炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術研究與推廣

袁永健,陳麗新,張海龍

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081)

炭素及石墨制品混捏成型工段生產的配料環節中均會使用高溫的液體瀝青作為粘結劑[1],瀝青煙氣中含有多種多環芳烴(PAHs),其中的苯并芘、苯并蒽、咔唑等多環芳烴類等有機物多為致癌和強致癌物質[2]。混捏成型工藝生產過程中產生瀝青煙的設備多且配置分散,排煙支管長達數十米,且由于瀝青煙氣中混有炭粉、水蒸汽,極易造成排煙管道、凈化設備堵塞直至凈化系統功能喪失。凈化系統排煙功能失效后瀝青煙充斥混捏成型車間廠房,極大危害了車間一線員工的身心健康,對企業形象造成不良影響。

研發炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術和專用設備應用于瀝青煙氣治理,徹底解決了混捏成型瀝青煙氣治理難題,該技術已達到國內領先、國際先進水平。

1 混捏成型瀝青煙氣治理技術

針對混捏成型瀝青煙氣治理,目前炭粉吸附凈化、干式電捕凈化及蓄熱式焚燒爐焚燒凈化三種凈化技術應用比較普遍。下面簡單對三種主流技術進行介紹。

1.1 炭粉吸附凈化技術

國內從上世紀80年代引進了多套上炭粉吸附凈化系統(青海鋁廠是80年代引進的)。在此凈化系統中,生制品制造的原料之一的細焦粉末(石油焦粉或針狀焦粉,俗稱“炭粉”)被用于吸附煙氣中的瀝青煙,吸附凈化反應完成后,布袋除塵器將吸附瀝青煙氣后的炭粉分離出來再返回工藝流程用于產品的生產。現階段世界上絕大部分的炭素廠采用炭粉吸附凈化技術處理混捏成型工段產生的瀝青煙氣。

但是,采用該技術的瀝青煙凈化系統普遍存在堵管、凈化效率較低的問題。目前國內采用該技術的凈化系統故障率較高,多數處于癱瘓、或半癱瘓狀態。

1.2 干式電捕凈化技術

干式電捕瀝青煙凈化系統比較簡單,適用于 “炭粉”供應量不足,無法使用“炭粉吸附凈化技術”的場合。

干式電捕凈化技術是利用電捕焦油器高壓電場將煙氣中瀝青煙電離后,荷電的瀝青煙微粒在電場力的作用下運動至收塵極極板,從而將煙氣中的瀝青煙分離出來達到凈化的目的。但是,由于混捏成型工段瀝青煙溫度較低,粘結在極板上的焦油清理困難,嚴重影響電捕的凈化效果,難以滿足現階段日益嚴格的排放需求。同時,干式電捕凈化系統由于其凈化原理的局限,會產生液態的焦油、粉塵和水的混合物。由于分離、回收利用困難,會對環境造成二次污染。所以,一般不推薦使用電捕處理混捏成型工段瀝青煙氣[3]。

1.3 蓄熱式焚燒爐焚燒(RTO)凈化技術

蓄熱式焚燒爐(RTO)是一種用于處理中低濃度揮發性有機煙氣的節能型凈化設備。其基本原理是將有機煙氣加熱到約800 ℃左右,使煙氣中的碳氫化合物燃燒變成二氧化碳和水蒸氣后排至大氣。

此凈化技術最大的優點在于它不產生任何二次污染物,凈化效率非常高,對瀝青煙氣中所有有害物均能凈化處理。并且由于內置煙氣熱量回收模塊,所以燃料耗量比較“直燃式”焚燒爐低了很多,系統運行費用相對較低(但燃料消耗帶來的運行費用仍遠高于炭粉吸附凈化系統),但是,RTO處理方式仍然沒有解決因為瀝青粘接堵管造成系統失效的問題。

