炭黑尾氣綜合利用效能探究

保德山

（云南大為制焦有限公司，云南 曲靖 655338）

云南曲煤焦化實業發展有限公司100kt/a炭黑裝置是2000kt/a焦化主體裝置產業鏈延伸的后續裝置。投產多年來，就炭黑尾氣綜合利用方面已實施了多項技改，其中尾氣長期作為煉焦燃料氣使用。隨著焦爐煙氣排放等標準的日趨嚴格以及在使用過程中顯露的諸多弊端，在新形勢下如何實現炭黑尾氣的安全和經濟利用顯得尤為重要。本文將著重對炭黑尾氣的不同回收利用方式在工藝控制、安全環保及經濟性等方面進行分析比較和探討，以尋求最為適合的炭黑尾氣綜合利用方式。

1 基本情況及流程

炭黑尾氣是炭黑生產過程中排放的低熱值可燃有害氣體，其主要成分是CO、H2、CmHn、H2S等。氣體直接排放到空氣中對大氣環境極為有害。實現尾氣的綜合利用不僅能夠回收大量能源，也是環保排放之必須。

炭黑尾氣用作煉焦燃料氣是理想之選，但在實際使用過程中，由于炭黑尾氣自身特性以及尾氣燃燒方式、穩定性、安全性均顯露出一些弊端，也造成尾氣不同程度浪費。現目前基于尾氣利用方式對熱值的要求，有未脫水尾氣及脫水尾氣，其主要成分及工藝流程分別見表1、圖1。

炭黑尾氣因生產原料及產品型號等差異，其成分會產生一定的差異，總體上脫水前炭黑尾氣熱值在2.7～3.0MJ/m3，脫水后尾氣因水含量大幅下降，熱值提升至3.9～4.3 MJ/m3。

圖1 炭黑尾氣綜合利用工藝路線

表1 炭黑尾氣主要成分

四條炭黑生產線設計副產炭黑尾氣為110km3/h，約有20%用作內部干燥機燃料氣，可外送的炭黑尾氣Q0約為70～80km3/h(約合脫水后45～52 km3/h)，其中尾氣鍋爐用氣約為40km3/h，但因煙氣排放等原因長期閑置。各管式爐間歇使用脫水后尾氣約12～14km3/h。唯有焦爐是炭黑尾氣的長期穩定用戶。現目前煉焦4*55孔TJL5550D型復熱式搗鼓焦爐中4#爐全爐及3#爐30排實施了尾氣燃燒改造，能夠滿足炭黑尾氣獨立燃燒工況下的完全利用。

2 現狀評價

2.1 尾氣用作焦爐燃料氣使用狀況

炭黑尾氣在焦爐內燃氣流程與焦爐煤氣相比，尾氣流經途徑與燃燒焦爐煤氣時的空氣流程相似，燃燒后的廢氣流程與焦爐煤氣燃燒后的廢氣流程一致。其主要差別在于，焦爐煤氣是從磚煤氣道進入燃燒室燃燒與預熱后空氣燃燒，而炭黑尾氣是從廢氣盤經由小煙道、篦子磚、蓄熱室、斜道后進入燃燒室與預熱后空進行燃燒。具體流程如圖2。

圖2 炭黑尾氣及焦爐煤氣燃燒工藝路徑

僅從炭黑尾氣的燃燒流程與焦爐煤氣相比較，不難看出，炭黑尾氣在流經區域存在著多處串漏、泄漏的風險，并存在預混燃燒的現象。

焦爐熱工調控力求的是穩定，并應嚴格控制減量及倒停等作業。在實際使用過程中，由于炭黑生產的不穩定性及其尾氣的其它用戶影響，為維護尾氣系統的平衡，造成尾氣的頻繁加減甚至倒停。一定程度上尾氣得到了利用，但將焦爐作為其平衡的重要調節手段，影響的是焦爐的熱工穩定及爐體本身。

