浅述炭素焙烧炉烟气净化技术的应用与发展

摘 要 本文论述了炭素焙烧炉烟气净化技术的应用与发展，对炭素焙烧炉烟气净化技术走可持续发展的道路提供了一定的见解。

关键词 炭素焙烧炉 烟气净化技术 应用 发展

一、引言

炭素焙烧炉排放的沥青烟气，因其中某些成分有致癌作用，日益受到人们的关注。随着环境管理的深化和环保技术的发展，近年来国内外沥青烟气的治理工作有了较大的进展。由于炭素焙烧工艺的不断改进，焙烧周期逐渐缩短，以天然气为燃料使用电磁脉冲控制系统的敞开式焙烧炉，焙烧周期已从早期的216h缩短为150h～160h。新焙烧工艺下焙烧炉烟气中大量的沥青、飞灰炭及沥青粉尘混合物在电捕器内沉积后难以清理，成为电捕法治理焙烧炉的难题之一。

二、对炭素焙烧炉烟气净化技术应用的分析与认识

（一）净化方案之间的选择比较

净化方案：

由于焙烧炉不同，产品生产规模、厂区环境和地理气象条件等诸因素的不同，烟气的数量、温度和成分差别很大。对于环式焙烧炉，分为密闭式和敞开式两种炉型。密闭式焙烧炉中，沥青挥发通过填料到达炉盖下部空间，然后被抽入烟道排出。其密闭性好，掺入空气量少，氧气含量低，不能燃烧，因此烟气温度低，沥青烟含量高，粉尘含量低。敞开式焙烧炉则不然，其大量空气通过填充料层进入烟道，氧气充足可引起部分挥发分燃烧。此时轻质烃大多烧除，而残留的主要是重馏分。由此可见，其烟气温度高，粉尘浓度高，焦油含量低，焦油成分中轻馏分少。两种炉型烟气状况见表1。

因而，合理选用净化方案是设计者遇到的头等问题。目前，国内外采用的净化方法有静电捕集法、氧化铝吸附净化法、碱吸收湿法及焦粉吸附净化法。焙烧炉烟气成分因焙烧炉和工艺条件的不同而出现差异，使得各种净化方法的使用各有利弊，即适用范围和应用广度也不同。

第一，静电捕集法。目前国际上密闭式焙烧炉烟气治理以静电捕集法为主（约占85%）。我国密闭炉烟气净化也基本采用此法，诸如吉林、上海、抚顺、南通、成都炭素厂及贵州铝厂阴极焙烧炉等。其主要净化设备为电捕焦油器，有同心圆式电捕焦油器、普通卧式电捕焦油器和宽极距预荷电式电捕焦油器三种结构形式。同心圆式电捕焦油器采用单电场，净化效率不稳定;普通卧式电捕焦油器净化效率大于90%，比同心圆式电捕焦油器略有提高，运行稳定性有所提高。宽极距预荷电式电捕焦油器极距加宽到400mm～500mm，在电捕焦油器前增加了全蒸发冷却塔。该塔是利用水的汽化潜热使烟气降温，通过控制水雾化质量、塔内流场等影响速率的因素，使液滴运动到塔壁和塔底之前全部蒸发，塔内壁无水滴，塔出口不带水，出口温度控制在80±5℃。烟气降温过程中，气态焦油凝结成液滴，并使焦油滴粒径增大，以利于电捕焦油器捕集。目前，吉林、抚顺、贵州等铝厂已采用此方法。其沥青烟净化效率可提高到98%，沥青烟出口浓度低于20mg/Nm3。第二，焦粉吸附净化法。该方法是采用生产原料焦粉作为吸附剂，以吸附烟气中的沥青烟，然后经布袋除尘器实现气固分离。其吸附沥青焦油的净化效率高，而且用过的吸附剂可返回生产系统使用。但其对铝电解厂回用残极的阳极焙烧炉产生的气氟的吸附能力差。

