熔块窑炉使用发生炉煤气和全电能污染物排放对比*

洪 流 李海伦 陈修成

(1 佛山市土壤和固体废物污染防治技术服务中心 广东 佛山 528000) (2 佛山市新之源污水处理有限公司 广东 佛山 528000) (3 佛山市海特克玻陶技术有限公司 广东 佛山 528031)

2020年1月，生态环境部在京召开2020年全国生态环境保护工作会议，对2019年生态环境情况进行总结，提出2020年工作思路是“抓重点、补短板、强弱项”，12项工作中包括“坚决打赢蓝天保卫战、着力打好碧水保卫战和扎实推进净土保卫战”。

在经济发展的压力下，企业和政府部门对环境保护与经济发展的关系一直没有得到平衡，重发展轻保护的现象依旧存在，2019年1～11月，全国粗钢、乙烯、水泥、平板玻璃等产品产量同比分别增长7.0%、9.3%、6.1%、6.9%，重点区域高耗能行业增长势头更明显，增加重点区域环境质量改善难度。

发生炉煤气作为陶瓷行业的传统燃料应用极为广泛，但受近年出台的“煤改气”及“限煤”等政策的冲击，发生炉煤气的应用受到了极大的限制。2019年7月1日生态环境部等四部委发布《工业炉窑大气污染综合治理方案 》 (环大气[2019]56号)，文件中规定：原则上禁止新建燃料类的煤气发生炉。

陶瓷行业长期粗放式发展，在带来高效经济回报的同时也对环境造成了巨大污染，基于这个原因，近年来各地在出台环境治理政策时都会将陶瓷行业列入重点控制范围。随着行业洗牌加剧，竞争更加白热化，行业逐步进入微利时代。熔块是重要的陶瓷原料，在改善釉料特性、制造特殊装饰效果方面不可缺少。熔块加工需要很高的温度，耗能是重要成本，所以整个行业一直在追随廉价能源而迁移，从广东佛山到山东淄博，到目前分散到全国各地。目前熔块行业的迁移路线是选择经济相对落后，环保治理要求和政策相对比较宽松，还允许使用发生炉煤气的地区。

环保治理全国一盘棋是个大趋势，发生炉煤气由于其制造和使用过程中存在较多污染和安全隐患，逐步会受到关停或限制。熔块生产可能的取代能源主要是天然气或电能，由于加热机理不同，使用电能的经济效益根据各地电价不同而有所差异，笔者仅从污染物排放方面进行对比。

1 煤气与电加热熔块窑炉加热机理

1.1 煤气燃烧机理

1.1.1 煤气原理及燃气成分

煤的工业成分分析项目一般有挥发分、固定碳、水分、灰分等，化学成分除碳、氢、氧、氮、硫以外，还根据产地不同, 含有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氢、氧是煤炭有机质的主体，一般占95%以上。煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素，氧是助燃元素。煤炭燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。

硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分，其中以硫含量对质量影响最大。高煤制气的原理就是将煤炭中固定碳转换成可燃的气体,一般使用空气在有水的状态下进行不完全氧化反应。为了提高燃气热值，也有采取富氧空气的方式，不在此对比研究范围。

煤制气是多个化学反应同时进行的过程，主要化学反应有：

表1 发生炉煤气组成(体积分数)

1.1.2 熔块使用煤气熔融机理

使用燃气生产的熔块窑炉是一般采用蓄热式马蹄焰池窑，从侧面加料，生料在窑炉底部，燃料在窑炉空间燃烧，使得空间温度上升，主要通过辐射和对流方式加热使生料熔融成玻璃态。一氧化碳与氢气在高温下燃烧产生热量，主要化学反应有：

