碳素行業清潔生產實例研究

劉艷芳　趙銳

關鍵詞： 碳素行業 清潔生產 提升改造 低碳

中圖分類號： X322;F407.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0138-04

碳素行業是國家的重要原材料工業，具有工藝較為復雜，污染較大，且存在一定環境風險等特征[1]。碳素制品是國民經濟發展中不可或缺的基礎材料，是典型的循環經濟產業，廣泛應用于冶金、化工、機械制造、航空航天、風能太陽能核電新能源等領域[2]。目前，鋁用碳素行業發展主要面臨內部產能過剩、自動化水平低、碳排放量高、資源化水平低等問題[3]。

2006 年12 月，國家發展和改革委員會發布了《鋁行業清潔生產評價指標體系（試行）》，2022 年3 月，河南省“十四五”清潔生產方案明確要求大力推進重點行業清潔低碳改造，推動能源、鋼鐵、焦化、建材、有色金屬、碳素、石化、化工等重點行業“一行一策”綠色轉型升級，加快存量企業及園區實施節能、節水、節材、減污、降碳等系統性清潔生產改造。

碳素行業是非金屬制品業的重要組成部分，主要產品有電解鋁用預焙陽極和石墨電極等，我國是世界電解鋁第一大國，產能占全球的一半以上[4-5]。近年來，隨著鋁工業的持續發展，鋁用碳素產能總量嚴重過剩，區域結構性供需矛盾更加突出，鋁用碳素需求將進入平臺期[6-7]。黨的二十大報告中明確提出，要推進美麗中國建設，協同推進降碳、減污、擴綠、增長，推進生態優先、節約集約、綠色低碳發展。因此，開展清潔生產審核工作，加快發展方式綠色轉型，推動綠色低碳的生產方式，持續提升自身的清潔生產水平，是碳素行業走可持續發展的必經之路。

本文結合碳素企業清潔生產實例，旨在分析清潔生產技術在企業的應用情況及取得的成效，為該類行業企業的清潔生產審核提供思路，助力企業通過清潔生產審核提高綠色低碳轉型效率，加快形成綠色生產方式，為國家的節能減排工作做出貢獻。

1 企業概況

該企業成立于2014 年01 月，主要生產、加工、銷售碳素制品，企業有嚴格的質量管理體系，各項理化指標符合《鋁電解用預焙陽極》（YS/T 285-2012）標準，具有穩定的產品質量優勢。公司占地16.53 hm2，總建筑面積16.5 萬m2，現有員工350 人，主導產品為鋁電解用預焙陽極，配套有原料制備系統、石油焦煅燒系統、生陽極制造系統、陽極焙燒系統，具有年產15 萬t 預焙陽極炭塊的生產能力。

2 主要污染源及污染物

2.1 廢氣

廢氣來源主要有以下幾個方面。

（1）原料制備系統：主要包括煅前焦轉運輸送、貯存、破碎產生的粉塵；煅后焦輸送、貯存產生的粉塵；中碎、篩分、配料、磨粉粉塵。（2）石油焦煅燒系統：煅燒爐產生的煅燒煙氣，主要污染物為煙塵、二氧化硫、氮氧化物；余熱鍋爐產生的煙塵、二氧化硫、氮氧化物；煅后焦輸送、貯存過程產生的粉塵等。（3）瀝青保溫系統產生的廢氣，主要污染物有粉塵、瀝青煙、苯并芘；混捏成型工序產生的廢氣，主要污染物為粉塵、瀝青煙、苯并芘；高濃度瀝青煙焚燒爐產生的廢氣，主要污染物為苯并芘、瀝青煙。（4）生陽極制造系統：中碎、篩分、配料、磨粉產生的粉塵。（5）陽極焙燒系統：包括填充料清理粉塵；炭塊清理粉塵；焙燒爐產生的焙燒煙氣，主要污染物有煙塵、二氧化硫、氮氧化物、瀝青煙、苯并芘等。