（二）净化系统自动控制的应用

设计者侧重于对电捕集器着火防爆以及管道着火的控制与报警。对决定着电捕集器入口参数的全雾化喷淋装置内而言，其诸参数结构的变化，对系统的影响还没有给予重视。设计者大多还是根据工程经验进行设计。喷水量、冷却水温度、烟气量等对烟气冷却的影响，许多文献大多只是提及或没有提及，更没有给予量化，因而造成系统运行可靠性差，控制不到位等情况的发生。其成为系统频繁发生故障或着火燃爆的罪魁祸首。同时，其也造成了系统能源和水资源的浪费。

（三）炭素焙烧炉沥青烟气净化系统可靠性研究

由于炭素电极作为重要的导体和还原剂，在生产制造过程排出的沥青烟气中含有大量的有害物质和粉尘，易发生烟道着火、电捕集器燃爆，严重时发生焙烧炉爆炸事故，因此其有必要对烟气净化系统进行可靠性分析。通过对其进行可靠性分析，得出炭素焙烧炉沥青烟气净化系统可靠性差，危险性大。其中，烟道、雾化喷淋和电捕集子系统为重要环节。而且其喷淋雾化子系统对整个系统的可靠运行影响最大。该系统既是整个系统的关键环节，也是最薄弱环节。

在对沥青烟气净化系统作可靠性分析时，将“烟气排放超标T”这一事件作为系统的顶事件。其子事件有烟道着火A，雾化喷淋系统不能正常工作B，电捕集器故障C，排烟风机故障D，焙烧炉故障E等。其采用下行法分别对子系统A、子系统B和子系统C的故障树求取最小割集，得出系统T顶事件发生的最小割集共有27个。而且系统T的子系统A、B、C、D和E的重要度顺序为：

I27（B）>I27（C）>I27（A）>I27（D）=I27（E）

通过对沥青烟气净化系统进行可靠性分析，得出以下结论：

第一，系统T的故障树与门少，或门多，最小割集共有28个，则顶事件（烟气排放超标）的发生就有27种可能。这表明该系统可靠性差，危险性大。第二，子系统B的最小割集数量最多，达14个，说明该系统不稳定，是整个系统中的薄弱环节。第三，电捕集器入口烟气温度的高低直接由喷淋系统对烟气进行气体调制过程控制，因此子系统C的底事件y2和y11是由子系统B引起的，子系统B在整个系统中的地位极其关键。第四，系统T顶事件的发生取决于子系统A、B、C的可靠性，其中子系統B对顶事件发生的影响最大，子系统C的影响次之，而子系统D和E对顶事件发生的影响较小。

分析结果与工程实际是一致的。

三、依靠技术进步，以促进炭素焙烧炉烟气净化技术的可持续发展

（一）稀相流化床法

稀相流化床技术包括三个基本环节：烟气冷却、吸附净化、气固分离。焙烧炉烟气首先进入冷却塔，采用喷雾冷却的方法使烟气温度下降，造成焦油冷凝，第二步将烟气导入一个使之加速，形成湍流的装置，并从此加入吸附剂，使气固充分接融，冷凝焦油附着于吸附剂表面，完成烟气净化，最后含有吸附剂的气流通过布袋除尘器、固体被阻留、分离、回收，干净气体经烟囱排入大气。

（二）浓相沸腾床法

美国铝业公司烟气净化一直使用沸腾床技术。焙烧炉烟气净化不仅要除氟，同时还要除沥青焦油和降温。仿照A-398法（铝电解烟气干法净化技术）试验时，曾发现篩板堵塞，因而对沸腾床反应器做了相应的修改。新氧化铝从一端以150kg/h～350kg/h的速率加入沸腾板的上部，从筛板底下鼓入新鲜空气，使氧化铝流态化，而烟气从沸腾床的两侧进入床层，使烟气与氧化铝密切接触，烟气中的氟、沥青焦油和粉尘被捕集于氧化铝之中，排气经设在反应器上部的布袋滤尘器过滤后排空。新鲜空气与烟气量之比为1/5～1/8。烟气冷却降温通过向沸腾床上喷水来实现，水量须严格控制，不能造成“湿床”。降温可促使焦油冷凝提高吸附效率，并可保护滤袋不被烧坏，减少细粒氧化铝飞扬。

