炭黑生產線高溫高壓發電工程實踐

張帆

（寶鋼工程技術集團有限公司 上海 210900）

伴隨著我國汽車輪胎行業的快速發展，炭黑作為輪胎工業的主要原材料，其產量也在不斷提高。作為炭黑生產線主要副產品，炭黑尾氣的綜合利用也是業內人士不斷探索的方向。目前炭黑尾氣的主要利用途徑有：①作為配套發電單元鍋爐的燃料氣；②凈化處理后直接混入城市煤氣管網［1］；③作為炭黑反應爐的燃料［2］。其中又以尾氣發電最為常見［3］，不僅能充分利用炭黑尾氣的熱能和化學能發電直接增加生產效益，還能通過鍋爐燃燒將炭黑尾氣中的CO、H2S 等污染物轉化為CO2、H2SO4，經脫硫脫硝單元處理達標后排放。

1 炭黑生產工藝及尾氣特性參數

1.1 炭黑生產工藝簡述

原料油、燃料油、助燃空氣送入炭黑反應爐進行反應，當反應爐內裂解反應完成時，噴入的水急冷以終止反應。反應生成的富含炭黑煙塵的炭黑煙氣進入依次主旋風分離器、主袋濾器。主袋濾器濾袋收集的炭黑由空氣輸送系統輸送造粒機，排出的尾氣送至尾氣鍋爐燃燒。造粒機造粒后的粒狀炭黑，進入回轉干燥機干燥，干燥后的炭黑粒進入貯存與包裝系統。回轉干燥機所需的高溫煙氣源自于燃燒煤氣的燃燒爐。高溫煙氣在干燥炭黑顆粒后，由加壓風機加壓后送至廢氣袋濾器過濾除去顆粒，再送至尾氣鍋爐燃燒處理。完整流程如圖1 所示。本項目炭黑新建年總產能為10 萬t，分二期進行，一期建設4 萬t，二期建設6 萬t。

圖1 炭黑生產簡要流程圖

1.2 炭黑尾氣

炭黑尾氣是原料油在空氣中不完全燃燒裂解的副產物，其主要成分除了原料油裂解產生的CO、H2、CmHn 等可燃氣外，還包括進入炭黑反應爐空氣中帶入的不參加反應的N2及為了冷卻炭黑煙氣而噴入的冷卻水所蒸發形成的水蒸氣。本項目炭黑尾氣的典型特性參數詳見表1～表3。

表1 炭黑尾氣典型成分（體積分數%）

表2 炭黑尾氣污染物含量（干基）單位：mg／m3

表3 炭黑尾氣物理性質

一期炭黑尾氣量為40 700 Nm3/h，二期建設完成時炭黑尾氣量為80 000 Nm3/h。

1.3 炭黑廢氣

自炭黑顆粒回轉式干燥機排出的廢氣主要特性見表4 和表5，廢氣量為一期24 700 Nm3/h，二期建成后62 700 Nm3/h，溫度為150 ℃。

表4 炭黑廢氣典型成分（%）

表5 炭黑尾氣污染物含量 單位：mg／Nm3

2 炭黑尾氣發電設計

2.1 裝機規模

為節約投資、減少占地和建設周期，本項目只建設一套發電單元（一機一爐），發電單元的裝機容量對應于二期建設完成后的炭黑尾氣量。二期未投產前，通過調用鋼廠的高爐煤氣來補充炭黑尾氣的不足。

汽輪發電機組采用高溫高壓型，鍋爐出口主蒸汽參數為9.8 MPa、540 ℃，考慮到廠區用中低壓蒸汽用汽需求，汽機為抽汽凝汽式，抽汽壓力為1.3 MPa。

二期80 000 Nm3/h 炭黑尾氣工況下，尾氣發電計算見表6和表7。

表6 尾氣燃燒計算

表7 鍋爐產汽及發電量計算

根據上述計算結果，二期建設完成后黑尾氣量為80 000 Nm3/h 工況下，鍋爐產汽量為69 t/h，對應汽輪機組發電功率為15.3 MW，故最終選擇鍋爐容量為75 t/h，汽機型號為C15-8.85/1.5。鍋爐和汽機的主要參數見表8 和表9。

