碳素行業(yè)清潔生產(chǎn)實(shí)例研究

劉艷芳　趙銳

關(guān)鍵詞： 碳素行業(yè) 清潔生產(chǎn) 提升改造 低碳

中圖分類號(hào)： X322;F407.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0138-04

碳素行業(yè)是國家的重要原材料工業(yè)，具有工藝較為復(fù)雜，污染較大，且存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等特征[1]。碳素制品是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的基礎(chǔ)材料，是典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械制造、航空航天、風(fēng)能太陽能核電新能源等領(lǐng)域[2]。目前，鋁用碳素行業(yè)發(fā)展主要面臨內(nèi)部產(chǎn)能過剩、自動(dòng)化水平低、碳排放量高、資源化水平低等問題[3]。

2006 年12 月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了《鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（試行）》，2022 年3 月，河南省“十四五”清潔生產(chǎn)方案明確要求大力推進(jìn)重點(diǎn)行業(yè)清潔低碳改造，推動(dòng)能源、鋼鐵、焦化、建材、有色金屬、碳素、石化、化工等重點(diǎn)行業(yè)“一行一策”綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快存量企業(yè)及園區(qū)實(shí)施節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、減污、降碳等系統(tǒng)性清潔生產(chǎn)改造。

碳素行業(yè)是非金屬制品業(yè)的重要組成部分，主要產(chǎn)品有電解鋁用預(yù)焙陽極和石墨電極等，我國是世界電解鋁第一大國，產(chǎn)能占全球的一半以上[4-5]。近年來，隨著鋁工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，鋁用碳素產(chǎn)能總量嚴(yán)重過剩，區(qū)域結(jié)構(gòu)性供需矛盾更加突出，鋁用碳素需求將進(jìn)入平臺(tái)期[6-7]。黨的二十大報(bào)告中明確提出，要推進(jìn)美麗中國建設(shè)，協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長，推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展。因此，開展清潔生產(chǎn)審核工作，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，推動(dòng)綠色低碳的生產(chǎn)方式，持續(xù)提升自身的清潔生產(chǎn)水平，是碳素行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。

本文結(jié)合碳素企業(yè)清潔生產(chǎn)實(shí)例，旨在分析清潔生產(chǎn)技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用情況及取得的成效，為該類行業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)審核提供思路，助力企業(yè)通過清潔生產(chǎn)審核提高綠色低碳轉(zhuǎn)型效率，加快形成綠色生產(chǎn)方式，為國家的節(jié)能減排工作做出貢獻(xiàn)。

1 企業(yè)概況

該企業(yè)成立于2014 年01 月，主要生產(chǎn)、加工、銷售碳素制品，企業(yè)有嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，各項(xiàng)理化指標(biāo)符合《鋁電解用預(yù)焙陽極》（YS/T 285-2012）標(biāo)準(zhǔn)，具有穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)勢(shì)。公司占地16.53 hm2，總建筑面積16.5 萬m2，現(xiàn)有員工350 人，主導(dǎo)產(chǎn)品為鋁電解用預(yù)焙陽極，配套有原料制備系統(tǒng)、石油焦煅燒系統(tǒng)、生陽極制造系統(tǒng)、陽極焙燒系統(tǒng)，具有年產(chǎn)15 萬t 預(yù)焙陽極炭塊的生產(chǎn)能力。