2.2 炭黑尾氣作為各管式爐燃料氣

炭黑尾氣用于煤焦油加工裝置中各管式爐以替換原焦爐煤氣，技術改造后使用炭黑尾氣對原有流程改動較小，并且可任意在焦爐煤氣與炭黑尾氣間實現相互倒換。從使用情況看效果比較理想，完全滿足工藝需求。

2.3 炭黑尾氣作為尾氣鍋爐燃料氣

炭黑裝置在始建初期就配套建設了一臺35t/h的尾氣鍋爐，專門用于炭黑尾氣的回收利用副產蒸汽并網公司蒸汽管網。該鍋爐運行期間較為穩定，但因煙氣排放原因而停爐停產。炭黑尾氣也曾一度用于循環流化床鍋爐，但因其熱值低，對鍋爐負荷以及消耗等產生負面影響而停止使用。

3 存在問題

3.1 尾氣對焦爐的影響

由于炭黑尾氣與焦爐煤氣在焦爐內燃燒室內流程差異，雖炭黑尾氣在高向加熱方面較焦爐煤氣有一定優勢，但由于頻繁倒停以及蓄熱室串漏等造成加熱制度紊亂以及小煙道下火等現象的發生，局部串漏下火的小煙道溫度高達800℃，對爐體造成不良影響。公司4#焦爐長期使用炭黑尾氣，與其它爐號相比蓄熱室頂磚燒蝕嚴重，串漏明顯加劇。

3.2 尾氣潛在安全風險

炭黑尾氣是經廢氣盤、小煙道、蓄熱室后進入焦爐燃燒室進行燃燒的，尾氣在廢氣盤密封性較差。炭黑尾氣在廢氣盤僅靠石棉板進行密封存在尾氣向外泄漏的風險，在廢氣盤內炭黑尾氣依靠托盤進行密封存在尾氣漏入煙道氣的風險，極可能引發爆炸事故。

3.3 尾氣對煙氣的影響

從長期分析數據看，炭黑尾氣熱值約為焦爐煤氣的25%，但因其燃燒后煙氣溫度較高而造成熱損較大。經核算，標況下單位體炭黑尾氣的熱效率約為焦爐煤氣的20%。在理想工況 (空氣過剩系數α=1.2)下，單位焦爐煤氣和炭黑尾氣獨立燃燒后的廢氣量分別為5.92m3和2.05m3。按照熱效率計算，焦爐在使用炭黑尾氣獲取單位能量所排放的煙氣量較焦爐煤氣增加約75%。這勢必影響焦爐煙氣脫硫脫硝。

以公司煉焦B系統滿負荷年產全焦100萬噸為例，炭黑尾氣最大52km3/h作為回爐燃料氣，其小時煙氣排放量從使用焦爐煤氣時的183km3/h增加至使用炭黑尾氣時的230km3/h，煙氣量凈增量達46km3/h。另外，根據統計數據顯示，脫水后炭黑尾氣平均H2S在180mg/m3左右，并含230mg/m3左右的SO2。其燃燒后生產的SOx較焦爐煤氣大幅增加。以焦爐煤氣中H2S為300mg/Nm3計，炭黑尾氣生成煙氣中的SOx較焦爐煤氣高3倍以上。第三方監測數據 (表2)也很好地證明了這一點。

3.4 對操作的影響

由于炭黑尾氣的用戶相對單一，加之自身經常轉產、單線操作等特點，造成供往煉焦的炭黑尾氣穩定性較差。這是炭黑尾氣在使用過程中的詬病。另外，由于其熱值低在爐溫調控中難度增加且有一定的滯后現象。具體的倒停、加減排數等工作較為繁瑣。炭黑尾氣熱值雖其生產產品牌號、工藝調控等影響變化較大。據測定數據顯示其熱值經常在3.9～4.3MJ/m3間波動，影響焦爐正常生產。

