鋁用炭素危廢瀝青煤焦油綜合利用技術的研究與應用

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 811601）

1 前言

隨著構建環保型社會的深入落實，節能減排工作已成為中央企業各項工作的重中之重。國務院關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知《國發〔2016〕74號》要求，各企業充分認識做好“十三五”節能減排工作的重要性和緊迫性。當前，我國經濟發展進入新常態，產業結構優化明顯加快，能源消費增速放緩，資源性、高耗能、高排放產業發展逐漸衰減。但必須清醒認識到，隨著工業化、城鎮化進程加快和消費結構持續升級，我國能源需求剛性增長，資源環境問題仍是制約我國經濟社會發展的瓶頸之一，節能減排依然形勢嚴峻、任務艱巨。

煤焦油是一種很有特色的化石燃料。與煤相比，燃燒潔凈，熱值高；與天然氣相比,安全、易于儲存且不受地域限制；與輕油相比，經濟便宜。國內電解鋁企業炭素生產系統產生的煤焦油目前無好的處置方法，2017年以前各鋁廠將煤焦油外銷，用于防水或結合劑使用。2017年國家環?？偩謱⒚航褂土腥胛U后各鋁廠收集后交專業廠家處理，處置費用3500-4000元/噸，煤焦油作為替代燃料越來越受到了人們的重視，在此背景下研究煤焦油燃燒技術顯然具有十分重要的現實意義。

國內名稱為重質燃料油的燃燒裝置，該裝置雖然解決了重油粘度較大，常常會因為霧化不好而影響燃燒效率，還容易堵塞輸油及燃燒管路的問題，但是該燃燒裝置適用于中粘度燃料油，而煤焦油的粘度高，該燃燒裝置不適用于煤焦油燃燒。本文將對煤焦油綜合利用技術進行介紹。

2 煤焦油的性質和燃燒條件分析

煤焦油是原油經過提煉后的副產品，一般是由裂化煤焦油、減壓煤焦油、常壓煤焦油或臘油等按不同比例調制而成。作為燃料選擇時，總體要求應該是熱值高、燃燒性能好、粘度適中、腐蝕性和固體雜質小，易于儲存和輸送。

2.1 性質

煤焦油是炭素生產系統瀝青溶化后析出的重要產品之一，其產量約占瀝青量的2%，其組成極為復雜，主要含有苯、甲苯、二甲苯、萘、蒽等芳烴，以及芳香族含氧化合物（如苯酚等酚類化合物），含氮、含硫的雜環化合物等多種有機物。煤焦油又稱煤膏、煤餾油、煤焦油溶液，是一種黑色或黑褐色粘稠狀液體，比重大于水，具有一定溶性和特殊的臭味，可燃并有腐蝕性。理化指標見表1。

表1 煤焦油理化指標

2.2 煤焦油燃燒需要解決的幾個問題

2.2.1 點火困難

原因是煤焦油的閃點較高，常態下難于著火燃燒。

2.2.2 燃燒過程析碳

這主要是由于煤焦油中高分子碳氫化合物含量高，不易燃盡，這種現象在采用壓力霧化的燃燒器中經常出現。

2.2.3 高污染排放

（1）高SO2排放。煤焦油中的硫在燃燒后全部以SOx的形式隨廢氣排出。粗略計算可知，當煤焦油的含硫量為2%時，在完全燃燒情況下，每立方米廢氣中可含有0.014kg的SO2，遠高于國家規定的排放要求。

（2）高NOx排放。這一方面是由于燃料與空氣的不均勻混合燃燒出現局部高溫而導致空氣中的氮熱力氧化產生；另一方面是煤焦油自身較高的含氮量在燃燒中轉化和氧化而產生的。

（3）高CxHy、CO和碳粒子等不完全燃燒物質排放。在霧化不良、油與空氣混合不均或油在燃燒高溫區中停留時間不足時，這種現象特別嚴重。

2.2.4 難于調節

表現在當負荷增加時，不完全燃燒損失及有害氣體排放明顯增加；而當負荷減小時，燃燒工況惡化,甚至出現熄火現象。

2.3 煤焦油燃燒條件

對用作燃料的煤焦油，除要求有高發熱量外，還要求：

（1）黏度低。以便于管道輸送，有利于噴吹霧化改善燃燒效率；煤焦油因含石蠟量多而黏度大，使用時需進行預熱。

（2）凝固點要低。一般煤焦油凝固溫度為22℃～36℃；對石蠟量多，凝固點高的煤焦油，應采取適當的加熱措施，以便于運輸和裝卸。

（3）閃點溫度高?？刹捎幂^高的預熱溫度，便于輸送和霧化，一般煤焦油的閃點在180℃～330℃，都高于需要預熱的溫度。

（4）油中的機械雜質和含水量要少。雜質多和含水量高，不僅降低了煤焦油的發熱量，而且使用時會引起燒嘴堵塞和火焰波動，故需進行過濾。

（5）含硫要低。一般含硫量為0.15%～0.30%，但也有少數煤焦油含硫高達2%，使用中造成不良后果。

天然氣熱值在10000～11000kcal/Nm3，燃燒溫度1882℃，如將煤焦油燃燒所需的條件滿足，完全可替代天然氣作為燃料，目前鑫業公司最大的天然氣消耗點在焙燒系統，該系統擁有國內最先進的燃燒控制系統和煙氣凈化系統，火道墻內溫度高達1100℃，是燃燒煤焦油的理想場所。