2.2 廢水

廢水污染物主要包括余熱鍋爐排水、軟水裝置排污水、煅燒循環水系統排污水、生陽極冷卻循環冷卻水、焙燒煙氣噴霧冷卻水、煅燒煙氣脫硫系統循環水和生活污水等。

2.3 噪聲

噪聲主要包括風機、水泵等公用設備噪聲及破碎機、篩分機、振動成型機生產線等工藝噪聲。

2.4 固廢

固體廢物主要有各除塵器產生的除塵灰，收集后全部返回各自工段回用。脫硫裝置產生的脫硫石膏，作為一般固廢外售。振動成型產生的殘次品、焙燒后產生的殘次品、廢耐火磚等，外售給有需要的廠家。電捕焦油器捕集的焦油、瀝青保溫罐定期清理的瀝青渣、導熱油爐更換的廢導熱油，屬于危險廢物，采用專用容器進行收集，最終交由危廢處置單位統一處置。生活垃圾經企業收集清理后由當地環衛部門清運至垃圾處理廠，企業固廢均得到合理處置。

3 企業清潔生產潛力分析

3.1 原輔材料和能源消耗

企業陽極炭塊生產過程中使用的原輔材料是石油焦、瀝青等，原輔材料的采購由質檢部負責提供采購標準，財務部制訂有采購計劃和質量管理體系，企業對采購的原輔材料有嚴格要求，杜絕“三無”產品進入。企業生產過程中、物料在輸送過程中都可能存在損失，在生產過程中除煅燒揮發份損失外，還包含收塵器損失和無組織排放等。因此，建議企業對原輔材料運輸、儲存、裝卸等環節加強管理，如運輸車輛加蓋防護罩、各輸送通道密封操作、文明裝卸、原料堆場及主要道路定期噴灑水等，防止物料散落，避免揚塵污染。

企業水源由集聚區給水管網提供，生產過程中的廢水全部循環利用，不對外排放，生活污水經廠區化糞池處理達標后，通過市政污水管網進入污水處理廠進一步處理達標后排放。企業絕大部分依靠市政供電（約90%），其他來自廠區余熱發電系統。為了充分利用煅燒余熱資源，企業建設有煅燒余熱利用系統，利用汽輪機發電機組進行發電，能夠滿足廠區10% 左右的用電需求。近3 年，企業單位能耗基本穩定，用電管理水平保持較好，但部分生產工序電耗仍有降低空間。建議企業制定能源管理考核制度、節能減排考核獎懲辦法等措施，加強對能源的管理。企業通過本次清潔生產審核，預計物耗、能耗有所降低。

3.2 技術工藝和設備

該企業煅燒爐選用的是44 罐、8 組8 層火道罐式煅燒爐，混捏工序選用4 000 L 雙層混捏鍋，成型設備選用單工位振動成型機，焙燒爐采用38 室敞開式焙燒爐，連續生產，生產效率較高，產品質量相對穩定，裝出爐易于機械化，焙燒升溫控制調節方便。依據碳素行業清潔生產評價指標體系，企業生產技術指標、裝備指標先進，但部分生產工序設備運行效率不高，建議企業建立預防性維修設備制度，確保各生產設備均能正常良好運轉，最大限度地減少資源能源浪費。

3.3 產品

產品主要是預焙陽極炭塊，企業根據市場需求，在生產過程中通過提高生產控制水平進一步優化產品結構，提高產品的合格率。

3.4 廢棄物

企業的主要廢棄物為廢水、廢氣、噪聲、固廢。生產廢水全部回用不外排，生活污水，主要污染物為COD、SS、氨氮，經廠區化糞池預處理后，經過市政污水管網進入污水處理廠，進一步處理，達標后排放。企業廢氣主要有煅燒煙氣、焙燒煙氣、瀝青保溫系統廢氣、混捏成型廢氣、各破碎、粉磨、料倉、配料等工段產生的粉塵等，分別經過除塵、焚燒、脫硫、脫硝等處理設施處理達標后排放。企業產生噪聲的主要設備設在室內，基本不對廠區外產生影響，產生的固體廢棄物均能夠得到合理妥善的處理。