（三）湿法净化

最近的“湿法”已非早期的水洗法可比。水洗法虽然设备简单，但除焦油效率低，达不到排放标准。干电捕可以除焦油，但对于敞开炉又不甚适宜。湿法净化一般均配湿式电收尘器，为净化氟、硫等气态污染物，尚需加一级洗涤吸收设备。以日轻为贵州铝厂设计的阳极焙烧炉烟气净化装置为例，烟气首先经过沉降室，喷雾使之饱和，分离一部分粗粉尘，避免收尘器极板上形成干区，从而造成焦油和粉尘黏附。然后其进入空心洗涤塔，塔高25.7m，上、下部直径分别为3.8m和5.7m，空塔速度3.6m/s～2.0m/s，塔顶部布置28个喷嘴喷淋稀碱液，以吸收氟和硫化物。烟气温度降至70℃左右，再进入双室二电场湿式电收尘器，进一步捕集焦油和粉尘后排空。洗涤液送至水处理场，投加氯化钙使之产生氟化钙、硫酸钙沉淀，以此为晶核促使焦油和粉尘分离，再加PA-322凝聚剂加速絮凝沉降，经浓缩、过滤分离泥渣。其排水中含氟25.1mg/l，焦油13.4mg/l，而且与厂内其他废水混合后可以符合排放标准。但其仍不免有二次污染之嫌。

（四）焦炭吸附法

焦炭吸附法又称“黑法”，即用生产炭素制品的原料炭粉作吸附剂，吸附焦油后可以用于配制生阳极。炭粉的比表面积约8m2/g～10m2/g，对沥青焦油有良好的吸附性。AI公司处理敞开式焙烧炉烟气的“黑法”流程是先向烟道中喷水冷却烟气，然后引入文氏管，并向其中加入炭粉，使二者充分接触进行吸附。当新炭粉投入量为6g/m3～20g/m3，循环炭粉60g/m3～150g/m3时，净化效率可达99%。若烟气中含氟，需在后部再加一套洗涤装置予以吸收。废水用石灰中和后排放。法国彼施涅公司向青海铝厂报价书中采用“黑、白法”，即烟气经炭粉吸附除焦油后，再加一段文氏管用氧化铝吸氟。

（五）干电捕法

目前，国内已有几个工厂（上海炭素厂、吉林炭素厂、抚顺铝厂等）采用单电场立式同心圆电捕焦油器处理焙烧炉烟气，回收沥青焦油后排空。运行电压30kV～40kV，烟气通过速度1m/s～1.8m/s。此法系由煤气行业移植而来，流程最简单，焦油捕焦效率在90%左右，排气含焦油浓度可低于50mg/m3。

四、结语

第一，充分利用自控手段提高净化系统运行的可靠性，抓住系统关键环节，重要参数实施实时监控。第二，至今因为沥青烟气的复杂性，难于模拟以及炭素生产规模庞大，难于现场做试验，还没有人专门对净化系统各安全影响因素进行定性定量研究，关于净化系统的安全可靠性还没做系统性考虑。第三，对于电捕集系统，由于电捕集器极易着火，大部分设计者仍将重点放在该装置上，采取的措施多是在电捕集器上端增加淋水装置，以及自动切断电源，改旁通烟道，直接将焙烧炉烟气放于大气。第四，加大故障发生源的研究。全雾化喷淋装置在电捕集系统中起着重要的作用，对烟气调质效果的好坏，直接影响电捕集器捕集沥青的效率，并且影响沥青回收工作的顺利完成。因此，研究者要将研究重点，改进措施着眼在该冷却装置。第五，将冷却塔的研究成果用于全雾化喷淋装置内换热换质过程的研究中，以有效控制烟气处理温度，达到节约水资源，降低废水处理量的目的。

（作者单位为包头铝业有限公司）

[作者简介：郭俊（1979—），男，工程师，主要从事铝用炭素装备的管理及技术研发的工作。]

参考文献

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