炭素工業(yè)焙燒爐煙氣污染治理技術(shù)的研究和應(yīng)用

張 銳，豐慶國，董守東，萬加兵（鹽城蘭豐環(huán)境工程科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)中，火電、冶金、化工和建材等行業(yè)在生產(chǎn)過程中，都有大量含有粉塵的煙氣排放，石墨電極是炭素行業(yè)的主要產(chǎn)品，焙燒爐是其主要的污染來源，炭素行業(yè)作為粘接劑的瀝青煙氣治理，一直是業(yè)內(nèi)大氣環(huán)境治理的大難題，也是嚴(yán)重制約行業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的主要因素。蘭豐環(huán)境作為水泥行業(yè)的著名環(huán)保企業(yè)，也是專業(yè)從事煙氣粉塵系統(tǒng)治理的國家級高新技術(shù)企業(yè)，利用其國家863超潔凈排放項(xiàng)目的實(shí)施單位和國家煙氣冶理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室骨干成員單位的技術(shù)優(yōu)勢，在焙燒爐煙氣冶理技術(shù)的研究和應(yīng)用上，針對碳素焙燒的煙氣特性，研究開發(fā)了炭素焙燒煙氣多污染物深度凈化的超低排放技術(shù)，生產(chǎn)出集脫硫、脫硝、除塵一體化的新一代除塵設(shè)備和功能材料，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)第一套炭素行業(yè)焙燒爐煙氣多污染物的深度凈化和超低排放。

1 煙氣特性及煙氣治理的技術(shù)途徑

炭素焙燒產(chǎn)生的煙氣具備以如下特性：

（1）煙氣中的瀝青焦油較多。瀝青焦油煙氣成分復(fù)雜，含有數(shù)百種物質(zhì)，其中酣類、蒽荼類、并芘等多環(huán)芳烴類物質(zhì)對人類和動植物都有危害性，特別是苯并芘屬于強(qiáng)致癌物質(zhì)，應(yīng)予特別的關(guān)注。

（2）煙氣中的SO2含量較低，最高只有700 mg/m2； 煙氣中的NOx含量一般，通常在500mg/m2 左右。

（3）出口煙氣溫度較低，正常在90～120℃，經(jīng)過電捕焦后只有70～90℃。

（4）煙氣中粉塵含量也不高，主要由一級電捕焦器收集。

針對焙燒爐的煙氣特性，我們在采取了以下三種措施：

（1）采用三層噴淋層，嚴(yán)格控制每層間距2m，確保每層的覆蓋率在250%以上。

（2）采取兩層增效環(huán)，防止局部煙氣塔壁短路現(xiàn)象（見圖1）。

圖1 雙層增效環(huán)

（3）針對焙燒爐煙氣成分復(fù)雜、有機(jī)物濃度高的特性，為滿足高標(biāo)準(zhǔn)的除塵要求，研究認(rèn)為氣速小于1.8m/s的狀態(tài)下，收塵效率更佳。

2 系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)炭素焙燒的工藝特性和煙氣多污染物深度凈化、超低排放的技術(shù)要求，在系統(tǒng)設(shè)計中采用分級凈化、多級聯(lián)動、協(xié)同治理的核心技術(shù)，用SNCR脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低濃度NOx的一級有效脫除；通過新型多功能高容炭基吸附材料高效去除煙氣中的瀝青煙和苯并芘（一級），兼顧SO2（一級）、NOx（二級）的共吸附脫除；采用新型深度袋式除塵技術(shù)高效去除煙塵（一級），吸附工藝與袋式除塵的有機(jī)耦合（噴射炭基脫硝材料），實(shí)現(xiàn)有機(jī)物、重金屬等多污染物的二級脫除以及三級高效脫硝；通過雙區(qū)托盤脫硫技術(shù)，配套多孔托盤、高效除霧噴淋裝置，實(shí)現(xiàn)硫塵霧（二級）的高效凈化；末端采用高效濕法電除塵進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煙氣中微細(xì)顆粒物PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、重金屬和有機(jī)污染物的深度凈化（三級）。

2.1 脫硫系統(tǒng)

采用鈣法脫硫工藝，流程如圖2所示。脫硫劑：采用200目～320目石灰粉或石灰石粉；鈣硫比：1.01～1.03；SO 脫除率≥99% 。

圖2 脫硫工藝流程圖

系統(tǒng)采用專利的脫硫增效技術(shù)，能夠有效地降低液/氣比，有利于塔內(nèi)氣流均勻，提升脫硫效率15%。采用深度濕法脫硫除塵一體化技術(shù)，通過高效除霧器、高效節(jié)能噴淋裝置和多孔托盤裝置提高脫硫除塵效率（見圖3）。

圖3 脫硫除塵一體化技術(shù)

除霧器采用一層管式加三層屋脊的獨(dú)特設(shè)計，葉片間距從30mm到25mm，葉片傾角37°，確保全塔無除霧死角，可達(dá)到極限霧滴去除顆粒尺寸170μm。優(yōu)化的噴淋布置方式，采用多種噴嘴組合，在提升自身霧化效果的同時提高二次碰撞的效果；為避免氣液短路，專門設(shè)計了防壁流裝置。采用多孔持液托盤技術(shù)，通過旋流撞擊托盤，保證氣流通暢、均勻。

系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)上，在系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)采用數(shù)值模擬分析（見圖4），提升凈化效率。

圖4 系統(tǒng)模擬分析圖

2.2 脫硝系統(tǒng)

