淺述炭素焙燒爐煙氣凈化技術的應用與發展

摘 要 本文論述了炭素焙燒爐煙氣凈化技術的應用與發展，對炭素焙燒爐煙氣凈化技術走可持續發展的道路提供了一定的見解。

關鍵詞 炭素焙燒爐 煙氣凈化技術 應用 發展

一、引言

炭素焙燒爐排放的瀝青煙氣，因其中某些成分有致癌作用，日益受到人們的關注。隨著環境管理的深化和環保技術的發展，近年來國內外瀝青煙氣的治理工作有了較大的進展。由于炭素焙燒工藝的不斷改進，焙燒周期逐漸縮短，以天然氣為燃料使用電磁脈沖控制系統的敞開式焙燒爐，焙燒周期已從早期的216h縮短為150h～160h。新焙燒工藝下焙燒爐煙氣中大量的瀝青、飛灰炭及瀝青粉塵混合物在電捕器內沉積后難以清理，成為電捕法治理焙燒爐的難題之一。

二、對炭素焙燒爐煙氣凈化技術應用的分析與認識

（一）凈化方案之間的選擇比較

凈化方案：

由于焙燒爐不同，產品生產規模、廠區環境和地理氣象條件等諸因素的不同，煙氣的數量、溫度和成分差別很大。對于環式焙燒爐，分為密閉式和敞開式兩種爐型。密閉式焙燒爐中，瀝青揮發通過填料到達爐蓋下部空間，然后被抽入煙道排出。其密閉性好，摻入空氣量少，氧氣含量低，不能燃燒，因此煙氣溫度低，瀝青煙含量高，粉塵含量低。敞開式焙燒爐則不然，其大量空氣通過填充料層進入煙道，氧氣充足可引起部分揮發分燃燒。此時輕質烴大多燒除，而殘留的主要是重餾分。由此可見，其煙氣溫度高，粉塵濃度高，焦油含量低，焦油成分中輕餾分少。兩種爐型煙氣狀況見表1。

因而，合理選用凈化方案是設計者遇到的頭等問題。目前，國內外采用的凈化方法有靜電捕集法、氧化鋁吸附凈化法、堿吸收濕法及焦粉吸附凈化法。焙燒爐煙氣成分因焙燒爐和工藝條件的不同而出現差異，使得各種凈化方法的使用各有利弊，即適用范圍和應用廣度也不同。

第一，靜電捕集法。目前國際上密閉式焙燒爐煙氣治理以靜電捕集法為主（約占85%）。我國密閉爐煙氣凈化也基本采用此法，諸如吉林、上海、撫順、南通、成都炭素廠及貴州鋁廠陰極焙燒爐等。其主要凈化設備為電捕焦油器，有同心圓式電捕焦油器、普通臥式電捕焦油器和寬極距預荷電式電捕焦油器三種結構形式。同心圓式電捕焦油器采用單電場，凈化效率不穩定;普通臥式電捕焦油器凈化效率大于90%，比同心圓式電捕焦油器略有提高，運行穩定性有所提高。寬極距預荷電式電捕焦油器極距加寬到400mm～500mm，在電捕焦油器前增加了全蒸發冷卻塔。該塔是利用水的汽化潛熱使煙氣降溫，通過控制水霧化質量、塔內流場等影響速率的因素，使液滴運動到塔壁和塔底之前全部蒸發，塔內壁無水滴，塔出口不帶水，出口溫度控制在80±5℃。煙氣降溫過程中，氣態焦油凝結成液滴，并使焦油滴粒徑增大，以利于電捕焦油器捕集。目前，吉林、撫順、貴州等鋁廠已采用此方法。其瀝青煙凈化效率可提高到98%，瀝青煙出口濃度低于20mg/Nm3。第二，焦粉吸附凈化法。該方法是采用生產原料焦粉作為吸附劑，以吸附煙氣中的瀝青煙，然后經布袋除塵器實現氣固分離。其吸附瀝青焦油的凈化效率高，而且用過的吸附劑可返回生產系統使用。但其對鋁電解廠回用殘極的陽極焙燒爐產生的氣氟的吸附能力差。