2 主要污染源及污染物

2.1 廢氣

廢氣來源主要有以下幾個(gè)方面。

（1）原料制備系統(tǒng)：主要包括煅前焦轉(zhuǎn)運(yùn)輸送、貯存、破碎產(chǎn)生的粉塵；煅后焦輸送、貯存產(chǎn)生的粉塵；中碎、篩分、配料、磨粉粉塵。（2）石油焦煅燒系統(tǒng)：煅燒爐產(chǎn)生的煅燒煙氣，主要污染物為煙塵、二氧化硫、氮氧化物；余熱鍋爐產(chǎn)生的煙塵、二氧化硫、氮氧化物；煅后焦輸送、貯存過程產(chǎn)生的粉塵等。（3）瀝青保溫系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣，主要污染物有粉塵、瀝青煙、苯并芘；混捏成型工序產(chǎn)生的廢氣，主要污染物為粉塵、瀝青煙、苯并芘；高濃度瀝青煙焚燒爐產(chǎn)生的廢氣，主要污染物為苯并芘、瀝青煙。（4）生陽極制造系統(tǒng)：中碎、篩分、配料、磨粉產(chǎn)生的粉塵。（5）陽極焙燒系統(tǒng)：包括填充料清理粉塵；炭塊清理粉塵；焙燒爐產(chǎn)生的焙燒煙氣，主要污染物有煙塵、二氧化硫、氮氧化物、瀝青煙、苯并芘等。

2.2 廢水

廢水污染物主要包括余熱鍋爐排水、軟水裝置排污水、煅燒循環(huán)水系統(tǒng)排污水、生陽極冷卻循環(huán)冷卻水、焙燒煙氣噴霧冷卻水、煅燒煙氣脫硫系統(tǒng)循環(huán)水和生活污水等。

2.3 噪聲

噪聲主要包括風(fēng)機(jī)、水泵等公用設(shè)備噪聲及破碎機(jī)、篩分機(jī)、振動(dòng)成型機(jī)生產(chǎn)線等工藝噪聲。

2.4 固廢

固體廢物主要有各除塵器產(chǎn)生的除塵灰，收集后全部返回各自工段回用。脫硫裝置產(chǎn)生的脫硫石膏，作為一般固廢外售。振動(dòng)成型產(chǎn)生的殘次品、焙燒后產(chǎn)生的殘次品、廢耐火磚等，外售給有需要的廠家。電捕焦油器捕集的焦油、瀝青保溫罐定期清理的瀝青渣、導(dǎo)熱油爐更換的廢導(dǎo)熱油，屬于危險(xiǎn)廢物，采用專用容器進(jìn)行收集，最終交由危廢處置單位統(tǒng)一處置。生活垃圾經(jīng)企業(yè)收集清理后由當(dāng)?shù)丨h(huán)衛(wèi)部門清運(yùn)至垃圾處理廠，企業(yè)固廢均得到合理處置。

3 企業(yè)清潔生產(chǎn)潛力分析

3.1 原輔材料和能源消耗

企業(yè)陽極炭塊生產(chǎn)過程中使用的原輔材料是石油焦、瀝青等，原輔材料的采購由質(zhì)檢部負(fù)責(zé)提供采購標(biāo)準(zhǔn)，財(cái)務(wù)部制訂有采購計(jì)劃和質(zhì)量管理體系，企業(yè)對(duì)采購的原輔材料有嚴(yán)格要求，杜絕“三無”產(chǎn)品進(jìn)入。企業(yè)生產(chǎn)過程中、物料在輸送過程中都可能存在損失，在生產(chǎn)過程中除煅燒揮發(fā)份損失外，還包含收塵器損失和無組織排放等。因此，建議企業(yè)對(duì)原輔材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝卸等環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理，如運(yùn)輸車輛加蓋防護(hù)罩、各輸送通道密封操作、文明裝卸、原料堆場(chǎng)及主要道路定期噴灑水等，防止物料散落，避免揚(yáng)塵污染。

企業(yè)水源由集聚區(qū)給水管網(wǎng)提供，生產(chǎn)過程中的廢水全部循環(huán)利用，不對(duì)外排放，生活污水經(jīng)廠區(qū)化糞池處理達(dá)標(biāo)后，通過市政污水管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠進(jìn)一步處理達(dá)標(biāo)后排放。企業(yè)絕大部分依靠市政供電（約90%），其他來自廠區(qū)余熱發(fā)電系統(tǒng)。為了充分利用煅燒余熱資源，企業(yè)建設(shè)有煅燒余熱利用系統(tǒng)，利用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，能夠滿足廠區(qū)10% 左右的用電需求。近3 年，企業(yè)單位能耗基本穩(wěn)定，用電管理水平保持較好，但部分生產(chǎn)工序電耗仍有降低空間。建議企業(yè)制定能源管理考核制度、節(jié)能減排考核獎(jiǎng)懲辦法等措施，加強(qiáng)對(duì)能源的管理。企業(yè)通過本次清潔生產(chǎn)審核，預(yù)計(jì)物耗、能耗有所降低。

