炭黑生產尾氣排放控制解決方案

VERA-CASTA?EDA Ernesto

（伊萊森清潔技術-孟莫克公司，美國 密蘇里州圣路易斯 MO63017）

當前，世界各國和地區紛紛致力于減少對環境和健康產生不利影響的污染物排放，尤其關注顆粒物、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）的排放[1-6]。炭黑生產已經被許多國家和地區列為需要解決煙囪尾氣排放問題的行業[7-10]。由于炭黑生產采用煤、天然氣和石油的衍生物作為原料，因此尾氣中必然含有SO2[11-15]。同時，基于工藝溫度，反應爐中還會形成NOx。為了控制多氧化硫（SOx）和NOx的排放，許多炭黑企業已在生產過程中增加了低硫燃料器、低氮燃燒器和熱回收系統。由于炭黑生產裝置的規模與尾氣排放量直接掛鉤，因此隨著近年來炭黑行業整合以及新的大型裝置建成投產，直接導致了尾氣排放量驟增。隨著各國環保法規日趨嚴格，炭黑生產企業需要考慮新的、更具成效的尾氣排放控制方案，以進一步減少尾氣排放，保護環境。

本文介紹炭黑生產尾氣排放控制解決方案，重點介紹脫除SO2的孟莫克提濃/轉化技術。

1 現行的尾氣排放控制解決方案

現行的炭黑生產尾氣排放控制解決方案通常包括1個用于濾除顆粒物的袋式除塵器（見圖1）和一系列的操作單元（見圖2）以脫除尾氣中的各種組分，包括用靜電除塵器脫除細小顆粒物，焚燒爐燃燒一氧化碳（CO）、碳氫化合物和硫化氫（H2S）之類的硫化物，選擇性催化還原法（SCR）脫除NOx，濕法洗滌脫除SO2。這種濕法脫硫工藝中，SO2與苛性鈉（氫氧化鈉）、石灰（氧化鈣）或石灰石（碳酸鈣）等堿反應，然后利用空氣氧化，形成相應的硫酸鹽，并產生二次廢液即硫酸鹽廢液，其必須從生產現場清除。副產物硫酸鹽可作為石膏出售或交由垃圾填埋廠處置；硫酸鹽廢液在世界很多地區正成為日益凸顯的問題，根據硫酸鹽廢液的組分，可能還需要另行處置其中某些危廢物質。因此，在選擇濕法脫硫工藝作為炭黑尾氣的SO2解決方案時，必須全盤考慮裝置的整個使用期間內累計投入的脫硫劑、運輸、填埋處置的總成本。

圖1 爐法炭黑工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of furnace carbon black technological process

圖2 采用濕法脫硫技術作為SO2脫除的尾氣排放控制流程示意Fig.2 Schematic diagram of exhaust emission control process using wet desulfurization technology as SO2 removing

2 孟莫克提濃/轉化解決方案

伊萊森清潔技術公司（原杜邦清潔技術）提供了一種孟莫克提濃/轉化解決方案作為炭黑尾氣處理中濕法脫硫工藝的替代方案（圖3），其最終副產物為可對外銷售的質量分數為0.985的濃硫酸。該工藝將孟莫克速收?技術系統與接觸法制硫酸工藝相結合。孟莫克速收?系統采用了一種環保安全的吸收溶劑，能夠將進料氣體中體積分數為300×10-6～0.5的SO2脫除，將尾氣中SO2的體積分數減至20×10-6以下，如果需要達到更小的SO2排放值，則可以酌量增加汽提蒸汽，使SO2的體積分數減至10×10-6以下。雖然這項結合了接觸法制硫酸工藝的技術比濕法脫硫技術的初始投資高，但它顯著減少了硫酸鹽廢液的二次排放。此外，鑒于在進入轉化段之前氣流中的SO2已經過提濃，孟莫克提濃/轉化方案僅需尺寸較小的設備即可。因此，相較于炭黑行業中其他現行技術的制硫酸設備而言，孟莫克提濃/轉化方案制硫酸設備所需投資更低。

圖3 采用孟莫克提濃/轉化解決方案作為SO2脫除的尾氣排放控制流程示意Fig.3 Schematic diagram of exhaust emission control process using Mengmoke concentration/conversion solution scheme as SO2 removing