（二）凈化系統自動控制的應用

設計者側重于對電捕集器著火防爆以及管道著火的控制與報警。對決定著電捕集器入口參數的全霧化噴淋裝置內而言，其諸參數結構的變化，對系統的影響還沒有給予重視。設計者大多還是根據工程經驗進行設計。噴水量、冷卻水溫度、煙氣量等對煙氣冷卻的影響，許多文獻大多只是提及或沒有提及，更沒有給予量化，因而造成系統運行可靠性差，控制不到位等情況的發生。其成為系統頻繁發生故障或著火燃爆的罪魁禍首。同時，其也造成了系統能源和水資源的浪費。

（三）炭素焙燒爐瀝青煙氣凈化系統可靠性研究

由于炭素電極作為重要的導體和還原劑，在生產制造過程排出的瀝青煙氣中含有大量的有害物質和粉塵，易發生煙道著火、電捕集器燃爆，嚴重時發生焙燒爐爆炸事故，因此其有必要對煙氣凈化系統進行可靠性分析。通過對其進行可靠性分析，得出炭素焙燒爐瀝青煙氣凈化系統可靠性差，危險性大。其中，煙道、霧化噴淋和電捕集子系統為重要環節。而且其噴淋霧化子系統對整個系統的可靠運行影響最大。該系統既是整個系統的關鍵環節，也是最薄弱環節。

在對瀝青煙氣凈化系統作可靠性分析時，將“煙氣排放超標T”這一事件作為系統的頂事件。其子事件有煙道著火A，霧化噴淋系統不能正常工作B，電捕集器故障C，排煙風機故障D，焙燒爐故障E等。其采用下行法分別對子系統A、子系統B和子系統C的故障樹求取最小割集，得出系統T頂事件發生的最小割集共有27個。而且系統T的子系統A、B、C、D和E的重要度順序為：

I27（B）>I27（C）>I27（A）>I27（D）=I27（E）

通過對瀝青煙氣凈化系統進行可靠性分析，得出以下結論：

第一，系統T的故障樹與門少，或門多，最小割集共有28個，則頂事件（煙氣排放超標）的發生就有27種可能。這表明該系統可靠性差，危險性大。第二，子系統B的最小割集數量最多，達14個，說明該系統不穩定，是整個系統中的薄弱環節。第三，電捕集器入口煙氣溫度的高低直接由噴淋系統對煙氣進行氣體調制過程控制，因此子系統C的底事件y2和y11是由子系統B引起的，子系統B在整個系統中的地位極其關鍵。第四，系統T頂事件的發生取決于子系統A、B、C的可靠性，其中子系統B對頂事件發生的影響最大，子系統C的影響次之，而子系統D和E對頂事件發生的影響較小。

分析結果與工程實際是一致的。

三、依靠技術進步，以促進炭素焙燒爐煙氣凈化技術的可持續發展

（一）稀相流化床法

稀相流化床技術包括三個基本環節：煙氣冷卻、吸附凈化、氣固分離。焙燒爐煙氣首先進入冷卻塔，采用噴霧冷卻的方法使煙氣溫度下降，造成焦油冷凝，第二步將煙氣導入一個使之加速，形成湍流的裝置，并從此加入吸附劑，使氣固充分接融，冷凝焦油附著于吸附劑表面，完成煙氣凈化，最后含有吸附劑的氣流通過布袋除塵器、固體被阻留、分離、回收，干凈氣體經煙囪排入大氣。

（二）濃相沸騰床法

美國鋁業公司煙氣凈化一直使用沸騰床技術。焙燒爐煙氣凈化不僅要除氟，同時還要除瀝青焦油和降溫。仿照A-398法（鋁電解煙氣干法凈化技術）試驗時，曾發現篩板堵塞，因而對沸騰床反應器做了相應的修改。新氧化鋁從一端以150kg/h～350kg/h的速率加入沸騰板的上部，從篩板底下鼓入新鮮空氣，使氧化鋁流態化，而煙氣從沸騰床的兩側進入床層，使煙氣與氧化鋁密切接觸，煙氣中的氟、瀝青焦油和粉塵被捕集于氧化鋁之中，排氣經設在反應器上部的布袋濾塵器過濾后排空。新鮮空氣與煙氣量之比為1/5～1/8。煙氣冷卻降溫通過向沸騰床上噴水來實現，水量須嚴格控制，不能造成“濕床”。降溫可促使焦油冷凝提高吸附效率，并可保護濾袋不被燒壞，減少細粒氧化鋁飛揚。

