炭黑裝置尾氣治理設施環保改造的研究

李 庭

（中冶賽迪重慶環境咨詢有限公司 重慶 400013）

炭黑是現代國民經濟生產中不可缺少的、重要的化工原料。炭黑作為橡膠的重要補強填充劑，在輪胎生產中是僅次于橡膠的第二大類原材料。炭黑也可以作為著色劑、導電劑、紫外線屏蔽劑或抗靜電劑，廣泛用于塑料、電纜、涂料、油墨、靜電復印等多個領域。近年來隨著我國國民經濟和高速公路的迅速發展，汽車輪胎產量以及橡膠消耗量的增加，炭黑的消耗量也迅速增加。炭黑的生產原料主要為兩種，一是石油化工產生的渣油，二是煤炭化工產生的煤焦油。

以煤焦油為例，在炭黑反應爐中，調配好的炭黑原料油在高溫下不完全燃燒，生成炭黑，并副產大量的炭黑尾氣，生產1t炭黑副產的尾氣約8 000m3[1]，炭黑尾氣中含有大量可燃成分，如炭黑塵、CO等。為節約能源，減少排污，炭黑企業一般配備尾氣焚燒裝置和發電裝置用于處理炭黑尾氣。由于炭黑尾氣特性，燃燒后煙氣中含大量的NOX、SO2、顆粒物等污染物，存在超標排放的風險。華南某企業對炭黑生產裝置產生的尾氣采用鍋爐燃燒，富余蒸汽用于汽輪機發電，燃燒煙氣按照溫度遞降設置了脫硝脫硫除塵裝置，取得了較好的環保效益和經濟效益。

一、炭黑尾氣排放特征

典型的炭黑生產工藝流程見圖1。

圖1 炭黑生產的工藝流程圖

炭黑原料油在炭黑反應爐中燃燒，溫度可達到1 700℃～2 000℃。根據研究[2-3]，溫度超過1 300℃，將產生大量的熱力型NOX，即高溫燃燒過程中助燃氣體或空氣中氮元素被氧化生產NO，之后NO轉化為NO2。根據監測，炭黑尾氣的主要成分見表1。

表1 炭黑尾氣主要成分

由表1可見，炭黑尾氣中含有CO、CH4等可燃成分，炭黑尾氣中還含有炭黑煙塵，熱值一般可達到2 700kJ/m3。炭黑行業炭黑尾氣普遍采用尾氣鍋爐焚燒方法進行炭黑尾氣余熱回收，由于炭黑生產工藝決定了尾氣中存在較高的NOX，因而尾氣的二次燃燒產物中NOX含量高達0.6‰～0.8‰。并且摻燒的可燃成分中含有機硫和無機硫，導致SO2濃度也比較高。根據在線裝置監測結果顯示，炭黑尾氣采用鍋爐燃燒后的出口煙氣特征見表2。

表2 炭黑尾氣鍋爐燃燒后煙氣特征

由表2可見，炭黑尾氣鍋爐燃燒后NOX、SO2、顆粒物濃度較高，且波動幅度比較大，不處理對環境污染較大。

二、炭黑尾氣環保改造

（一）脫硝工藝

目前脫硝主流技術包括：選擇性催化還原（SCR）、選擇性非催化還原（SNCR）和SCR－SNCR混合技術[4-5]、活性炭吸附法、臭氧氧化脫硝技術[6]等，從經濟技術可行性角度來講，SCR仍然是最有效的NOX治理技術。基于此，采用SCR脫硝技術進行炭黑尾氣鍋爐廢氣脫硝裝置改造，改造后的脫硝工藝流程詳見圖2。

圖2 SCR脫硝工藝

由圖2可見，將炭黑生產裝置產生的炭黑尾氣，送入尾氣鍋爐進行焚燒處理，并產生蒸汽，鍋爐煙氣出來后溫度較高，約為320℃～400℃，煙氣與尿素熱解后的氨空氣混合氣體混合，最后進入SCR反應器，在催化劑表面發生選擇性催化還原，將NOX還原為N2后，進入高溫空預器，再進入脫硫程序。

（二）脫硫工藝

1.煙氣脫硫技術

煙氣脫硫技術成熟多樣，以脫硫劑分類，比較常見的為鈣法（石灰石/石灰—石膏）、鎂法（氫氧化鎂、氧化鎂等）、鈉法（氫氧化鈉、亞硫酸鈉等）、氨法等[7-8]。目前，該法因技術成熟可靠、脫硫劑來源廣泛易得、脫硫效率穩定等優點，成為國內脫硫工藝主流選擇。所以選擇石灰石—石膏法進行脫硫改造：脫硝系統出口煙氣經增壓風機增壓，換熱器換熱降溫至約130℃，進入脫硫吸收塔，石灰石漿液吸收煙氣中的SO2、顆粒物。

脫硫后的煙氣含水率較高，因此采用濕式電除塵器進一步去除顆粒物。

炭黑尾氣環保改造總體工藝流程如圖3。

圖3 炭黑尾氣環保改造總體工藝流程

2.改造效果

從節能角度，本項目利用鍋爐燃燒，對炭黑尾氣中的化學能進行利用，產生的蒸汽可用于發電、供熱；鍋爐燃燒后煙氣溫度較高，適合SCR煙氣脫硝反應溫度，脫硝后再進行脫硫和除塵，不需額外加熱節約能源。

從減排角度，根據監測結果，處理后的污染物排放濃度見表3，減排效率基本在95%以上，減排效果好。

表3 煙氣處理后的污染物排放濃度

3.需重點關注的地方

SCR環節會有部分氨逃逸，進入脫硫程序前與煙氣中的SO2結合生產硫酸銨鹽類或亞硫酸氨鹽類物質，沉積在空預器換熱片上，引起低溫結垢腐蝕，并最終導致出口煙氣中含氧量較高。

由于脫硫后煙氣含水率較高，需采用濕式電除塵器，且經成品篩分、除塵等工藝處置后的炭黑塵粒徑非常小，在監測顆粒物濃度時，宜采用細顆粒物的監測方法。

三、結束語

炭黑尾氣中含有較多的可燃成分和有機物，可用于燃燒產生蒸汽等能源介質，有利于節約能源，但是燃燒后的廢氣中含有較高濃度的NOX、SO2、顆粒物，且濃度波動幅度較大，宜采取措施進一步處理達標。

炭黑尾氣鍋爐煙氣采用典型SCR脫硫技術、石灰石—石膏法脫硫，污染物去除效率較高，但同時也帶來低溫結垢腐蝕等問題。期待未來開發出更多適合炭黑尾氣鍋爐煙氣特點的脫硫多效技術，使操作更便捷，更節能降耗。