2.1 原料靈活性

孟莫克提濃/轉化方案的優勢之一是可以機動靈活地應對采用高硫原料油進行炭黑生產的工況，輕松應對采用燃料油生產炭黑產生的尾氣中SO2含量增大的問題，不僅提高了硫酸產量，變廢為寶，而且在無需額外成本支出的情況下給炭黑生產企業帶來更多的收益。相比之下，傳統的濕法脫硫工藝在面對尾氣中SO2含量增大的情況時，只能徒增脫硫劑用量和處置成本。

雖然高濃度（質量分數為0.985）硫酸在全球大部分地區是一種有價值的商品，但在某些市場可能需要SO2其他衍生產品。孟莫克提濃/轉換方案也可以生產SO2其他衍生產品，如發煙硫酸或高純度SO2氣體等，讓炭黑生產企業可以根據市場需求來度身定制生產線和產品。

2.2 工藝流程有效性

孟莫克提濃/轉化方案采用操作簡便的孟莫克速收?技術系統對炭黑生產尾氣中的SO2進行提濃，然后將其轉化為可銷售的高濃度硫酸產品，見圖4。該方案可以概述為：炭黑生產尾氣進入孟莫克速收?系統的吸收塔，由溶劑吸收SO2，產生清潔的尾氣排放氣流（SO2體積分數小于20×10-6）。清潔的氣體從吸收塔頂部排出，而富溶劑則被泵送至汽提塔以脫除SO2，脫除SO2后的清潔溶劑被送回到吸收塔的頂部。

圖4 孟莫克提濃/轉化解決方案用于炭黑尾氣SO2脫除處理Fig.4 Mengmoke concentration/conversion solution scheme for treatment of SO2 removing of carbon black exhaust

提濃后的SO2氣流（SO2物質的量分數大于0.95）從汽提塔出來，經孟莫克制酸工藝進行轉化。該轉化工段的第1步是提濃的氣體進入1個吸收塔，在塔內用空氣進行稀釋并干燥，隨后流經催化反應器，將SO2轉化為三氧化硫（SO3）。反應器內采用專門設計的孟莫克?催化劑。在該平衡反應中，各反應層之間的富余熱量可被回收。為了工藝控制，所回收的熱量被重新分配。提濃的SO3被送入另一個吸收塔，在塔內SO3被循環酸吸收形成所需濃度的硫酸產品。從第2個吸收塔出來的尾氣被送回速收?系統進一步處理，速收?系統排出的少量廢液是硫酸鈉水溶液，可送至界區，也可提純以生產更高品級的鈉鹽。

基于設備經濟性的考量，這種提濃/轉化工藝最適合大型炭黑生產裝置。除孟莫克提濃/轉化方案外，伊萊森清潔技術公司還精專于處理提濃/轉化工藝上游的氣體凈化設備或工藝（濕式電除塵器、焚燒爐、余熱鍋爐和SCR）。炭黑生產企業可能已采用其他形式的凈化或尾氣排放工藝，或之前采用的工藝現正面臨升級改造，本方案可作為備選方案，從嚴解決法規中關于顆粒物、NOx的達標排放問題，并提高熱回收效率。在新建裝置中，孟莫克氣體凈化工藝可作為連續的、一體化的處理工藝納入定制化設計中。

3 結語

炭黑工業有一系列的尾氣排放控制解決方案以控制排放氣體中的污染物。炭黑生產企業可根據其特定操作條件、原料和所需副產物來定制尾氣排放控制優選方案，即在統籌考量方案的初始投資和裝置全周期內脫硫劑、運輸、填埋處置的總成本，以及硫酸等副產物銷售帶來的經濟效益，定制最優的方案。與現行炭黑生產尾氣傳統濕法脫硫工藝相比，孟莫克提濃/轉化解決方案不僅可以實現SO2排放體積分數減至10×10-6以下和為炭黑企業帶來更具經濟效益的副產物，而且顯著減少硫酸鹽廢液的二次排放，同時可靈活應對未來可能因原料油變化而導致尾氣中SO2含量增大的情況。