3 煤焦油綜合利用技術

煤焦油再生能源機是為粘度高、霧化性能差的煤焦油專門設計的提高燃燒性能的燃燒裝置，主要由煤焦油箱、預熱器、油過濾器（粗濾、精濾）、煤焦油泵、溢流閥、流量調節閥（截止閥）、燃燒器、脈沖閥、電器系統、溫控系統、機架及閥門和管道等組成（如圖1）。

圖1 煤焦油燃燒機結構圖

煤焦油在油箱內被加熱軟化，經兩級過濾后進入煤焦油泵加壓，溢流閥調節油壓到需要的壓力，加壓后的煤焦油通過流量調節閥進入燃燒器，需要燃燒時溫控系統啟動脈沖閥，煤焦油通過燒嘴噴入到燃燒室內，多余的煤焦油經回油管路流回油箱。

3.1 預熱系統

預熱系統由油箱、預熱器、溫度計和保溫裝置組成。用于加熱煤焦油至一定溫度，減小粘度，以增加煤焦油霧化效果。

3.2 過濾系統

過濾系統由三級過濾器（篩網、粗濾、精濾）、排污閥、反沖洗管路、快開門組成。第一級過濾為鋼絲篩網，布置在油箱加油口，可避免加油時大顆粒雜物進入到油箱內；第二級過濾為吸吮式過濾器（粗濾），安裝在油泵入口處；第三級過濾為藍式過濾器（精濾），安裝在油泵入口管道上，后兩級過濾器均可拆卸清洗，使用一定周期后需更換。三級過濾裝置保證了油質的清潔，避免油泵非正常磨損，最主要是防止燃燒器燒嘴的堵塞。當使用一定周期后打開排污閥將油箱內的油垢排出，防止形成結垢堵塞過濾器。油泵溢流回油管安裝在吸吮式過濾器旁邊，只要油泵工作時高速回油就一直對過濾器表面進行沖洗，可起到自潔作用。

3.3 加壓系統

加壓系統由煤焦油泵、球閥、溢流閥、單向閥、壓力表和高壓油管組成。

3.4 燃燒系統

燃燒系統由燃燒器、金屬軟管、脈沖閥、流量調節閥組成。

3.5 電控系統

電控系統是以上各系統的指揮中心，主要控制元件有輸入輸出電纜、空氣開關、變頻器、接觸器、熱繼電器、啟動停止按、指示燈組成。

3.6 溫控系統

溫控系統是保證燃燒質量的關鍵系統，當燃燒室溫度低于設定值時，系統發出指令，燃燒器脈沖閥得電打開，燃燒器噴油燃燒，反之失電關閉。主要控制元件有測溫元件、變送器、PLC、導線組成。

4 應用效果

4.1 煤焦油能耗對比

1#焙燒線為利用煤焦油參與焙燒生產，煤焦油消耗量見表2；2#焙燒線為純天然氣生產，兩條線天然氣消耗量對比見表3。

表2 1#線煤焦油消耗量統計表

表3 天然氣消耗對比統計表

4.2 生產運行效果

利用煤焦油投入生產后，焙燒工藝火道升溫和運行情況對比見表4、圖2。

圖2 火道溫度燃燒控制運行效果

表4 火道升溫情況（℃）

4.3 環境效果

1#、2#焙燒線環保監測統計對比見表5。

4.4 應用評價

（1）廢油消耗705L/天·臺，符合設計，滿足生產要求；

（2）天然氣消耗較其他爐室降低1957m3/天·臺；

（3）火道升溫速度和最終溫度滿足工藝要求；

表5 1#、2#焙燒5月份報表（日排放平均值）

（4）污染物排放符合環保要求；

（5）邊火道無需再架輔助燃燒器，IP溫度滿足工藝要求；

（6）新舊技術對比見表6。

表6 新舊技術應用效果對比

5 結論

在研究危廢煤焦油綜合利用中采用板式預熱器，軟化煤焦油，以便于管道輸送，有利于噴吹霧化改善燃燒效率；確定了軟化溫度，防止高于閃點溫度而爆燃現象；采用三級過濾技術，隔熱、散熱燃燒架，阻隔了油中的機械雜質，防止油路和噴嘴堵塞；采用兩級凈化，降低煙氣污染；系統中應用了密閉存儲、隔熱保溫、溢流恒壓技術，安全可靠。按年產量30萬噸鋁用炭素產品計，預計可達到以下效果：

（1）節約天然氣：2142915Nm3/年

每天產生的瀝青煤焦油全部在焙燒爐內燃燒，可替代部分天然氣，每臺爐每天可節省天然氣1957Nm3，共4臺焙燒爐，年運轉率75%，則年節約天然氣量為：

V=1957m3/天·臺×4臺×365天×0.75=2142915 Nm3。

（2）處置利用的瀝青煤焦油量：850t/年

每天每臺設備消耗煤焦油0.705m3，共4臺焙燒爐，年運轉率75%，煤焦油密度1.1t/m3，則年消耗煤焦油量為：

V=0.705m3/天·臺×4臺×365天×0.75×1.1t/m3=850t。

（3）減少二氧化硫排放：154 t/年

降低二氧化硫排放26.65mg/m3，焙燒爐煙氣量220000m3/h，共4臺焙燒爐，年運轉率75%，則年降低的二氧化硫排放量為：

V=26.65mg/m3×220000m3/h×24h×4臺×365÷109=154t。

（4）減少氮氧化物排放：203t/年

降低二氧化硫排放35.05mg/m3，焙燒爐煙氣量220000m3/h，共4臺焙燒爐，年運轉率75%，則年降低的二氧化硫排放量為：

V=35.05mg/m3×220000m3/h×24h×4臺×365÷109=203t。