表8 鍋爐主要參數

表9 汽輪發電機組主要參數

在一期工況下，調用高爐煤氣彌補炭黑尾氣的缺口，根據熱值折算需補充的高爐煤氣量為35 000 Nm3/h。

2.2 熱力系統

（1）汽水系統。發電單元采用一機一爐的單元制系統，無啟動鍋爐。

主給水系統與蒸汽均采用單元制。主蒸汽由鍋爐過熱集箱出口經切斷閥及調節閥送至汽機主汽門。主蒸汽在汽機內做功后由各抽汽口及排汽口排出。汽機排汽進入凝汽器，凝汽器為二道表面式凝汽器，設有分隔水室，以滿足一半運行、一半檢修。凝汽器半側運行時，汽輪機能帶不小于75%的額定負荷。凝汽器排出的凝結水由水泵加壓后依次經過軸封加熱器、兩級低壓加熱器進入到除氧器。除氧器出水由兩臺電動給水泵將輸送至鍋爐省煤器進口。

回熱系統為兩低加一除氧三級非調整抽汽回熱系統，低加疏水逐級回流至凝汽器。自汽機工業抽汽口引出1.3 MPa、420 ℃蒸汽接至分汽缸，分汽缸出口蒸汽分二路，一路DN125管道送除氧器，一路DN50 接至均壓箱，一路DN200 管道經減溫至250 ℃后并入廠區低壓蒸汽管網。鍋爐啟動時，廠區低壓蒸汽管網通過DN200 管道向分汽缸供汽，作為啟動蒸汽。

發電單元原則性熱力系統圖如圖2 所示。

圖2 發電單元原則性熱力系統圖

（2）燃燒系統。自炭黑生產線引出的炭黑尾氣管道和自全廠管網引出的高爐煤氣管道，分別接至鍋爐的燃燒器，在高爐煤氣管道上預留接口，接入二期炭黑尾氣。高爐煤氣和一期炭黑尾氣管道分別預留二者連通接口。在一期項目運行時，二者不連通，避免低溫的高爐煤氣將高溫炭黑尾氣冷卻，導致炭黑尾氣中水分大量凝結腐蝕管道；二期建設時將其連通，一期生產線和二期生產線的炭黑尾氣可以混合，均勻分配給各燃燒器，保證鍋爐燃燒工況的穩定。由于炭黑尾氣與高爐煤氣均為低熱值燃氣，較難著火且容易熄滅，故設置焦爐煤氣作為點火煤氣，在鍋爐正常燃燒運行，焦爐煤氣同時燃燒作為保安火焰，防止鍋爐熄火。

（3）鍋爐本體煙氣系統。為滿足炭黑尾氣和大量炭黑廢氣的環保處理要求，尾氣鍋爐本體煙氣系統在普通的燃氣鍋爐基礎上進行了多項創新設計。

（4）炭黑廢氣的處理。炭黑廢氣本質上為NOx 和SO2含量較高的燃燒廢氣，其氧氣含量僅為2%左右，可作為循環風使用。因此炭黑廢氣分兩路進入的鍋爐：一路進入到空預器后的熱風道中，另一路送入鍋爐煙道和燃燒生成的煙氣混合經調溫后進入SCR 處理裝置。熱風道中混入了炭黑廢氣后，氧含量降低，除主路接至燃燒器鼓風入口外，再分一路直接進入燃燒器附近的爐膛內。通過此項措施，不僅可以降低燃燒器的氧含量，還能降低燃燒溫度，因此可有效的減少鍋爐燃燒生成的NOx 含量。

（5）進SCR的煙氣調溫處理。SCR 脫硝工藝要求煙氣溫度達到350 ℃左右，同時炭黑工藝產生的炭黑廢氣也需要進行SCR 處理，因此需用鍋爐高溫煙氣與炭黑廢氣進行混合。在鍋爐上級省煤器的位置開孔將炭黑廢氣引入，然后將混合煙氣通過調節擋板控制溫度后送入SCR。SCR 處理后的混合煙氣重新回到鍋爐，參與鍋爐后級的受熱面換熱。留過受熱面之后的煙氣流出鍋爐，進入脫硫系統，脫硫之后的煙氣經引風機送至煙囪排放。

3 運行效益

項目投產后，在混燒炭黑尾氣和高爐煤氣。汽輪機純凝工況下，發電功率達到15 MW，同時經脫硝脫硫處理后的煙氣經煙囪內的CEMS 系統測得正常工況下NOx 含量小于100 mg/m3，SO2量小于35 mg/m3，達到政策規定的排放要求。

4 總結

作為炭黑生產線的配套工程，發電單元通過合理設計燃燒系統的燃氣管道，滿足炭黑生產線一、二期不同的燃氣的工況要求。另外，系統設計時整體考慮發電和環保需求，在鍋爐內設置炭黑廢氣處理系統和煙氣調溫裝置，在鍋爐正常運行的前提下，為尾氣和廢氣的處理提供了條件，達到了經濟效益和環保的統一。