炭黑生產(chǎn)尾氣排放控制解決方案

VERA-CASTA?EDA Ernesto

（伊萊森清潔技術(shù)-孟莫克公司，美國 密蘇里州圣路易斯 MO63017）

當(dāng)前，世界各國和地區(qū)紛紛致力于減少對(duì)環(huán)境和健康產(chǎn)生不利影響的污染物排放，尤其關(guān)注顆粒物、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的排放[1-6]。炭黑生產(chǎn)已經(jīng)被許多國家和地區(qū)列為需要解決煙囪尾氣排放問題的行業(yè)[7-10]。由于炭黑生產(chǎn)采用煤、天然氣和石油的衍生物作為原料，因此尾氣中必然含有SO2[11-15]。同時(shí)，基于工藝溫度，反應(yīng)爐中還會(huì)形成NOx。為了控制多氧化硫（SOx）和NOx的排放，許多炭黑企業(yè)已在生產(chǎn)過程中增加了低硫燃料器、低氮燃燒器和熱回收系統(tǒng)。由于炭黑生產(chǎn)裝置的規(guī)模與尾氣排放量直接掛鉤，因此隨著近年來炭黑行業(yè)整合以及新的大型裝置建成投產(chǎn)，直接導(dǎo)致了尾氣排放量驟增。隨著各國環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，炭黑生產(chǎn)企業(yè)需要考慮新的、更具成效的尾氣排放控制方案，以進(jìn)一步減少尾氣排放，保護(hù)環(huán)境。

本文介紹炭黑生產(chǎn)尾氣排放控制解決方案，重點(diǎn)介紹脫除SO2的孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化技術(shù)。

1 現(xiàn)行的尾氣排放控制解決方案

現(xiàn)行的炭黑生產(chǎn)尾氣排放控制解決方案通常包括1個(gè)用于濾除顆粒物的袋式除塵器（見圖1）和一系列的操作單元（見圖2）以脫除尾氣中的各種組分，包括用靜電除塵器脫除細(xì)小顆粒物，焚燒爐燃燒一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔锖土蚧瘹洌℉2S）之類的硫化物，選擇性催化還原法（SCR）脫除NOx，濕法洗滌脫除SO2。這種濕法脫硫工藝中，SO2與苛性鈉（氫氧化鈉）、石灰（氧化鈣）或石灰石（碳酸鈣）等堿反應(yīng)，然后利用空氣氧化，形成相應(yīng)的硫酸鹽，并產(chǎn)生二次廢液即硫酸鹽廢液，其必須從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)清除。副產(chǎn)物硫酸鹽可作為石膏出售或交由垃圾填埋廠處置；硫酸鹽廢液在世界很多地區(qū)正成為日益凸顯的問題，根據(jù)硫酸鹽廢液的組分，可能還需要另行處置其中某些危廢物質(zhì)。因此，在選擇濕法脫硫工藝作為炭黑尾氣的SO2解決方案時(shí)，必須全盤考慮裝置的整個(gè)使用期間內(nèi)累計(jì)投入的脫硫劑、運(yùn)輸、填埋處置的總成本。

圖1 爐法炭黑工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of furnace carbon black technological process

圖2 采用濕法脫硫技術(shù)作為SO2脫除的尾氣排放控制流程示意Fig.2 Schematic diagram of exhaust emission control process using wet desulfurization technology as SO2 removing

2 孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化解決方案

伊萊森清潔技術(shù)公司（原杜邦清潔技術(shù)）提供了一種孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化解決方案作為炭黑尾氣處理中濕法脫硫工藝的替代方案（圖3），其最終副產(chǎn)物為可對(duì)外銷售的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.985的濃硫酸。該工藝將孟莫克速收?技術(shù)系統(tǒng)與接觸法制硫酸工藝相結(jié)合。孟莫克速收?系統(tǒng)采用了一種環(huán)保安全的吸收溶劑，能夠?qū)⑦M(jìn)料氣體中體積分?jǐn)?shù)為300×10-6～0.5的SO2脫除，將尾氣中SO2的體積分?jǐn)?shù)減至20×10-6以下，如果需要達(dá)到更小的SO2排放值，則可以酌量增加汽提蒸汽，使SO2的體積分?jǐn)?shù)減至10×10-6以下。雖然這項(xiàng)結(jié)合了接觸法制硫酸工藝的技術(shù)比濕法脫硫技術(shù)的初始投資高，但它顯著減少了硫酸鹽廢液的二次排放。此外，鑒于在進(jìn)入轉(zhuǎn)化段之前氣流中的SO2已經(jīng)過提濃，孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化方案僅需尺寸較小的設(shè)備即可。因此，相較于炭黑行業(yè)中其他現(xiàn)行技術(shù)的制硫酸設(shè)備而言，孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化方案制硫酸設(shè)備所需投資更低。

圖3 采用孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化解決方案作為SO2脫除的尾氣排放控制流程示意Fig.3 Schematic diagram of exhaust emission control process using Mengmoke concentration/conversion solution scheme as SO2 removing