筆者認為,如果解決不了前端排煙管道堵管的問題,工藝流程產生的瀝青煙無法排除、收集,無法進入凈化設備進行處理,仍然散逸在車間中,RTO處理技術還是很難在此工況下成功應用。實際工程中,也有采用“炭粉吸附凈化+RTO焚燒”聯合使用的案例,但是由于投資、運行成本過高,無法推廣。

2 傳統炭粉吸附凈化系統的技術特點

混捏成型工段瀝青煙氣炭粉吸附凈化技術最大的優點在于它利用生產原料作為吸收劑,吸附瀝青后終產物仍可返回工藝生產,不額外產生外排的廢棄物,且凈化系統投資少、運行費用較低[4]。圖1為典型的傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術的工藝流程圖。

圖1 傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術工藝流程圖

圖2 凈化集氣下降造成的煙氣彌散到車間/焦油堵塞管道

傳統炭粉吸附凈化技術是將瀝青高位槽、瀝青秤、糊料混捏機、糊料冷卻機、成型機等設備產生的瀝青煙氣通過排煙支管匯集到排煙干管底部的煙氣集合器,煙氣中的部分液態焦油可在煙氣集合器中冷凝,然后排至下方的廢焦油桶中;煙氣經過集合器冷凝后進入上方的文丘里反應器,在文丘里反應器合適位置加入吸附劑炭粉,炭粉在文丘里反應器內與瀝青煙氣混合進行吸附反應。從文丘里反應器加入的凈化炭粉后直至凈化除塵器濾袋表面的濾餅層為凈化系統的吸附反應區域。經過炭粉吸附凈化后的煙氣通過煙囪排放,凈化后炭粉在凈化除塵器中分離出來并返回工藝生產。從上述流程來看傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術也是通過炭粉吸附將瀝青煙氣凈化,只要保證凈化炭粉的投入量是可實現凈化目標的,但對多個項目的調研中發現,實際運行情況就不容樂觀,因為其技術本身存在如下問題。

(1)混捏成型車間每條工藝生產線產生瀝青煙的設備多達10臺或更多,排煙點在10～20個左右,每點的排煙支管管徑在Φ100～Φ350 mm之間,這些小管徑的排煙支管由于散熱面積大,增加了瀝青煙氣的冷凝速度,此外如混捏機還會在初期的干混階段產生較多的干粉,在此情況下排煙管道很快就因為瀝青焦油的凝結及粘接炭粉而堵塞。管道堵塞是造成傳統“黑法”凈化效果不佳的最根本的原因。

(2)由于傳統技術在反應器前焦油凝結、粘接問題客觀存在,所以必須在系統上設置大量的檢查口、清理口;同時,為了便于清理,排煙支管一般設計成法蘭聯接;為了排放凝結的焦油,管道低點和煙氣集合器下部必須設置放油口。由于上述檢修口、清理口、法蘭聯接位置、放油口等漏風點的存在,造成系統溫度失控,加劇了瀝青煙的凝結,加速了系統堵塞的問題。

(3)傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術是從工藝配料系統取凈化用炭粉,然后將炭粉通過螺旋輸送機和溜管直接將炭粉投入煙氣集合器上部的文丘里反應器中,利用煙氣的流速將炭粉帶走,在此過程中炭粉與煙氣混合完成對瀝青煙的吸附凈化。該方案有兩個缺陷,首先是加入的凈化用炭粉采用自然投料方式斷續加入煙管,這就造成凈化炭粉與煙氣的氣-固兩相流不能充分連續混合、接觸、反應,部分炭粉已經吸附過飽和,部分炭粉還未與煙氣接觸,凈化后炭粉成團且凈化效率較低。第二,從反應器到除塵器距離過短,吸附劑炭粉和瀝青煙反應接觸的時間無法保證。由于炭粉對瀝青煙的吸附效率不高,無法對除塵器濾袋實現有效的保護,瀝青煙會粘接、浸潤進而堵塞除塵器濾袋,最終造成除塵器失效。

