見［3］，不僅能充分利用炭黑尾氣的熱能和化學(xué)能發(fā)電直接增加生產(chǎn)效益，還能通過鍋爐燃燒將炭黑尾氣中的CO、H2S 等污染物轉(zhuǎn)化為CO2、H2SO4，經(jīng)脫硫脫硝單元處理達(dá)標(biāo)后排放。

1 炭黑生產(chǎn)工藝及尾氣特性參數(shù)

1.1 炭黑生產(chǎn)工藝簡述

原料油、燃料油、助燃空氣送入炭黑反應(yīng)爐進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)爐內(nèi)裂解反應(yīng)完成時，噴入的水急冷以終止反應(yīng)。反應(yīng)生成的富含炭黑煙塵的炭黑煙氣進(jìn)入依次主旋風(fēng)分離器、主袋濾器。主袋濾器濾袋收集的炭黑由空氣輸送系統(tǒng)輸送造粒機(jī)，排出的尾氣送至尾氣鍋爐燃燒。造粒機(jī)造粒后的粒狀炭黑，進(jìn)入回轉(zhuǎn)干燥機(jī)干燥，干燥后的炭黑粒進(jìn)入貯存與包裝系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)干燥機(jī)所需的高溫?zé)煔庠醋杂谌紵簹獾娜紵隣t。高溫?zé)煔庠诟稍锾亢陬w粒后，由加壓風(fēng)機(jī)加壓后送至廢氣袋濾器過濾除去顆粒，再送至尾氣鍋爐燃燒處理。完整流程如圖1 所示。本項目炭黑新建年總產(chǎn)能為10 萬t，分二期進(jìn)行，一期建設(shè)4 萬t，二期建設(shè)6 萬t。

圖1 炭黑生產(chǎn)簡要流程圖

1.2 炭黑尾氣

炭黑尾氣是原料油在空氣中不完全燃燒裂解的副產(chǎn)物，其主要成分除了原料油裂解產(chǎn)生的CO、H2、CmHn 等可燃?xì)馔?，還包括進(jìn)入炭黑反應(yīng)爐空氣中帶入的不參加反應(yīng)的N2及為了冷卻炭黑煙氣而噴入的冷卻水所蒸發(fā)形成的水蒸氣。本項目炭黑尾氣的典型特性參數(shù)詳見表1～表3。

表1 炭黑尾氣典型成分（體積分?jǐn)?shù)%）

表2 炭黑尾氣污染物含量（干基）單位：mg／m3

表3 炭黑尾氣物理性質(zhì)

一期炭黑尾氣量為40 700 Nm3/h，二期建設(shè)完成時炭黑尾氣量為80 000 Nm3/h。

1.3 炭黑廢氣

自炭黑顆?；剞D(zhuǎn)式干燥機(jī)排出的廢氣主要特性見表4 和表5，廢氣量為一期24 700 Nm3/h，二期建成后62 700 Nm3/h，溫度為150 ℃。

表4 炭黑廢氣典型成分（%）

表5 炭黑尾氣污染物含量 單位：mg／Nm3

2 炭黑尾氣發(fā)電設(shè)計

2.1 裝機(jī)規(guī)模

為節(jié)約投資、減少占地和建設(shè)周期，本項目只建設(shè)一套發(fā)電單元（一機(jī)一爐），發(fā)電單元的裝機(jī)容量對應(yīng)于二期建設(shè)完成后的炭黑尾氣量。二期未投產(chǎn)前，通過調(diào)用鋼廠的高爐煤氣來補(bǔ)充炭黑尾氣的不足。

汽輪發(fā)電機(jī)組采用高溫高壓型，鍋爐出口主蒸汽參數(shù)為9.8 MPa、540 ℃，考慮到廠區(qū)用中低壓蒸汽用汽需求，汽機(jī)為抽汽凝汽式，抽汽壓力為1.3 MPa。

二期80 000 Nm3/h 炭黑尾氣工況下，尾氣發(fā)電計算見表6和表7。

表6 尾氣燃燒計算

表7 鍋爐產(chǎn)汽及發(fā)電量計算

根據(jù)上述計算結(jié)果，二期建設(shè)完成后黑尾氣量為80 000 Nm3/h 工況下，鍋爐產(chǎn)汽量為69 t/h，對應(yīng)汽輪機(jī)組發(fā)電功率為15.3 MW，故最終選擇鍋爐容量為75 t/h，汽機(jī)型號為C15-8.85/1.5。鍋爐和汽機(jī)的主要參數(shù)見表8 和表9。

表8 鍋爐主要參數(shù)

表9 汽輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

在一期工況下，調(diào)用高爐煤氣彌補(bǔ)炭黑尾氣的缺口，根據(jù)熱值折算需補(bǔ)充的高爐煤氣量為35 000 Nm3/h。

2.2 熱力系統(tǒng)

（1）汽水系統(tǒng)。發(fā)電單元采用一機(jī)一爐的單元制系統(tǒng)，無啟動鍋爐。

主給水系統(tǒng)與蒸汽均采用單元制。主蒸汽由鍋爐過熱集箱出口經(jīng)切斷閥及調(diào)節(jié)閥送至汽機(jī)主汽門。主蒸汽在汽機(jī)內(nèi)做功后由各抽汽口及排汽口排出。汽機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，凝汽器為二道表面式凝汽器，設(shè)有分隔水室，以滿足一半運行、一半檢修。凝汽器半側(cè)運行時，汽輪機(jī)能帶不小于75%的額定負(fù)荷。凝汽器排出的凝結(jié)水由水泵加壓后依次經(jīng)過軸封加熱器、兩級低壓加熱器進(jìn)入到除氧器。除氧器出水由兩臺電動給水泵將輸送至鍋爐省煤器進(jìn)口。

