熔塊窯爐使用發生爐煤氣和全電能污染物排放對比*

洪 流 李海倫 陳修成

(1 佛山市土壤和固體廢物污染防治技術服務中心 廣東 佛山 528000) (2 佛山市新之源污水處理有限公司 廣東 佛山 528000) (3 佛山市海特克玻陶技術有限公司 廣東 佛山 528031)

2020年1月，生態環境部在京召開2020年全國生態環境保護工作會議，對2019年生態環境情況進行總結，提出2020年工作思路是“抓重點、補短板、強弱項”，12項工作中包括“堅決打贏藍天保衛戰、著力打好碧水保衛戰和扎實推進凈土保衛戰”。

在經濟發展的壓力下，企業和政府部門對環境保護與經濟發展的關系一直沒有得到平衡，重發展輕保護的現象依舊存在，2019年1～11月，全國粗鋼、乙烯、水泥、平板玻璃等產品產量同比分別增長7.0%、9.3%、6.1%、6.9%，重點區域高耗能行業增長勢頭更明顯，增加重點區域環境質量改善難度。

發生爐煤氣作為陶瓷行業的傳統燃料應用極為廣泛，但受近年出臺的“煤改氣”及“限煤”等政策的沖擊，發生爐煤氣的應用受到了極大的限制。2019年7月1日生態環境部等四部委發布《工業爐窯大氣污染綜合治理方案 》 (環大氣[2019]56號)，文件中規定：原則上禁止新建燃料類的煤氣發生爐。

陶瓷行業長期粗放式發展，在帶來高效經濟回報的同時也對環境造成了巨大污染，基于這個原因，近年來各地在出臺環境治理政策時都會將陶瓷行業列入重點控制范圍。隨著行業洗牌加劇，競爭更加白熱化，行業逐步進入微利時代。熔塊是重要的陶瓷原料，在改善釉料特性、制造特殊裝飾效果方面不可缺少。熔塊加工需要很高的溫度，耗能是重要成本，所以整個行業一直在追隨廉價能源而遷移，從廣東佛山到山東淄博，到目前分散到全國各地。目前熔塊行業的遷移路線是選擇經濟相對落后，環保治理要求和政策相對比較寬松，還允許使用發生爐煤氣的地區。

環保治理全國一盤棋是個大趨勢，發生爐煤氣由于其制造和使用過程中存在較多污染和安全隱患，逐步會受到關停或限制。熔塊生產可能的取代能源主要是天然氣或電能，由于加熱機理不同，使用電能的經濟效益根據各地電價不同而有所差異，筆者僅從污染物排放方面進行對比。

1 煤氣與電加熱熔塊窯爐加熱機理

1.1 煤氣燃燒機理

1.1.1 煤氣原理及燃氣成分

煤的工業成分分析項目一般有揮發分、固定碳、水分、灰分等，化學成分除碳、氫、氧、氮、硫以外，還根據產地不同, 含有極少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氫、氧是煤炭有機質的主體，一般占95%以上。煤化程度越深，碳的含量越高，氫和氧的含量越低。碳和氫是煤炭燃燒過程中產生熱量的元素，氧是助燃元素。煤炭燃燒時，氮不產生熱量，在高溫下轉變成氮氧化合物和氨，以游離狀態析出。

硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫含量對質量影響最大。高煤制氣的原理就是將煤炭中固定碳轉換成可燃的氣體,一般使用空氣在有水的狀態下進行不完全氧化反應。為了提高燃氣熱值，也有采取富氧空氣的方式，不在此對比研究范圍。

煤制氣是多個化學反應同時進行的過程，主要化學反應有：

表1 發生爐煤氣組成(體積分數)

1.1.2 熔塊使用煤氣熔融機理

使用燃氣生產的熔塊窯爐是一般采用蓄熱式馬蹄焰池窯，從側面加料，生料在窯爐底部，燃料在窯爐空間燃燒，使得空間溫度上升，主要通過輻射和對流方式加熱使生料熔融成玻璃態。一氧化碳與氫氣在高溫下燃燒產生熱量，主要化學反應有：

1.2 電加熱熔融機理

電加熱熔融采用的是內部加熱的塔形冷頂窯爐，熔塊生料是各種粉末原料的混合物，在低溫下幾乎是絕緣體，隨著溫度的上升慢慢融化逐漸具備一些導電性能，高溫熔融下玻璃液狀態是一種良導體。在融化的熔體內插入電極，利用電流的焦耳效應內部加熱，粉料由窯爐的上部加入，底部熔融完全后流出。由于生料不具備導電性，因此需要先利用其他能源把生料融化到一定程度，具備導電性以后才能通電，常見的是使用天然氣先進行助熔。為了方便電極安裝合理位置，電爐常設計為多邊形，常見的為正六邊形。

圖1 燃氣窯爐示意圖(上圖為俯視圖，下圖為側視圖)

2 煤制氣與電加熱熔塊窯爐加熱污染物排放對比

2.1 煤氣加熱污染物排放

2.1.1 煤制氣階段的污染物產生

煤制氣是一個固體燃料轉換成氣體燃料的過程，由于煤炭組成繁多，反應過程復雜，在轉換過程中會生成多種產物，這些產物主要有固、液、氣3種形態。固態主要是廢渣，液態是含酚污水、焦油等，氣態主要以煤氣形式輸出。