3.2 技術(shù)工藝和設(shè)備

該企業(yè)煅燒爐選用的是44 罐、8 組8 層火道罐式煅燒爐，混捏工序選用4 000 L 雙層混捏鍋，成型設(shè)備選用單工位振動(dòng)成型機(jī)，焙燒爐采用38 室敞開式焙燒爐，連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，裝出爐易于機(jī)械化，焙燒升溫控制調(diào)節(jié)方便。依據(jù)碳素行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)、裝備指標(biāo)先進(jìn)，但部分生產(chǎn)工序設(shè)備運(yùn)行效率不高，建議企業(yè)建立預(yù)防性維修設(shè)備制度，確保各生產(chǎn)設(shè)備均能正常良好運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度地減少資源能源浪費(fèi)。

3.3 產(chǎn)品

產(chǎn)品主要是預(yù)焙陽極炭塊，企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求，在生產(chǎn)過程中通過提高生產(chǎn)控制水平進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的合格率。

3.4 廢棄物

企業(yè)的主要廢棄物為廢水、廢氣、噪聲、固廢。生產(chǎn)廢水全部回用不外排，生活污水，主要污染物為COD、SS、氨氮，經(jīng)廠區(qū)化糞池預(yù)處理后，經(jīng)過市政污水管網(wǎng)進(jìn)入污水處理廠，進(jìn)一步處理，達(dá)標(biāo)后排放。企業(yè)廢氣主要有煅燒煙氣、焙燒煙氣、瀝青保溫系統(tǒng)廢氣、混捏成型廢氣、各破碎、粉磨、料倉、配料等工段產(chǎn)生的粉塵等，分別經(jīng)過除塵、焚燒、脫硫、脫硝等處理設(shè)施處理達(dá)標(biāo)后排放。企業(yè)產(chǎn)生噪聲的主要設(shè)備設(shè)在室內(nèi)，基本不對(duì)廠區(qū)外產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的固體廢棄物均能夠得到合理妥善的處理。

3.5 管理

企業(yè)建立并不斷完善管理體系，堅(jiān)持管理與技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，針對(duì)自身特點(diǎn)，不斷對(duì)現(xiàn)有工藝、設(shè)備進(jìn)行改造，不斷優(yōu)化考核措施，有效實(shí)施能源管理，提高能源的利用效率，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，推動(dòng)了企業(yè)健康快速發(fā)展。企業(yè)制定有完整的《環(huán)境保護(hù)管理制度》《環(huán)境監(jiān)測(cè)管理制度》《突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案》《清潔生產(chǎn)管理制度》《安全生產(chǎn)管理制度》《設(shè)備檢修及管理制度》，包括環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、管理制度、工作目標(biāo)、做到管理有標(biāo)準(zhǔn)，工作有目標(biāo)，人人有職責(zé)，崗崗有規(guī)定，考核有依據(jù)。

3.6 資源能源利用及產(chǎn)排污情況對(duì)比

根據(jù)審核咨詢小組實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合行業(yè)專家指導(dǎo)，對(duì)比同類型同規(guī)模企業(yè)情況具體如表1 所示。

依據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的《鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（試行）》，計(jì)算企業(yè)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為P = 0.7 ? 99.88 + 0.3 ? 84 = 94.42，企業(yè)屬于清潔生產(chǎn)先進(jìn)企業(yè)。但由于該行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系較早，審核小組結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀與同行業(yè)企業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析，其生產(chǎn)流程仍存在需要改進(jìn)的薄弱環(huán)節(jié)，以提高自身的清潔生產(chǎn)水平。