（三）濕法凈化

最近的“濕法”已非早期的水洗法可比。水洗法雖然設備簡單，但除焦油效率低，達不到排放標準。干電捕可以除焦油，但對于敞開爐又不甚適宜。濕法凈化一般均配濕式電收塵器，為凈化氟、硫等氣態污染物，尚需加一級洗滌吸收設備。以日輕為貴州鋁廠設計的陽極焙燒爐煙氣凈化裝置為例，煙氣首先經過沉降室，噴霧使之飽和，分離一部分粗粉塵，避免收塵器極板上形成干區，從而造成焦油和粉塵黏附。然后其進入空心洗滌塔，塔高25.7m，上、下部直徑分別為3.8m和5.7m，空塔速度3.6m/s～2.0m/s，塔頂部布置28個噴嘴噴淋稀堿液，以吸收氟和硫化物。煙氣溫度降至70℃左右，再進入雙室二電場濕式電收塵器，進一步捕集焦油和粉塵后排空。洗滌液送至水處理場，投加氯化鈣使之產生氟化鈣、硫酸鈣沉淀，以此為晶核促使焦油和粉塵分離，再加PA-322凝聚劑加速絮凝沉降，經濃縮、過濾分離泥渣。其排水中含氟25.1mg/l，焦油13.4mg/l，而且與廠內其他廢水混合后可以符合排放標準。但其仍不免有二次污染之嫌。

（四）焦炭吸附法

焦炭吸附法又稱“黑法”，即用生產炭素制品的原料炭粉作吸附劑，吸附焦油后可以用于配制生陽極。炭粉的比表面積約8m2/g～10m2/g，對瀝青焦油有良好的吸附性。AI公司處理敞開式焙燒爐煙氣的“黑法”流程是先向煙道中噴水冷卻煙氣，然后引入文氏管，并向其中加入炭粉，使二者充分接觸進行吸附。當新炭粉投入量為6g/m3～20g/m3，循環炭粉60g/m3～150g/m3時，凈化效率可達99%。若煙氣中含氟，需在后部再加一套洗滌裝置予以吸收。廢水用石灰中和后排放。法國彼施涅公司向青海鋁廠報價書中采用“黑、白法”，即煙氣經炭粉吸附除焦油后，再加一段文氏管用氧化鋁吸氟。

（五）干電捕法

目前，國內已有幾個工廠（上海炭素廠、吉林炭素廠、撫順鋁廠等）采用單電場立式同心圓電捕焦油器處理焙燒爐煙氣，回收瀝青焦油后排空。運行電壓30kV～40kV，煙氣通過速度1m/s～1.8m/s。此法系由煤氣行業移植而來，流程最簡單，焦油捕焦效率在90%左右，排氣含焦油濃度可低于50mg/m3。

四、結語

第一，充分利用自控手段提高凈化系統運行的可靠性，抓住系統關鍵環節，重要參數實施實時監控。第二，至今因為瀝青煙氣的復雜性，難于模擬以及炭素生產規模龐大，難于現場做試驗，還沒有人專門對凈化系統各安全影響因素進行定性定量研究，關于凈化系統的安全可靠性還沒做系統性考慮。第三，對于電捕集系統，由于電捕集器極易著火，大部分設計者仍將重點放在該裝置上，采取的措施多是在電捕集器上端增加淋水裝置，以及自動切斷電源，改旁通煙道，直接將焙燒爐煙氣放于大氣。第四，加大故障發生源的研究。全霧化噴淋裝置在電捕集系統中起著重要的作用，對煙氣調質效果的好壞，直接影響電捕集器捕集瀝青的效率，并且影響瀝青回收工作的順利完成。因此，研究者要將研究重點，改進措施著眼在該冷卻裝置。第五，將冷卻塔的研究成果用于全霧化噴淋裝置內換熱換質過程的研究中，以有效控制煙氣處理溫度，達到節約水資源，降低廢水處理量的目的。

（作者單位為包頭鋁業有限公司）

[作者簡介：郭俊（1979—），男，工程師，主要從事鋁用炭素裝備的管理及技術研發的工作。]

參考文獻

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