3 混捏成型瀝青煙全流程高效吸附技術

針對傳統炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙氣凈化系統存在的問題,研發人員調研了國內大量的炭素企業生產一線,對系統存在的問題進行匯總、分析,創造性的提出了“瀝青煙全流程高效吸附”的方式。采取各點擊破的原則,將傳統的炭粉吸附“黑法”凈化系統存在的問題逐一攻破。

(1)提出將凈化用炭粉多點、排煙管道源頭加入的工藝路線。炭粉在瀝青煙產生的源頭位置就將瀝青煙吸附凈化,可以解決支管管道的堵塞問題。此外,在排煙支管的起始端加入炭粉后炭粉本身具備的琢磨能力也可將煙管中粘接的冷凝焦油沖刷,實現“自清潔”功能。

(2)減少系統漏風,避免管道堵塞。由于實現了瀝青煙的沿程吸附,系統不會產生液態焦油,傳統凈化系統上必須設置的檢查口、清理口、放油口不再需要,保證了系統密閉,克服了傳統技術由于漏風造成的系統溫度失控、焦油凝結堵塞系統的問題。

(3)從源頭位置加入吸附劑,炭粉和瀝青煙氣的反應時間大大增加,進一步保證了系統的凈化效率,同時也保證了后端除塵器等設備的安全。

4 關鍵技術研究

針對傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術存在的上述問題,技術團隊采取了“總體改進、分項技術攻關”的思路,研發了多項新技術,分項克服傳統技術的不足。

4.1 炭粉自清潔管道防堵塞技術

為解決傳統炭粉吸附凈化技術存在的堵管問題,研發人員充分利用炭粉的高效吸附性能,創造性的提出最重要一個凈化技術炭粉“自清潔-管道防堵”凈化技術,圖3即為其凈化工藝路線與傳統炭粉吸附凈化工藝路線的區別。

圖3 傳統凈化系統炭粉投料原理圖/炭粉自清潔、管道防堵技術原理圖

炭粉“自清潔-管道防堵塞”技術利用凈化炭粉的大比表面積和強吸附的性能,將凈化用炭粉加入產生瀝青煙的設備或工位排煙支管的起始端,即瀝青煙氣收集后即加入凈化炭粉,讓炭粉第一時間將瀝青煙氣吸附凈化,排煙管道的沿程將不會出現焦油和水蒸氣冷凝的現象發生;此外,在排煙支管的起始端加入炭粉后炭粉本身具備的琢磨能力也可將煙管中粘接的冷凝焦油沖刷,實現“自清潔”功能[5]。同時,炭粉將在排煙管道壁面形成一層“薄粉膜”,由于炭粉本身就屬于自潤滑材料,將會使凈化系統的沿程阻力降低,經過多個工程實踐證明:凈化系統在投入炭粉后系統的總阻力比不加炭粉時降低了500～700 Pa,系統阻力的降低一方面可改善集氣效率,另一方面也節約了風機的能耗。

由圖3可看出凈化系統通過凈化工藝路線的重新設計實現了凈化炭粉從瀝青煙氣產生的源頭位置就開始對瀝青煙氣凈化,炭粉并在沿程對管道自清潔,解決了傳統炭粉吸附“黑法”凈化技術存在的瀝青煙在排煙支管冷凝、焦油堵塞支管的問題,也解決了煙氣中的冷凝水和焦油在管道跑冒滴漏的問題。

某碳素廠使用該技術5年,排煙支管仍舊保持較好的光潔度,未發生焦油堵塞,系統的集氣效率未發現明細衰減。

4.2 瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調控技術

炭粉是混捏成型瀝青煙氣凈化使用的吸附劑,炭粉的加入量直接影響到凈化效率,也是凈化系統是否能安全穩定運行的首要保障,炭粉加入量過少會造成瀝青煙不能徹底吸附凈化,還存在將凈化除塵器濾袋堵塞的風險;炭粉的加入量過多有可能會使凈化系統堵料,同時也加大了系統的阻力和管道的磨損。