通過采用權(quán)重計(jì)分排序法確定審核重點(diǎn)為煅燒車間，將降低石油焦單耗、電耗，減少煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放作為此次審核的主要目標(biāo)。

4 主要清潔生產(chǎn)技術(shù)方案設(shè)計(jì)及效果分析

企業(yè)根據(jù)分析出的清潔生產(chǎn)潛力，從源頭、生產(chǎn)過程和工藝裝備入手，重點(diǎn)在節(jié)電、節(jié)天然氣，減少煙粉塵、氮氧化物排放等方面采取了脫硫系統(tǒng)增加板框壓濾機(jī)、鍋爐省煤器改為外置省煤器、脫硫塔除霧器改為高效旋球除霧器等清潔生產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到了“節(jié)能、降耗、減污、增效”的目的，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境均得到了明顯改善，詳細(xì)方案如下。

4.1 脫硫系統(tǒng)增加板框壓濾機(jī)

4.1.1 方案提出

現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)使用的脫硫石膏脫水裝置為真空皮帶機(jī)，該設(shè)備運(yùn)行過程中存在石膏脫水效果不好的現(xiàn)象，濾餅脫水效果差，導(dǎo)致前方脫硫工序漿液濃度偏高，脫硫效率低。

4.1.2 方案內(nèi)容

增加一臺(tái)板框壓濾機(jī)，提高濾餅脫水效果，保證脫硫塔脫硫漿液濃度，改造后濾餅含水率和控制在9%～15%，提高脫硫效率。

4.1.3 方案效果分析

板框式壓濾機(jī)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成隔膜壓榨功能，不僅效率高，并且可以很大程度地節(jié)省用電消耗。另外提升泥餅干度，降低泥餅含水率，隔膜壓榨對(duì)靜態(tài)過濾結(jié)束后的濾餅進(jìn)行二次壓榨，使濾餅的結(jié)構(gòu)重排，致密度加大，從而置換出一部分水分，提高了干度。改造后提高脫硫效率，年減少二氧化硫排放量0.93 t/a，確保脫硫漿液濃度，減少脫硫塔堵塞現(xiàn)象，減少脫硫塔清理次數(shù)，原清理周期由1 月/次延長為3 月/次，年減少脫硫塔清理次數(shù)8 次，減少清理費(fèi)用16 萬元；減少脫硫循環(huán)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，年節(jié)約用電42.05 萬kWh，年度綜合經(jīng)濟(jì)效益45.44 萬元。

4.2 鍋爐省煤器改為外置省煤器

4.2.1 方案提出

煅燒余熱鍋爐利用煅燒煙氣余熱產(chǎn)生蒸汽并發(fā)電，原余熱鍋爐的省煤器為內(nèi)置省煤器，經(jīng)多年運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行效率，故障率高，一方面煅燒余熱利用效率低，另一方面內(nèi)置省煤器不利于檢修，增加維修成本。建議將鍋爐內(nèi)置省煤器改為外置省煤器。

4.2.2 方案內(nèi)容

將廠區(qū)15 t/h 蒸汽鍋爐、7 t/h 蒸汽鍋爐的原內(nèi)置省煤器改為外置省煤器，增加至煙氣脫硝裝置與袋式除塵裝置中間，一方面可提高煙氣余熱利用率，增加蒸汽產(chǎn)量；另一方面可提高檢修效率節(jié)約維修成本。煙氣進(jìn)外置省煤器之前溫度在200 ℃左右，經(jīng)余熱利用后出口溫度可降至90 ℃左右，可降低脫硫塔入口溫度，提高脫硫效果，提高煙氣中氮氧化物處理效率。

