浅谈降低焙烧炉烟气污染物排放的方法

王素生，蒋金龙,，鲜勇，邹泽玉

（1.索通发展股份有限公司， 德州 251500 2.湖南大学 材料科学与工程学院， 长沙 410082 3.成都工业学院 材料工程学院， 成都 611700）

0 前言

环境问题是关系到经济可持续发展的大问题，保持人类耐以生存的自然和生态环境已经引起世界各国的广泛关注。NOX、SO2是主要大气污染物之一，严重影响环境、威胁人们的生活健康[1]。保护大气环境质量，是目前及未来相当长时间内我国环境保护的重要课题之一。2017年中国铝用阳极总产能约为2408万吨，相比2016年的2208万吨/年，增加约200万吨。截止到2018年6月底，我国铝用阳极产能为2507万吨/年，预计下半年至少还有280万吨/年左右的新增产能投产。随着环保部《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》的发布，在各级政府强力的督导与推进下，“2+26”城市域内铝用碳素企业的环保意思高度增强。企业为符合排放标准要求，不惜重金对窑炉工艺控制及环保装备进行改进升级。本文主要对焙烧烟气成分进行分析，在生产过程中通过调控燃烧器相关技术参数和燃烧系统技术参数等，使焙烧过程中产生的相关污染物在焙烧炉中得到有效的降低，在工业生产中取得良好效果。

1 焙烧炉烟气中主要成分及污染物

通过对四台38室敞开式焙烧炉烟气成分分析，敞开式焙烧炉的烟气主要成分是N2、O2、CO2、H2O及小部分污染物。污染物如：NOX、SO2、焦油、粉尘等。另本厂由于无残极的使用，因此不考虑氟化物的分析处理。在焙烧炉挥发分控制过程中，挥发分燃烧充分，产生的焦油极少，采用电捕净化系统能很好的收集沥青烟。

1.1 氮氧化物

焙烧炉烟气中氮氧化物的来源主要为火道高温烟气中N2与O2发生反应所产生，属于热力型NOX的形成[2]。

产生NO和NO2的两个重要反应：

上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响；平衡时NO浓度随温度升高迅速增加；平衡常数和平衡浓度[3]如图：

图1 平衡常数、平衡浓度Fig.1 Equilibrium constant equilibrium concentration

上述数据说明：室温条件下，几乎没有NO和NO2生成，并且所有的NO都转化为NO2；800K左右，NO与NO2生成量仍然很小，但NO生成量已经超过NO2；常规燃烧温度（＞1500K）下，有可观的NO生成，但NO2量仍然很小[4]。

根据NOX产生机理，控制NOX形成的措施是设法建立富燃料的燃烧区域；设法降低局部高温区的温度；使燃烧区域的氧浓度适当降低，如图所示在氧浓度降低的同时，NOX随之降低。

图2 烟气循环燃烧对降低NOx的影响[3]Fig.2 Effect of circulating combustion of flue gas on NOx reduction

1.2 二氧化硫

硫在焙烧炉的烟气中是以SO2形态存在的。本厂燃料为天然气，SO2主要来源于粘结剂沥青中挥发分燃烧和填充料冶金焦料氧化燃烧。而生阳极中煅后焦热处理温度高于焙烧处理温度，煅后焦脱硫率较低，可忽略不计。

冶金焦硫含量为0.6%～0.9%，作为填充料在焙烧炉平均消耗为填充料的消耗为23 kg/t-c，则填充料燃烧可产生SO2为：

1.3 粉尘

焙烧炉烟气中烟尘的来源主要有：沥青挥发分不完全燃烧产生的炭黑、填充料中细粉颗粒被气流带入火道的烟气中产生、耐火材料粉尘等。

2 降低焙烧炉烟气污染物排放的方法

通过烟气污染物产生机理，结合焙烧炉控制进行针对性分析、整改优化，通过改进达到降低污染物排放的目的。

2.1 降低氮氧化物排放的措施

通过焙烧炉烟气控制中进行了以下调整，有效的控制了NOX的产生：

（1）调整每个燃烧系统三排燃烧架的天然气用量分配，结合燃气压力及上下游喷气功率的调整，对高温炉室的空气-燃料比(AF)进行调节，使其处于贫氧富燃的状态。

（2）传统的燃气燃烧器主要以保证燃烧效率为目标，对于污染物排放控制考虑欠缺。其由于火焰刚度不足和发散，使火焰喷入火道的深度不够，造成火道内温度分布不均和局部温度过高[5]。

通过引入新型燃烧器，调整燃烧器喉管与喷口直径比（见下图），控制火焰形状使燃料与助燃空气在炉内混合更均匀，降低了燃烧过程中产生的局最高温度，降低了NOX生成量。

图3 燃烧器示意图Fig.3 Schematic diagram of burner

（3）燃烧器放置孔使用石棉密封，减少空气进入。对火道1孔、3孔燃烧器喷嘴位置的火道墙进行维修，避免火道变形阻挡火焰燃烧，造成局部高温。

（4）调整鼓风机位置和开度，使鼓风机后置，延长自然冷却炉室，适当调整鼓风机开度结合火道负压使零压控制在15pa以内。这样减少供氧量，达到降低NOX的产生[6]。

（5）利用脱硝设备进行控制，当氮氧化合物超高时，向高温炉室内喷入氨水，并适当调节氨水压力控制流量，使氮氧化合物数值控制在要求的范围以内。其机理是选择性非催化还原法（SNCR），以尿素或氨基化合物作为还原剂脱出NOX的化学反应[7]：

