炭素工業焙燒爐煙氣污染治理技術的研究和應用

張 銳，豐慶國，董守東，萬加兵（鹽城蘭豐環境工程科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

現代工業中，火電、冶金、化工和建材等行業在生產過程中，都有大量含有粉塵的煙氣排放，石墨電極是炭素行業的主要產品，焙燒爐是其主要的污染來源，炭素行業作為粘接劑的瀝青煙氣治理，一直是業內大氣環境治理的大難題，也是嚴重制約行業高質量、可持續發展的主要因素。蘭豐環境作為水泥行業的著名環保企業，也是專業從事煙氣粉塵系統治理的國家級高新技術企業，利用其國家863超潔凈排放項目的實施單位和國家煙氣冶理重點實驗室骨干成員單位的技術優勢，在焙燒爐煙氣冶理技術的研究和應用上，針對碳素焙燒的煙氣特性，研究開發了炭素焙燒煙氣多污染物深度凈化的超低排放技術，生產出集脫硫、脫硝、除塵一體化的新一代除塵設備和功能材料，實現了國內第一套炭素行業焙燒爐煙氣多污染物的深度凈化和超低排放。

1 煙氣特性及煙氣治理的技術途徑

炭素焙燒產生的煙氣具備以如下特性：

（1）煙氣中的瀝青焦油較多。瀝青焦油煙氣成分復雜，含有數百種物質，其中酣類、蒽荼類、并芘等多環芳烴類物質對人類和動植物都有危害性，特別是苯并芘屬于強致癌物質，應予特別的關注。

（2）煙氣中的SO2含量較低，最高只有700 mg/m2； 煙氣中的NOx含量一般，通常在500mg/m2 左右。

（3）出口煙氣溫度較低，正常在90～120℃，經過電捕焦后只有70～90℃。

（4）煙氣中粉塵含量也不高，主要由一級電捕焦器收集。

針對焙燒爐的煙氣特性，我們在采取了以下三種措施：

（1）采用三層噴淋層，嚴格控制每層間距2m，確保每層的覆蓋率在250%以上。

（2）采取兩層增效環，防止局部煙氣塔壁短路現象（見圖1）。

圖1 雙層增效環

（3）針對焙燒爐煙氣成分復雜、有機物濃度高的特性，為滿足高標準的除塵要求，研究認為氣速小于1.8m/s的狀態下，收塵效率更佳。

2 系統設計和技術特點

根據炭素焙燒的工藝特性和煙氣多污染物深度凈化、超低排放的技術要求，在系統設計中采用分級凈化、多級聯動、協同治理的核心技術，用SNCR脫硝技術，實現低濃度NOx的一級有效脫除；通過新型多功能高容炭基吸附材料高效去除煙氣中的瀝青煙和苯并芘（一級），兼顧SO2（一級）、NOx（二級）的共吸附脫除；采用新型深度袋式除塵技術高效去除煙塵（一級），吸附工藝與袋式除塵的有機耦合（噴射炭基脫硝材料），實現有機物、重金屬等多污染物的二級脫除以及三級高效脫硝；通過雙區托盤脫硫技術，配套多孔托盤、高效除霧噴淋裝置，實現硫塵霧（二級）的高效凈化；末端采用高效濕法電除塵進一步實現煙氣中微細顆粒物PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、重金屬和有機污染物的深度凈化（三級）。

2.1 脫硫系統

采用鈣法脫硫工藝，流程如圖2所示。脫硫劑：采用200目～320目石灰粉或石灰石粉；鈣硫比：1.01～1.03；SO 脫除率≥99% 。

圖2 脫硫工藝流程圖

系統采用專利的脫硫增效技術，能夠有效地降低液/氣比，有利于塔內氣流均勻，提升脫硫效率15%。采用深度濕法脫硫除塵一體化技術，通過高效除霧器、高效節能噴淋裝置和多孔托盤裝置提高脫硫除塵效率（見圖3）。

圖3 脫硫除塵一體化技術

除霧器采用一層管式加三層屋脊的獨特設計，葉片間距從30mm到25mm，葉片傾角37°，確保全塔無除霧死角，可達到極限霧滴去除顆粒尺寸170μm。優化的噴淋布置方式，采用多種噴嘴組合，在提升自身霧化效果的同時提高二次碰撞的效果；為避免氣液短路，專門設計了防壁流裝置。采用多孔持液托盤技術，通過旋流撞擊托盤，保證氣流通暢、均勻。