4.2.3 方案效果分析

外置省煤器可進(jìn)一步提高給水溫度，提高鍋爐的蒸發(fā)量降低煙氣溫度，回收煙氣熱量，提高鍋爐熱效率，節(jié)省燃料。方案實(shí)施后，降低煙氣流速，減少對(duì)除塵設(shè)備的沖擊，提高除塵器除塵效果，降低煙氣溫度，利于脫硝，否則煙氣溫度高會(huì)導(dǎo)致脫硝效果差，提高煙氣中氮氧化物處理效率，年減少顆粒物排放量0.679 t/a，減少二氧化硫排放量0.785 t/a，減少氮氧化物排放量2.961 t/a；充分利用余熱，提高煙氣利用率，年增加蒸汽產(chǎn)量21 600 t，蒸汽單價(jià)130 元/t 計(jì)，增加效益280.8 萬元。

4.3 脫硫塔除霧器改為高效旋球除霧器

4.3.1 方案提出

現(xiàn)有煅燒車間脫硫塔內(nèi)部設(shè)計(jì)為三層除霧器，采用傳統(tǒng)的除霧器，運(yùn)行效果較差且容易造成堵塞，使煙氣流通面積減少，煙氣流速增加，降低除霧器去除霧滴的效率，影響生產(chǎn)負(fù)壓及脫硫除塵效果；此外，除霧器的結(jié)垢和堵塞，會(huì)造成人除霧器的阻力大大增加，增加增壓風(fēng)機(jī)（或引風(fēng)機(jī)）的出力，增加了電耗。

4.3.2 方案內(nèi)容

將脫硫塔原除霧器第一層、第二層改為高效旋球除霧器，提高脫硫、除塵效果，且此種除霧器為動(dòng)態(tài)除霧器，不易造成堵塞。

4.3.3 方案效果分析

高效旋球除霧器包括由上擋板、浮球筒和下?lián)醢鍢?gòu)成的浮球倉、堆放在其中的浮球和設(shè)在其下方的浮球風(fēng)機(jī)。屬于一個(gè)專利技術(shù)發(fā)明，可完全取代傳統(tǒng)除霧器。高效旋球除霧器除霧效率高，達(dá)到95% 以上；煙氣降溫效率高，達(dá)到45 ℃以上，二氧化硫排放濃度在30 mg/Nm3以內(nèi)，含塵濃度在5 mg/Nm3以內(nèi)。只需利用原有吸收塔空間進(jìn)行改造，不改變吸收塔外部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，甚至無須單獨(dú)維護(hù)，具有自潔功能，吸收率高效穩(wěn)定，煙氣出口指標(biāo)穩(wěn)定。技術(shù)運(yùn)用成熟，效果穩(wěn)定。

方案改造后，提高脫硫、除塵效果，進(jìn)一步阻斷顆粒物排放，年減少顆粒物排放量0.835 t/a，減少二氧化硫排放量1.020 t/a，減少氮氧化物排放量3.592 t/a；提高除霧器使用壽命，減少脫硫塔堵塞，節(jié)約成本，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，年節(jié)電15 萬kWh，年度綜合經(jīng)濟(jì)效益34.5 萬元。

5 結(jié)語

碳素行業(yè)是國家的重要原材料工業(yè)，具有工藝較為復(fù)雜，污染較大，且存在一定環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等特征。開展清潔生產(chǎn)審核工作，加快發(fā)展方式綠色轉(zhuǎn)型，推動(dòng)綠色低碳的生產(chǎn)方式，持續(xù)提升自身的清潔生產(chǎn)水平，是碳素行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。實(shí)踐證明：實(shí)施清潔生產(chǎn)技術(shù)改造工作，助力企業(yè)改進(jìn)工藝和設(shè)備，配備高效末端治理裝備，解決能耗高、污染重等問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋁用碳素行業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于碳素行業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)大體相同，因此，該公司成功實(shí)施的清潔生產(chǎn)技術(shù)在整個(gè)行業(yè)有較高的參考應(yīng)用價(jià)值，有助于提高行業(yè)整體清潔生產(chǎn)水平。