廢渣主要成分有硅、鋁、鈣、鎂等，且含有一些未完全反應的碳，它可以用來加工透水磚等建材。煤焦油液態產物主要有含酚污水、焦油等。含酚污水來源是煤氣在凈化冷卻和輸送過程，有水冷凝析出，制氣過程中產生的酚類物質溶解至這部分水中便形成了酚水，酚水成分復雜含有多種酚類物質、還有油類和其他懸浮物，其中以苯酚含量最高。2017年世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單，苯酚在3類致癌物清單中，屬于“對人類致癌性可疑,尚無充分的人體或動物數據”范圍，在進行深入研究的同時，各國也對此進行了嚴格管制。酚水的無害化處理是焚燒，目前陶瓷行業通常是將煤氣站篩出的粉煤加工成水煤漿作為燃料，酚水加入其中，在使用時同時燃燒。煤焦油約占煤的3%左右，因具有較高熱值常常被作為工業燃料使用。其中含有多種煤炭衍生物和微量成分也是重要的化工原料，用來提取重要化工產品，目前提取的主要產品有萘、酚及其同系物蒽、菲、咔唑等，廣泛應用于合成纖維、工程塑料、農藥、醫藥、燃料中間體、炸藥、油漆、染料等領域。現行有效的2016 年6月14日由原環境保護部、國家發展和改革委員會、公安部發布的《國家危險廢物名錄》和2019年生態環境部發布的《國家危險廢物名錄(修訂稿)》征求意見稿都將“煤氣生產過程中煤氣冷凝產生的煤焦油”列入其中。

圖2 電爐示意圖(上圖為側視圖、下圖為俯視圖)

煤氣發生爐在點火運行期間和應急停送氣時會有少量煤氣通過排放出去，生產過程產生的廢氣還包括煤炭儲存、轉運、篩分、加煤等過程中產生的粉塵污染。另外還有VOCs污染，主要來源有焦油池和酚水池散發的VOCs污染，其主要成分是揮發性的烴、烯、芳香烴類和苯、酚類等物質；還有煤氣濕法脫硫系統產生的VOCs污染，主要是脫硫液再生過程中，混入脫硫液中的部分揮發性的芳香烴類和苯酚類、游離氨以及微量H2S等。

2.1.2 使用煤氣生產熔塊的污染

煤氣燃燒提供熔塊窯爐熱量，會產生大量CO2，由于煤氣組分中存在的其他有害成分還會產生其他污染物，其中主要是SO2。

熔塊生產大部分需要1 500 ℃的高溫，同時會排放較高濃度的NOx。

表2 不同含硫量煤氣化后煤氣中H2S含量以及燃燒后煙氣SO2含量(mg/m3)

表3 同一臺燃氣熔塊窯爐不同時間煙氣NOx監測數據

2.2 電加熱污染物排放

電加熱窯爐由于沒有燃燒和高壓氣流，生產過程中無特殊污染物，生產時幾乎處于密封狀態，無煙氣無廢氣和粉塵產生。其主要污染物為產品熔制過程中產生的部分揮發性物質，這些揮發物相對于燃氣產生量稍微少一些。作為能源消耗，排放是必不可少的，電加熱的污染物排放產生在發電環節。

2.3 煤制氣與電加熱熔塊窯爐加熱污染物排放對比

從前面對比可以看出，在熔塊生產上使用煤氣和用電在生產環節的污染物排放差異巨大，使用煤氣會存在很多難以克服的污染治理問題。

1)酚水。很難處理，由于排放標準收嚴，越來越多的陶瓷廠在改用天然氣，水煤漿的消耗越來越少，酚水更加難以處理，按理自行焚燒也需要進行環評。

2)煤焦油。被列入危險廢棄物名錄，企業如果在環評報告中沒有報告使用煤焦油的工藝，無論自用還是出售都是非法的。

3)NOx。熔塊窯爐相對較小，很多地方并沒有強制脫硝，但是由于排放濃度太高，排放總量很可觀，很容易超量排放，在一些地方執法中，嚴控總量可能會被迫停產。

4)脫硫污水及污泥。污泥因其雜質太多，很難使用，已經成為很難處理的固廢。而煤氣燃燒的這些問題在電爐上基本不存在，電爐只要配置合適的集塵設備就可以，收集粉塵還可以回收使用。

據報道，山東地區熔塊熔化費較年前已每噸上漲150元左右，漲幅接近40%。造成熔化費上漲的主要原因是，當前在產的熔化爐數量較少，其中主要原因之一是山東省在今年繼續壓減焦化產能，從而導致部分焦化煤氣生產廠家關停，由此引發同一地區熔化爐因無燃料而停產。即使熔塊需求量下降，這些產能依然有部分需要補充，在目前大環境下，可供選擇的主要燃料有天然氣、煤氣和電力。除了前面對比的污染物排放差異以外，能耗方面電爐也有明顯優勢。電加熱窯爐相對于煤制氣窯爐熱效率高，電熔爐熱交換在爐內進行，溫度最高的部位在電極附近，爐頂、池壁、爐底溫度較低，因而向周圍介質散失的熱量極少，立足長遠，電爐無疑是一個優選。