表2 同等負荷條件下使用炭黑尾氣與焦爐煤氣焦爐煙氣成分表

3.5 系統平衡

煉焦生產屬連續性生產，而炭黑可間歇性生產。在生產過程中由于煉焦與炭黑間的生產負荷不匹配，煉焦低負荷特別是極限低負荷生產狀態下出現尾氣的浪費。

3.6 對于尾氣效能發揮的影響

焦爐熱工效率高低是一個多因素影響的結果，炭黑尾氣用作焦爐燃料氣的能效高低直接影響焦爐熱工效率的同時也是尾氣自身價值高低的體現。由于炭黑尾氣在燃燒室內的大氣量燃燒實際，在同等負荷條件下致使其燃燒室小煙道溫度普遍比焦爐煤氣的高出170～180℃，大量熱能隨煙氣帶走。在既定的爐體狀況下，空氣過剩系數是影響尾氣效能的最主要因素。使用過程中單獨對使用炭黑尾氣爐號風門進行調整缺乏準確性和針對性，從而造成炭黑尾氣效能的下降。不僅如此，由于空氣過剩系數的增高還會是煙氣量大幅增加。具體變化情況見表3：

表3 不同空氣過剩系數下炭黑尾氣相對于焦爐煤氣效率及煙氣對照表

從表3看出，空氣過剩系數對于炭黑尾氣效率以及所生成煙氣的影響。在實際生產中特備是部分爐號使用尾氣時，對空氣過剩系數的調整主要通過分煙道在線氧含量測定值進行調控，在調控上存在難度其缺乏針對性，并經常出現α超出指標的情況。若使用炭黑尾氣爐號α達到1.7，而焦爐煤氣在正常值1.2時[1]，其尾氣相對于焦爐煤氣效率進一步降低至1/5.7=17.5%。

4 綜合利用方式

4.1 總體綜合利用框架

隨著燃料煤價格持續上漲，公司燃煤鍋爐生產蒸汽成本也隨之增加，噸蒸汽耗煤在110kg左右，僅燃煤成本就達到100元/噸以上。鑒于炭黑尾氣在現有綜合利用、安全性及經濟性方面存在的不足，特別是其不穩定性對用戶造成的不良影響，提出如下炭黑尾氣綜合利用方式。即：將炭黑尾氣主要用作鍋爐燃料氣生產蒸汽，焦爐不在單獨使用其作為燃料氣，而是以摻混的方式配入焦爐煤氣使用。就此，對其綜合利用的安全性、穩定性、經濟性等進行評判。

4.2 綜合利用可行性分析

4.2.1 煤氣貧化

以摻混方式使煤氣貧化[2-4]，對改善焦爐加熱均勻性、提高焦炭質量是業內共識，并在焦化和鋼鐵聯合企業有著悠久的使用歷史。摻混在系統控制上也有成功可靠的經驗可借鑒[5]。炭黑尾氣與高爐煤氣在組分上極為相似，不可燃組分與高爐煤氣相當，CO含量遠低于高爐煤氣。炭黑尾氣摻混入焦爐煤氣貧化焦爐煤氣有現實和理論基礎。