回?zé)嵯到y(tǒng)為兩低加一除氧三級非調(diào)整抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，低加疏水逐級回流至凝汽器。自汽機(jī)工業(yè)抽汽口引出1.3 MPa、420 ℃蒸汽接至分汽缸，分汽缸出口蒸汽分二路，一路DN125管道送除氧器，一路DN50 接至均壓箱，一路DN200 管道經(jīng)減溫至250 ℃后并入廠區(qū)低壓蒸汽管網(wǎng)。鍋爐啟動時，廠區(qū)低壓蒸汽管網(wǎng)通過DN200 管道向分汽缸供汽，作為啟動蒸汽。

發(fā)電單元原則性熱力系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 發(fā)電單元原則性熱力系統(tǒng)圖

（2）燃燒系統(tǒng)。自炭黑生產(chǎn)線引出的炭黑尾氣管道和自全廠管網(wǎng)引出的高爐煤氣管道，分別接至鍋爐的燃燒器，在高爐煤氣管道上預(yù)留接口，接入二期炭黑尾氣。高爐煤氣和一期炭黑尾氣管道分別預(yù)留二者連通接口。在一期項目運行時，二者不連通，避免低溫的高爐煤氣將高溫炭黑尾氣冷卻，導(dǎo)致炭黑尾氣中水分大量凝結(jié)腐蝕管道；二期建設(shè)時將其連通，一期生產(chǎn)線和二期生產(chǎn)線的炭黑尾氣可以混合，均勻分配給各燃燒器，保證鍋爐燃燒工況的穩(wěn)定。由于炭黑尾氣與高爐煤氣均為低熱值燃?xì)?，較難著火且容易熄滅，故設(shè)置焦?fàn)t煤氣作為點火煤氣，在鍋爐正常燃燒運行，焦?fàn)t煤氣同時燃燒作為保安火焰，防止鍋爐熄火。

（3）鍋爐本體煙氣系統(tǒng)。為滿足炭黑尾氣和大量炭黑廢氣的環(huán)保處理要求，尾氣鍋爐本體煙氣系統(tǒng)在普通的燃?xì)忮仩t基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項創(chuàng)新設(shè)計。

（4）炭黑廢氣的處理。炭黑廢氣本質(zhì)上為NOx 和SO2含量較高的燃燒廢氣，其氧氣含量僅為2%左右，可作為循環(huán)風(fēng)使用。因此炭黑廢氣分兩路進(jìn)入的鍋爐：一路進(jìn)入到空預(yù)器后的熱風(fēng)道中，另一路送入鍋爐煙道和燃燒生成的煙氣混合經(jīng)調(diào)溫后進(jìn)入SCR 處理裝置。熱風(fēng)道中混入了炭黑廢氣后，氧含量降低，除主路接至燃燒器鼓風(fēng)入口外，再分一路直接進(jìn)入燃燒器附近的爐膛內(nèi)。通過此項措施，不僅可以降低燃燒器的氧含量，還能降低燃燒溫度，因此可有效的減少鍋爐燃燒生成的NOx 含量。

（5）進(jìn)SCR的煙氣調(diào)溫處理。SCR 脫硝工藝要求煙氣溫度達(dá)到350 ℃左右，同時炭黑工藝產(chǎn)生的炭黑廢氣也需要進(jìn)行SCR 處理，因此需用鍋爐高溫?zé)煔馀c炭黑廢氣進(jìn)行混合。在鍋爐上級省煤器的位置開孔將炭黑廢氣引入，然后將混合煙氣通過調(diào)節(jié)擋板控制溫度后送入SCR。SCR 處理后的混合煙氣重新回到鍋爐，參與鍋爐后級的受熱面換熱。留過受熱面之后的煙氣流出鍋爐，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，脫硫之后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)送至煙囪排放。

3 運行效益

項目投產(chǎn)后，在混燒炭黑尾氣和高爐煤氣。汽輪機(jī)純凝工況下，發(fā)電功率達(dá)到15 MW，同時經(jīng)脫硝脫硫處理后的煙氣經(jīng)煙囪內(nèi)的CEMS 系統(tǒng)測得正常工況下NOx 含量小于100 mg/m3，SO2量小于35 mg/m3，達(dá)到政策規(guī)定的排放要求。

4 總結(jié)

作為炭黑生產(chǎn)線的配套工程，發(fā)電單元通過合理設(shè)計燃燒系統(tǒng)的燃?xì)夤艿?，滿足炭黑生產(chǎn)線一、二期不同的燃?xì)獾墓r要求。另外，系統(tǒng)設(shè)計時整體考慮發(fā)電和環(huán)保需求，在鍋爐內(nèi)設(shè)置炭黑廢氣處理系統(tǒng)和煙氣調(diào)溫裝置，在鍋爐正常運行的前提下，為尾氣和廢氣的處理提供了條件，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保的統(tǒng)一。