系統設計的核心技術上，在系統關鍵點采用數值模擬分析（見圖4），提升凈化效率。

圖4 系統模擬分析圖

2.2 脫硝系統

采用SNCR煙氣脫硝技術，通過爐內噴入脫硝還原劑，在850～1100℃的溫度范圍內，在無催化劑的環境下，還原劑優先與NOx進行反應，生成無害、無污染的氮氣和水；通常在保證還原劑合理的運行成本條件下，氨的逃逸量不超過10×10-6的前提下，達到60%左右的脫硝效率。脫硝裝置的采用獨特的設計（見圖5），具備以下技術特點：

（1）深度凈化技術：采用先進壓力控制系統有效提高還原劑的噴射力度、增強煙氣滲透能力。

（2）采用技術先進噴槍，能夠改善噴射角度和霧化粒徑尺寸，讓噴入的還原劑在煙氣中分布更均勻，混合更充分。

（3）采用流場模擬技術，能夠有效選擇可持續維持恰當反應溫度范圍和足夠反應停留時間的噴槍安裝位置。

（4）運行穩定技術：還原劑采用多級噴射技術，可有效地提高SNCR脫硝效率；通過提高自動化控制系統響應特性，以適應負荷的不斷變化。

圖5 脫硝設備

2.3 濕法電除塵器系統

濕法電除塵器主要用于燃煤鍋爐脫硫后的粉塵深度處理，排放可達5mg/m3，甚至更低，達到近零排放的要求。被廣泛應用于電力、冶金、炭素等行業濕煙氣深度凈化、超低排放。作為用于處理含微量粉塵和微顆粒的除塵設備，濕法電除塵器主要用來除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、PM2.5等有害物質，是治理大氣粉塵污染的理想設備。

濕法電除塵器的除塵原理與干式電除塵器基本相同，主要有荷電、收集和清灰三個階段，含塵氣體通過進口經氣流分布板進入電場，同時噴嘴將霧化后的水霧噴入電場中的氣流中，水霧與粉塵碰撞凝聚成較粗的顆粒，粉塵與水滴在電荷的作用下被集塵板捕集，收集灰塵形成連續向下流動的一層水膜，剩余煙氣經煙囪排向大氣（見圖6）。

圖6 濕法電除塵器的除塵原理

濕法電除塵器的結構如圖7所示。

圖7 濕法電除塵器的結構

我們在研發高效濕法電除塵器時，結合用戶需求，進行了設計優化、創新，形成如下技術特點：

（1）可靠的固定裝置：采用重錘+整體固定框架+張緊絕緣箱的可靠固定措施，避免陰極線因高氣速氣流的沖擊而出現晃動，確保除霧效率。

（2）高效的電暈極線：采用高效極線（鈦合金、2205、鉛銻合金），具有放電點多、效率高、起暈電壓低、耐腐性好、使用壽命長等優點。

（3）先進霧化凝并技術：采用連續噴淋霧化水，通過其傳質、碰撞、凝并作用，促使霧滴增大，保證霧滴和氣溶膠的高效去除。

（4）特殊蜂窩式導電管束：管束內壁表面進行特殊親水性處理，保證內壁在工況下形成連續的液相膜，除霧效率高，清灰效果好。

（5）先進絕緣保護系統：絕緣箱采用熱風正壓保護裝置，絕緣性能更為可靠，避免“污閃”現象。

（6）智能的人機控制系統：采用DCS控制系統，實現分散控制、集中管理。滿足企業的高柔性、高效益的發展要求。

3 工程應用效果

部分工程項目現場實際見圖8。

圖8 工程項目現場

通過實際的工程應用效果統計（見表1），采用本工藝技術進行煙氣治理的項目，均獲得了較好的凈化效果，達到了煙氣超低排放的目標要求。

4 結語

（1）通過持續的技術研發和設計優化，我們生產出國內第一套炭素行業焙燒爐煙氣脫硫、脫硝和濕法電除塵系統裝置，用于工程項目，取得了良好的凈化效果，實現了炭素工業焙燒爐煙氣的超低排放。

（2）本系統設計中，通過焙燒煙氣的超低排放技術，可以有效地實現一級脫硝、二級脫硫、三級除塵、四級脫硝、三級脫碳及其有機物的深度聯動治理，有效地實現炭素行業焙燒爐煙氣的超低排放指標：粉塵≤5 mg/m3；SO2≤35 mg/m3；NOx≤50 mg/m3；瀝青煙≤10 mg/m3，苯并芘≤0.3 μg/m3。

表1 工程應用效果

（3）系統設計充分考慮循環利用、以廢治廢，多功能炭基吸附材料就來自于炭素產品的直接應用，吸附質被送回焙燒解析，并被氧化脫除。系統安全性和智能化化程度較高，研發了阻燃防爆除塵裝置，配備智能化控制系統。

（4）系統整體設計、協同治理，延長了系統的使用壽命，降低了環保的投資和運行成本。設計中煙氣的停留時間較短，既提高了設備的除塵效率，也保護了設備不易發生腐蝕。