為了滿足本凈化技術在多個瀝青煙產生的“源頭”位置加料的要求,提出了瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調控技術,即采用多種手段對凈化系統加入的炭粉進行計量和多點分料,具體做法為對加入凈化系統的總炭粉量采用精準計量手段,并對加入凈化系統的每個位置的炭粉均可調節的手段, “多點分料”的控制原理圖如圖4所示。

圖4 凈化炭粉多點分料圖

本凈化系統除了對加入的凈化炭粉總量控制外還對每個加入點的量進行控制,凈化系統根據產生瀝青煙的工藝設備和工位的不同加入的炭粉量也不同,并可根據實際運行情況實時調整,這種加料方式即可滿足凈化的需要也可減少炭粉對管道的磨損。

4.3 炭粉稀相預混自動均噴技術

炭粉吸附凈化系統運行高效的根本在于:吸附劑與吸附質充分混合,對于本系統來說就是要解決瀝青煙與炭粉的氣-固兩相混合問題,圖5是傳統炭粉吸附凈化技術與凈化炭粉稀相預混自動均噴技術的對比。

圖5 傳統凈化系統炭粉投料與“炭粉稀相預混-自動均噴”技術示意圖

由圖5可看出,凈化炭粉稀相預混自動均噴技術的原理與傳統的炭粉吸附“黑法”凈化技術采用單點自然投料方式存有本質上的區別,炭粉 “稀相預混-自動均噴”技術將空氣與炭粉預混后的炭粉輸送至主要產生瀝青煙的設備及工位,如:混捏機、冷卻機、糊料輸送及成型工位等產生大煙氣量、且瀝青煙濃度較高的位置;除此之外加料方式也摒棄了傳統的溜管自然加料,而是采用專利設備,首先將凈化炭粉與空氣預混,然后利用氣力輸送的噴射加入。保證了吸附劑炭粉與瀝青煙氣的充分混合和接觸,從而保證了凈化系統的高吸附凈化效率。

5 推廣應用情況與綜合效益

混捏成型瀝青煙氣全流程高效吸附凈化技術的工業化應用已涵蓋了石墨炭素行業中鋁用陽極、陰極及鋼鐵行業石墨電極等各種主流產品的生產。

本技術投入運行后經第三方檢測機構檢測,排放指標如下:

(1)顆粒物:<7.8 mg/Nm3

(2)瀝青煙:<7.2 mg/Nm3

(3)非甲烷總烴(VOC):<1.7 mg/Nm3

該技術不僅在排放指標上優于中國及歐盟現行的各項排放要求,且在使用5年的時間里排煙效果未發現明顯衰減,排煙管道未出現堵塞,主體設備運行狀況良好,其運行穩定性得到進一步驗證。

6 結 論

(1)混捏成型炭粉吸附瀝青煙氣全流程高效吸附凈化技術在“炭粉自清潔管道防堵塞技術”、“瀝青煙多排放點炭粉分料工藝調控技術”、“炭粉稀相預混自動均噴技術”等方面作了改進,解決了傳統瀝青煙炭粉吸附技術存在的一系列問題。經過5年多的推廣應用,該技術在石墨炭素行業多種產品生產工藝中應用均取得了很好的應用效果。該技術解決了困擾炭素及石墨制品混捏成型近二十年的“痛點”問題,很大程度上改善了一線生產員工的工作環境,提升了石墨炭素企業的形象,社會效益顯著。

(2)相對傳統技術,本技術由于在諸多方面作了改進,從凈化機理(主要體現在吸附劑特性、反應時間和反應溫度)還是凈化手段來說均可對煙氣中的苯并芘有效地凈化。下一步將結合本技術的應用,把炭素及石墨制品混捏成型瀝青煙氣中苯并芘的凈化研究作為下階段的工作重點,力爭通過凈化工藝的進一步改進能實現苯并芘的達標排放。