3.5 管理

企業建立并不斷完善管理體系，堅持管理與技術創新相結合，針對自身特點，不斷對現有工藝、設備進行改造，不斷優化考核措施，有效實施能源管理，提高能源的利用效率，增強企業競爭力和抗風險能力，推動了企業健康快速發展。企業制定有完整的《環境保護管理制度》《環境監測管理制度》《突發環境事件應急預案》《清潔生產管理制度》《安全生產管理制度》《設備檢修及管理制度》，包括環境標準、管理制度、工作目標、做到管理有標準，工作有目標，人人有職責，崗崗有規定，考核有依據。

3.6 資源能源利用及產排污情況對比

根據審核咨詢小組實際經驗，結合行業專家指導，對比同類型同規模企業情況具體如表1 所示。

依據國家發展和改革委員會發布的《鋁行業清潔生產評價指標體系（試行）》，計算企業綜合評價指數為P = 0.7 ? 99.88 + 0.3 ? 84 = 94.42，企業屬于清潔生產先進企業。但由于該行業清潔生產評價指標體系較早，審核小組結合企業現狀與同行業企業進行對比分析，其生產流程仍存在需要改進的薄弱環節，以提高自身的清潔生產水平。

通過采用權重計分排序法確定審核重點為煅燒車間，將降低石油焦單耗、電耗，減少煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放作為此次審核的主要目標。

4 主要清潔生產技術方案設計及效果分析

企業根據分析出的清潔生產潛力，從源頭、生產過程和工藝裝備入手，重點在節電、節天然氣，減少煙粉塵、氮氧化物排放等方面采取了脫硫系統增加板框壓濾機、鍋爐省煤器改為外置省煤器、脫硫塔除霧器改為高效旋球除霧器等清潔生產技術，達到了“節能、降耗、減污、增效”的目的，經濟和環境均得到了明顯改善，詳細方案如下。

4.1 脫硫系統增加板框壓濾機

4.1.1 方案提出

現有脫硫系統使用的脫硫石膏脫水裝置為真空皮帶機，該設備運行過程中存在石膏脫水效果不好的現象，濾餅脫水效果差，導致前方脫硫工序漿液濃度偏高，脫硫效率低。

4.1.2 方案內容

增加一臺板框壓濾機，提高濾餅脫水效果，保證脫硫塔脫硫漿液濃度，改造后濾餅含水率和控制在9%～15%，提高脫硫效率。

4.1.3 方案效果分析

板框式壓濾機能夠在很短的時間內完成隔膜壓榨功能，不僅效率高，并且可以很大程度地節省用電消耗。另外提升泥餅干度，降低泥餅含水率，隔膜壓榨對靜態過濾結束后的濾餅進行二次壓榨，使濾餅的結構重排，致密度加大，從而置換出一部分水分，提高了干度。改造后提高脫硫效率，年減少二氧化硫排放量0.93 t/a，確保脫硫漿液濃度，減少脫硫塔堵塞現象，減少脫硫塔清理次數，原清理周期由1 月/次延長為3 月/次，年減少脫硫塔清理次數8 次，減少清理費用16 萬元；減少脫硫循環泵運行臺數，年節約用電42.05 萬kWh，年度綜合經濟效益45.44 萬元。

4.2 鍋爐省煤器改為外置省煤器

4.2.1 方案提出

煅燒余熱鍋爐利用煅燒煙氣余熱產生蒸汽并發電，原余熱鍋爐的省煤器為內置省煤器，經多年運行設備運行效率，故障率高，一方面煅燒余熱利用效率低，另一方面內置省煤器不利于檢修，增加維修成本。建議將鍋爐內置省煤器改為外置省煤器。