2.1 原料靈活性

孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化方案的優(yōu)勢(shì)之一是可以機(jī)動(dòng)靈活地應(yīng)對(duì)采用高硫原料油進(jìn)行炭黑生產(chǎn)的工況，輕松應(yīng)對(duì)采用燃料油生產(chǎn)炭黑產(chǎn)生的尾氣中SO2含量增大的問題，不僅提高了硫酸產(chǎn)量，變廢為寶，而且在無需額外成本支出的情況下給炭黑生產(chǎn)企業(yè)帶來更多的收益。相比之下，傳統(tǒng)的濕法脫硫工藝在面對(duì)尾氣中SO2含量增大的情況時(shí)，只能徒增脫硫劑用量和處置成本。

雖然高濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.985）硫酸在全球大部分地區(qū)是一種有價(jià)值的商品，但在某些市場(chǎng)可能需要SO2其他衍生產(chǎn)品。孟莫克提濃/轉(zhuǎn)換方案也可以生產(chǎn)SO2其他衍生產(chǎn)品，如發(fā)煙硫酸或高純度SO2氣體等，讓炭黑生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)市場(chǎng)需求來度身定制生產(chǎn)線和產(chǎn)品。

2.2 工藝流程有效性

孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化方案采用操作簡便的孟莫克速收?技術(shù)系統(tǒng)對(duì)炭黑生產(chǎn)尾氣中的SO2進(jìn)行提濃，然后將其轉(zhuǎn)化為可銷售的高濃度硫酸產(chǎn)品，見圖4。該方案可以概述為：炭黑生產(chǎn)尾氣進(jìn)入孟莫克速收?系統(tǒng)的吸收塔，由溶劑吸收SO2，產(chǎn)生清潔的尾氣排放氣流（SO2體積分?jǐn)?shù)小于20×10-6）。清潔的氣體從吸收塔頂部排出，而富溶劑則被泵送至汽提塔以脫除SO2，脫除SO2后的清潔溶劑被送回到吸收塔的頂部。

圖4 孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化解決方案用于炭黑尾氣SO2脫除處理Fig.4 Mengmoke concentration/conversion solution scheme for treatment of SO2 removing of carbon black exhaust

提濃后的SO2氣流（SO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)大于0.95）從汽提塔出來，經(jīng)孟莫克制酸工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)化。該轉(zhuǎn)化工段的第1步是提濃的氣體進(jìn)入1個(gè)吸收塔，在塔內(nèi)用空氣進(jìn)行稀釋并干燥，隨后流經(jīng)催化反應(yīng)器，將SO2轉(zhuǎn)化為三氧化硫（SO3）。反應(yīng)器內(nèi)采用專門設(shè)計(jì)的孟莫克?催化劑。在該平衡反應(yīng)中，各反應(yīng)層之間的富余熱量可被回收。為了工藝控制，所回收的熱量被重新分配。提濃的SO3被送入另一個(gè)吸收塔，在塔內(nèi)SO3被循環(huán)酸吸收形成所需濃度的硫酸產(chǎn)品。從第2個(gè)吸收塔出來的尾氣被送回速收?系統(tǒng)進(jìn)一步處理，速收?系統(tǒng)排出的少量廢液是硫酸鈉水溶液，可送至界區(qū)，也可提純以生產(chǎn)更高品級(jí)的鈉鹽。

基于設(shè)備經(jīng)濟(jì)性的考量，這種提濃/轉(zhuǎn)化工藝最適合大型炭黑生產(chǎn)裝置。除孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化方案外，伊萊森清潔技術(shù)公司還精專于處理提濃/轉(zhuǎn)化工藝上游的氣體凈化設(shè)備或工藝（濕式電除塵器、焚燒爐、余熱鍋爐和SCR）。炭黑生產(chǎn)企業(yè)可能已采用其他形式的凈化或尾氣排放工藝，或之前采用的工藝現(xiàn)正面臨升級(jí)改造，本方案可作為備選方案，從嚴(yán)解決法規(guī)中關(guān)于顆粒物、NOx的達(dá)標(biāo)排放問題，并提高熱回收效率。在新建裝置中，孟莫克氣體凈化工藝可作為連續(xù)的、一體化的處理工藝納入定制化設(shè)計(jì)中。

3 結(jié)語

炭黑工業(yè)有一系列的尾氣排放控制解決方案以控制排放氣體中的污染物。炭黑生產(chǎn)企業(yè)可根據(jù)其特定操作條件、原料和所需副產(chǎn)物來定制尾氣排放控制優(yōu)選方案，即在統(tǒng)籌考量方案的初始投資和裝置全周期內(nèi)脫硫劑、運(yùn)輸、填埋處置的總成本，以及硫酸等副產(chǎn)物銷售帶來的經(jīng)濟(jì)效益，定制最優(yōu)的方案。與現(xiàn)行炭黑生產(chǎn)尾氣傳統(tǒng)濕法脫硫工藝相比，孟莫克提濃/轉(zhuǎn)化解決方案不僅可以實(shí)現(xiàn)SO2排放體積分?jǐn)?shù)減至10×10-6以下和為炭黑企業(yè)帶來更具經(jīng)濟(jì)效益的副產(chǎn)物，而且顯著減少硫酸鹽廢液的二次排放，同時(shí)可靈活應(yīng)對(duì)未來可能因原料油變化而導(dǎo)致尾氣中SO2含量增大的情況。