4.2.2 系統平衡分析

炭黑尾氣摻混如焦爐煤氣后，依據煉焦耗熱量及生產系統中回爐煤氣成分對不同負荷下摻混量進行核算。在不改變現有煤氣管網并滿足煉焦生產熱量需求的前提下，核算如圖3。

P0——不同負荷正常工況下回爐煤氣消耗量變化曲線；

P1——不同負荷工況下基于煉焦耗熱量炭黑尾氣摻混量變化曲線；

圖3 不同負荷下炭黑尾氣摻混情況

P2——不同負荷工況下摻混炭黑尾氣后所需回爐煤氣量變化曲線；

X0——尾氣鍋爐運行狀態下，基于炭黑尾氣系統平衡狀態下煉焦可用量限制；

X1——基于回爐煤管網通經、流速及末端壓力控制等得出的最大流量控制所對應的市場負荷；

X2——基于炭黑尾氣摻混后置換焦爐煤氣生產甲醇，且甲醇可滿足安全生產的最低負荷控制線。

通過系統平衡核算，在正常工況下炭黑尾氣滿足尾氣鍋爐及各管式爐用氣需求條件下，在煉焦95%以下負荷均可實現一定量的摻混，并且煉焦在35%～90%生產負荷下可實現5-33km3/h的摻混量，圖3中區域A內可滿足尾氣鍋爐及各管式爐用氣后穩定摻混；圖3中區域B內可僅滿足尾氣鍋爐用氣后穩定摻混；煉焦生產負荷在65%以下摻混量可進一步增加 (圖3中C區域)。剩余炭黑尾氣可不經脫水處理直接用于尾氣鍋爐生產蒸汽，并以此作為尾氣平衡的主要調控手段，穩定煉焦用氣。

4.2.3 安全性分析

炭黑尾氣及焦爐煤氣均為易燃易爆氣體，炭黑尾氣摻混入焦爐煤氣混合后，混合氣體組份發生了明顯變化，就其安全性，主要從混合氣與原各氣源爆炸極限分析。混合后氣體成分特性如表4。

表4 不同負荷下狀態下炭黑尾氣摻混入焦爐煤氣后混合氣成分特性表

從表4看出，混合氣熱值滿足焦爐對燃料氣熱值的需求。從不同負荷條件下混合氣爆炸極限看，爆炸區間相對焦爐煤氣而言極限整體增大，相對炭黑尾氣而言爆炸上限大大降低。在中高負荷條件下混合氣爆炸極限與焦爐煤氣相當，總體而言危險性略有增加，但在可控范圍內。

4.2.4 經濟性分析

炭黑尾氣用作焦爐燃料氣的的經濟基礎是其能夠置換出焦爐煤氣用于生產甲醇，用作鍋爐燃料氣的的經濟基礎是替換燃料煤生產蒸汽。從炭黑尾氣不同用途下熱效能為基礎并參照其終端產出產品價值對炭黑尾氣經濟性（價值）進行核算。

4.2.4.1 炭黑尾氣熱效率核算

1）脫水前和脫水后炭黑尾氣量及成本關系。

根據脫水前和脫水后炭黑尾氣脫水及溫度，脫水后炭黑量約為脫水前的0.65倍。脫水裝置運行費用約為0.09元/m3。據此可知：

P0、P1分別為脫水前和脫水后價值，元/m3；

V0、V1分別為脫水前和脫水后體積，m3。

2）脫水后炭黑尾氣用作焦爐燃料氣。

煉焦耗熱量及其煙氣量等與空氣過剩系數有著密切的關系。綜合對脫水后炭黑尾氣成分、空氣過剩系數以及燃燒后煙氣溫度等綜合計算，在正常工況下焦爐使用焦爐煤氣與炭黑尾氣空氣過剩系數為1.2，燃燒后煙氣溫度分別為190℃和360℃時，炭黑尾氣熱效率為焦爐煤氣的1/5.08，單位體積標況焦爐煤氣和炭黑尾氣燃燒所產生的煙氣分別為5.92m3和2.05m3。以焦爐煤氣中H2S=300mg/m3，炭黑尾氣中H2S=180mg/m3、SO2=230mg/m3計算。煙氣采用SDS+SCR脫硫脫硝消耗成本約為0.0535元/m3煙氣。

甲醇主流價格在3500元/噸左右時焦爐煤氣盈虧平衡點價格約為0.65元/m3，按照5.08m3炭黑尾氣置換1m3焦爐煤氣計算，炭黑尾氣價格約為 0.128 元/m3。