4.2.2 方案內容

將廠區15 t/h 蒸汽鍋爐、7 t/h 蒸汽鍋爐的原內置省煤器改為外置省煤器，增加至煙氣脫硝裝置與袋式除塵裝置中間，一方面可提高煙氣余熱利用率，增加蒸汽產量；另一方面可提高檢修效率節約維修成本。煙氣進外置省煤器之前溫度在200 ℃左右，經余熱利用后出口溫度可降至90 ℃左右，可降低脫硫塔入口溫度，提高脫硫效果，提高煙氣中氮氧化物處理效率。

4.2.3 方案效果分析

外置省煤器可進一步提高給水溫度，提高鍋爐的蒸發量降低煙氣溫度，回收煙氣熱量，提高鍋爐熱效率，節省燃料。方案實施后，降低煙氣流速，減少對除塵設備的沖擊，提高除塵器除塵效果，降低煙氣溫度，利于脫硝，否則煙氣溫度高會導致脫硝效果差，提高煙氣中氮氧化物處理效率，年減少顆粒物排放量0.679 t/a，減少二氧化硫排放量0.785 t/a，減少氮氧化物排放量2.961 t/a；充分利用余熱，提高煙氣利用率，年增加蒸汽產量21 600 t，蒸汽單價130 元/t 計，增加效益280.8 萬元。

4.3 脫硫塔除霧器改為高效旋球除霧器

4.3.1 方案提出

現有煅燒車間脫硫塔內部設計為三層除霧器，采用傳統的除霧器，運行效果較差且容易造成堵塞，使煙氣流通面積減少，煙氣流速增加，降低除霧器去除霧滴的效率，影響生產負壓及脫硫除塵效果；此外，除霧器的結垢和堵塞，會造成人除霧器的阻力大大增加，增加增壓風機（或引風機）的出力，增加了電耗。

4.3.2 方案內容

將脫硫塔原除霧器第一層、第二層改為高效旋球除霧器，提高脫硫、除塵效果，且此種除霧器為動態除霧器，不易造成堵塞。

4.3.3 方案效果分析

高效旋球除霧器包括由上擋板、浮球筒和下擋板構成的浮球倉、堆放在其中的浮球和設在其下方的浮球風機。屬于一個專利技術發明，可完全取代傳統除霧器。高效旋球除霧器除霧效率高，達到95% 以上；煙氣降溫效率高，達到45 ℃以上，二氧化硫排放濃度在30 mg/Nm3以內，含塵濃度在5 mg/Nm3以內。只需利用原有吸收塔空間進行改造，不改變吸收塔外部結構。系統運行穩定，甚至無須單獨維護，具有自潔功能，吸收率高效穩定，煙氣出口指標穩定。技術運用成熟，效果穩定。

方案改造后，提高脫硫、除塵效果，進一步阻斷顆粒物排放，年減少顆粒物排放量0.835 t/a，減少二氧化硫排放量1.020 t/a，減少氮氧化物排放量3.592 t/a；提高除霧器使用壽命，減少脫硫塔堵塞，節約成本，降低風機運行負荷，年節電15 萬kWh，年度綜合經濟效益34.5 萬元。

5 結語

碳素行業是國家的重要原材料工業，具有工藝較為復雜，污染較大，且存在一定環境風險等特征。開展清潔生產審核工作，加快發展方式綠色轉型，推動綠色低碳的生產方式，持續提升自身的清潔生產水平，是碳素行業實現可持續發展的必經之路。實踐證明：實施清潔生產技術改造工作，助力企業改進工藝和設備，配備高效末端治理裝備，解決能耗高、污染重等問題，對實現鋁用碳素行業持續發展具有重要意義。由于碳素行業生產工藝技術大體相同，因此，該公司成功實施的清潔生產技術在整個行業有較高的參考應用價值，有助于提高行業整體清潔生產水平。