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)即选择性非催化还原法,是一种经济实用的NOx脱除技术[8]。SNCR脱硝技术的原理是在合适的温度区间喷入氨基还原剂，通过一系列的气相基元反应还原气体中的NOX，温度为850～1100℃与SNCR反应的温度窗口相匹配[8]。工作原理如图1所示。

图4 SNCR烟气脱硝系统工作原理图Fig.4 Schematic diagram of SNCR flue gas denitration system

2.2 降低二氧化硫排放的措施

二氧化硫的治理办法：

（1）对各火道建立档案，对火道状况进行分级。加强变形火道更换和维修。对火道和横墙连接处，使用石棉和高温耐火泥进行堵漏。

（2）降低总管负压，使单火道负压由260Pa控制在160pa之内，实行低负压运行。冷却风机后移，减少冷却料箱中填充料氧化。

（3）对装炉质量严格要求，装炉过程中填充料捣实。控制覆盖料厚度，在焙烧过程中及时补充覆盖料，避免填充料氧化燃烧。

（4）严格控制冶金焦进厂硫含量，从源头进行控制。对装炉填充料进行定期筛分，去除较大颗粒及粉尘。

（5）烟气排出端，使用NID（New Integrated Desulfurization）进行干法脱硫。NID工艺是采用石灰（CaO）作为吸收剂，CaO在消化器中加水消化成Ca(OH)2,然后与一定量的循环灰相混合进入增湿器，在此加水增湿使混合灰的水分从2%增加到5%，然后含钙循环灰以流化风为动力借助烟道负压进入反应器，进行脱硫反应。该技术脱硫效率高，脱硫效率可达90%以上。其主要反应机理为：

图5 NID技术工艺原理图Fig.5 NID technology process schematic diagram

2.3 降低烟尘排放的措施

减少烟尘产生的措施同样是围绕改善炉体密封：炉室缝隙用石棉塞好，用塑料薄膜进行密封，排烟架软连接用石棉被围好，再用小薄膜密封。挡板用薄膜密封好。另一方面提高填充料质量，按期筛分。

治理烟气中烟尘方式很多，主要有焚烧法，吸附法及电捕集法。因电捕集法效率高，不受生产条件限制而被广泛应用到焙烧炉烟气治理上[9]。电捕除尘示意图如图6：

图6 电捕除尘示意图Fig.6 Schematic diagram of electrostatic precipitator

加强电场的维护，跟踪运行电流的变化情况，及时对电场极丝、绝缘子等进行更换。电捕系统的安全运行，对烟气的除尘是至关重要的。

由于NID的技术应用，在脱硫的同时，通过收尘布袋将烟气中的烟尘收集起来，很大程度上解决了烟尘排放的问题。这样在焙烧炉烟气治理方面选取的环保设备技术可采取SNCR+NID，达到超低排放的标准。

3 工业应用效果

焙烧炉烟气污染物控制排放的治理过程中，应选择合理的方法，全面综合治理。要从焙烧炉的细节管理及设备的改进上，有针对性的实施治理。

在以上各污染物治理措施中，多次提到炉体密封，也是为了控制烟气中O2含量。其中控制烟气中O2含量也是降低污染物排放的关键之一。在NOX、SO2等污染物检测时，根据《山东省工业炉窑大气污染物综合排放标准》中规定（见表2），实测值需经过折算，这也是须严格控制O2含量的原因。实测的工业炉窑污染物浓度，必须按公式（1）折算为基准氧含量排放浓度。各类工业炉窑的基准氧含量按表5的规定执行。

表2 基准氧含量Table 2 Reference oxygen content

式中：

c ——大气污染物基准氧含排放浓度，mg/m3；

c′——实测的大气污染物排放浓度，mg/m3；

O2′——实测的氧含量，%；

O2——基准氧含量，%。

经过焙烧炉工艺控制的提高及环保设备改造升级，焙烧炉烟气污染物得到有效的降低。通过对比可明显看出降低幅度， 图7 为环保设备改进前后烟尘含量的对比情况。

图7 环保设备改进前后烟尘含量的对比Fig.7Comparison of smoke and dust content before and after improving environmental protection equipment

从图7可以看出，通过对焙烧炉控制提高及环保设备的改造使用，排放口烟气污染物排放值均得到有效降低，目前污染物排放控制水平已经达到环保要求的特别排放限值。

4 结论

随着环保要求日益加强，对烟气污染物排放要求更为严格，因此，为了满足将来的环保要求，减少大气的污染物的排放并做到超低排放标准：

1、通过焙烧炉的维护与燃烧控制系统的改进，能大幅度降低NOX的产生，为后续的净化设备减少压力。

2、阳极焙烧炉采用SNCR脱硝技术脱硝率可达70%以上，满足我国目前敞开式环式焙烧炉的烟气脱硝处理[10]。并且SNCR烟气脱硝系统布置简易、占地面积小，投资成本低、运行费用低，有很大的经济优势[11]。

3、NID技术应用，烟气在反应器中高速流动，整个装置结构紧凑、体积小、运行可靠。装置的负荷适应性好。脱硫副产物为干态，系统无污水产生。终产物流动性好，适宜用气力输送。脱硫后烟气不必再加热，可直接排放。对所须吸收剂要求不高，可广泛取得，循环灰的循环倍率可达30～150倍。脱硫效率高，脱硫效率可达90%以上。

4、将来投资和运行费用低、脱硫脱硝效率高、污染少、无二次污染的的烟气净化技术将成为技术发展的主要趋势。