3）脫水前炭黑尾氣用作鍋爐燃料氣。

近年來，公司周邊3500kcal燃料煤主流成交價在0.15元/kcal，按照噸蒸汽（4.7MPa，470±10℃）耗標煤110kg計算，燃煤鍋爐噸蒸汽僅料成本就在110元左右。而使用脫水前炭黑尾氣生產同等品質蒸汽耗尾氣為1370m3/t，據此，僅從能源成本折算尾氣價格為0.0731～0.0843元/m3。單位體積脫水前炭黑尾氣燃燒后的煙氣量為1.6m3，折合單位脫水前炭黑尾氣的煙氣采用具有成熟和地運行費用的SNCR+SCR+O3脫硫脫硝[6][7]消耗成本約為0.0116元/m3煙氣。

4）摻混后焦爐煙氣及脫硫脫硝費用的影響。

根據不同負荷下可摻混的炭黑尾氣量及需求焦爐煤氣量，對不同生產負荷正常工況下（煙氣量及其成分與燃料氣、空氣過剩系數、燃燒溫度、爐體狀況等有密切關聯）煙氣量及成分分析如表5。

表示5 焦爐煙氣對比表

從煙氣量變化情況看，即便在高負荷生產條件下，摻混后煙氣增加量與純焦爐煤氣相比僅增加3%～6%，完全在后續煙氣脫硫脫硝處理范圍內。摻混后SOx有所增加，特別是在低負荷摻混量大幅增加時尤顯突出，會增加煙氣脫硫費用，但仍在其處理范圍內。

綜合上述“1）、2）、3）、4）”對炭黑尾氣不同利用方式的經濟性進行對比分析，具體如表6。

表示6 炭黑尾氣經濟性對比表

通過對比得知在既定燃料煤氣及甲醇價格條件下，脫水前和脫水后炭黑尾氣的實際價值分別為0.0671元/m3和0.1087元/m3。其脫水后的經濟性參照脫水前價值約為0.0556元/m3（0.1087/1.54-0.015=0.0556），其價值低于脫水前價值。

4.2.5 其它可行性預期

基于燃煤及甲醇市場價格為基礎推演的炭黑尾氣經濟性以及基于系統平衡的以尾氣鍋爐為主要調節手段，焦爐作為富余尾氣穩定摻混使用的炭黑尾氣綜合利用方式，能夠在尾氣效能發揮、工藝調控和系統平衡等方面較現有綜合方式更佳，有效改善現有焦爐使用炭黑尾氣存在的弊端，規避潛在安全風險。

經濟效益方面，以炭黑全年運行8000h計算，滿足焦爐使用的炭黑為約為3.8萬m3/h，若以滿足尾氣鍋爐4萬m3/h及各管式爐用氣1.4萬m3/h，煉焦僅以1.2萬m3/h摻混供焦爐使用。其體現的價值差額為370余萬元。

5 結論

基于炭黑尾氣直接作為焦爐燃料氣所顯露的弊端和不足，尾氣以摻混方式作為煉焦燃料氣在工藝實現上可行性較強，同時將脫水前部分炭黑尾氣用作鍋爐燃料氣副產蒸汽有著良好經濟性且可作為尾氣平衡的主要調節手段，有利于焦爐的穩定生產。有利于整體的系統穩定和炭黑尾氣的綜合利用、經濟效益及效能發揮。

6 意見及建議

1）基于尾氣系統平衡，盡量提高尾氣鍋爐運行負荷并作為尾氣系統平衡的調節手段，煉焦摻混尾氣量在中高負荷10000±5000m3/h，實現穩定摻混并保障摻混后安全性；

2）借助摻混，可設置在線儀表對摻混前后氣體組分進行時時監控和預警，穩定混合后混合氣熱值以穩定焦爐加熱；

3）可根據市場燃料煤及甲醇產品市場價格，在煤氣平衡、蒸汽平衡和經濟效益發揮間尋求最佳尾氣利用方式。