采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)，通過爐內(nèi)噴入脫硝還原劑，在850～1100℃的溫度范圍內(nèi)，在無催化劑的環(huán)境下，還原劑優(yōu)先與NOx進(jìn)行反應(yīng)，生成無害、無污染的氮?dú)夂退煌ǔＴ诒ＷC還原劑合理的運(yùn)行成本條件下，氨的逃逸量不超過10×10-6的前提下，達(dá)到60%左右的脫硝效率。脫硝裝置的采用獨(dú)特的設(shè)計（見圖5），具備以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）深度凈化技術(shù)：采用先進(jìn)壓力控制系統(tǒng)有效提高還原劑的噴射力度、增強(qiáng)煙氣滲透能力。

（2）采用技術(shù)先進(jìn)噴槍，能夠改善噴射角度和霧化粒徑尺寸，讓噴入的還原劑在煙氣中分布更均勻，混合更充分。

（3）采用流場模擬技術(shù)，能夠有效選擇可持續(xù)維持恰當(dāng)反應(yīng)溫度范圍和足夠反應(yīng)停留時間的噴槍安裝位置。

（4）運(yùn)行穩(wěn)定技術(shù)：還原劑采用多級噴射技術(shù)，可有效地提高SNCR脫硝效率；通過提高自動化控制系統(tǒng)響應(yīng)特性，以適應(yīng)負(fù)荷的不斷變化。

圖5 脫硝設(shè)備

2.3 濕法電除塵器系統(tǒng)

濕法電除塵器主要用于燃煤鍋爐脫硫后的粉塵深度處理，排放可達(dá)5mg/m3，甚至更低，達(dá)到近零排放的要求。被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、炭素等行業(yè)濕煙氣深度凈化、超低排放。作為用于處理含微量粉塵和微顆粒的除塵設(shè)備，濕法電除塵器主要用來除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、PM2.5等有害物質(zhì)，是治理大氣粉塵污染的理想設(shè)備。

濕法電除塵器的除塵原理與干式電除塵器基本相同，主要有荷電、收集和清灰三個階段，含塵氣體通過進(jìn)口經(jīng)氣流分布板進(jìn)入電場，同時噴嘴將霧化后的水霧噴入電場中的氣流中，水霧與粉塵碰撞凝聚成較粗的顆粒，粉塵與水滴在電荷的作用下被集塵板捕集，收集灰塵形成連續(xù)向下流動的一層水膜，剩余煙氣經(jīng)煙囪排向大氣（見圖6）。

圖6 濕法電除塵器的除塵原理

濕法電除塵器的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 濕法電除塵器的結(jié)構(gòu)

我們在研發(fā)高效濕法電除塵器時，結(jié)合用戶需求，進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化、創(chuàng)新，形成如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）可靠的固定裝置：采用重錘+整體固定框架+張緊絕緣箱的可靠固定措施，避免陰極線因高氣速氣流的沖擊而出現(xiàn)晃動，確保除霧效率。

（2）高效的電暈極線：采用高效極線（鈦合金、2205、鉛銻合金），具有放電點(diǎn)多、效率高、起暈電壓低、耐腐性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

（3）先進(jìn)霧化凝并技術(shù)：采用連續(xù)噴淋霧化水，通過其傳質(zhì)、碰撞、凝并作用，促使霧滴增大，保證霧滴和氣溶膠的高效去除。

（4）特殊蜂窩式導(dǎo)電管束：管束內(nèi)壁表面進(jìn)行特殊親水性處理，保證內(nèi)壁在工況下形成連續(xù)的液相膜，除霧效率高，清灰效果好。

（5）先進(jìn)絕緣保護(hù)系統(tǒng)：絕緣箱采用熱風(fēng)正壓保護(hù)裝置，絕緣性能更為可靠，避免“污閃”現(xiàn)象。

（6）智能的人機(jī)控制系統(tǒng)：采用DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分散控制、集中管理。滿足企業(yè)的高柔性、高效益的發(fā)展要求。

3 工程應(yīng)用效果

部分工程項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際見圖8。

圖8 工程項(xiàng)目現(xiàn)場

通過實(shí)際的工程應(yīng)用效果統(tǒng)計（見表1），采用本工藝技術(shù)進(jìn)行煙氣治理的項(xiàng)目，均獲得了較好的凈化效果，達(dá)到了煙氣超低排放的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

（1）通過持續(xù)的技術(shù)研發(fā)和設(shè)計優(yōu)化，我們生產(chǎn)出國內(nèi)第一套炭素行業(yè)焙燒爐煙氣脫硫、脫硝和濕法電除塵系統(tǒng)裝置，用于工程項(xiàng)目，取得了良好的凈化效果，實(shí)現(xiàn)了炭素工業(yè)焙燒爐煙氣的超低排放。

（2）本系統(tǒng)設(shè)計中，通過焙燒煙氣的超低排放技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)一級脫硝、二級脫硫、三級除塵、四級脫硝、三級脫碳及其有機(jī)物的深度聯(lián)動治理，有效地實(shí)現(xiàn)炭素行業(yè)焙燒爐煙氣的超低排放指標(biāo)：粉塵≤5 mg/m3；SO2≤35 mg/m3；NOx≤50 mg/m3；瀝青煙≤10 mg/m3，苯并芘≤0.3 μg/m3。

表1 工程應(yīng)用效果

（3）系統(tǒng)設(shè)計充分考慮循環(huán)利用、以廢治廢，多功能炭基吸附材料就來自于炭素產(chǎn)品的直接應(yīng)用，吸附質(zhì)被送回焙燒解析，并被氧化脫除。系統(tǒng)安全性和智能化化程度較高，研發(fā)了阻燃防爆除塵裝置，配備智能化控制系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)整體設(shè)計、協(xié)同治理，延長了系統(tǒng)的使用壽命，降低了環(huán)保的投資和運(yùn)行成本。設(shè)計中煙氣的停留時間較短，既提高了設(shè)備的除塵效率，也保護(hù)了設(shè)備不易發(fā)生腐蝕。