1.2 电加热熔融机理

电加热熔融采用的是内部加热的塔形冷顶窑炉，熔块生料是各种粉末原料的混合物，在低温下几乎是绝缘体，随着温度的上升慢慢融化逐渐具备一些导电性能，高温熔融下玻璃液状态是一种良导体。在融化的熔体内插入电极，利用电流的焦耳效应内部加热，粉料由窑炉的上部加入，底部熔融完全后流出。由于生料不具备导电性，因此需要先利用其他能源把生料融化到一定程度，具备导电性以后才能通电，常见的是使用天然气先进行助熔。为了方便电极安装合理位置，电炉常设计为多边形，常见的为正六边形。

图1 燃气窑炉示意图(上图为俯视图，下图为侧视图)

2 煤制气与电加热熔块窑炉加热污染物排放对比

2.1 煤气加热污染物排放

2.1.1 煤制气阶段的污染物产生

煤制气是一个固体燃料转换成气体燃料的过程，由于煤炭组成繁多，反应过程复杂，在转换过程中会生成多种产物，这些产物主要有固、液、气3种形态。固态主要是废渣，液态是含酚污水、焦油等，气态主要以煤气形式输出。

废渣主要成分有硅、铝、钙、镁等，且含有一些未完全反应的碳，它可以用来加工透水砖等建材。煤焦油液态产物主要有含酚污水、焦油等。含酚污水来源是煤气在净化冷却和输送过程，有水冷凝析出，制气过程中产生的酚类物质溶解至这部分水中便形成了酚水，酚水成分复杂含有多种酚类物质、还有油类和其他悬浮物，其中以苯酚含量最高。2017年世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单，苯酚在3类致癌物清单中，属于“对人类致癌性可疑,尚无充分的人体或动物数据”范围，在进行深入研究的同时，各国也对此进行了严格管制。酚水的无害化处理是焚烧，目前陶瓷行业通常是将煤气站筛出的粉煤加工成水煤浆作为燃料，酚水加入其中，在使用时同时燃烧。煤焦油约占煤的3%左右，因具有较高热值常常被作为工业燃料使用。其中含有多种煤炭衍生物和微量成分也是重要的化工原料，用来提取重要化工产品，目前提取的主要产品有萘、酚及其同系物蒽、菲、咔唑等，广泛应用于合成纤维、工程塑料、农药、医药、燃料中间体、炸药、油漆、染料等领域。现行有效的2016 年6月14日由原环境保护部、国家发展和改革委员会、公安部发布的《国家危险废物名录》和2019年生态环境部发布的《国家危险废物名录(修订稿)》征求意见稿都将“煤气生产过程中煤气冷凝产生的煤焦油”列入其中。

图2 电炉示意图(上图为侧视图、下图为俯视图)

煤气发生炉在点火运行期间和应急停送气时会有少量煤气通过排放出去，生产过程产生的废气还包括煤炭储存、转运、筛分、加煤等过程中产生的粉尘污染。另外还有VOCs污染，主要来源有焦油池和酚水池散发的VOCs污染，其主要成分是挥发性的烃、烯、芳香烃类和苯、酚类等物质；还有煤气湿法脱硫系统产生的VOCs污染，主要是脱硫液再生过程中，混入脱硫液中的部分挥发性的芳香烃类和苯酚类、游离氨以及微量H2S等。

2.1.2 使用煤气生产熔块的污染

煤气燃烧提供熔块窑炉热量，会产生大量CO2，由于煤气组分中存在的其他有害成分还会产生其他污染物，其中主要是SO2。

熔块生产大部分需要1 500 ℃的高温，同时会排放较高浓度的NOx。

表2 不同含硫量煤气化后煤气中H2S含量以及燃烧后烟气SO2含量(mg/m3)

表3 同一台燃气熔块窑炉不同时间烟气NOx监测数据

2.2 电加热污染物排放

电加热窑炉由于没有燃烧和高压气流，生产过程中无特殊污染物，生产时几乎处于密封状态，无烟气无废气和粉尘产生。其主要污染物为产品熔制过程中产生的部分挥发性物质，这些挥发物相对于燃气产生量稍微少一些。作为能源消耗，排放是必不可少的，电加热的污染物排放产生在发电环节。

2.3 煤制气与电加热熔块窑炉加热污染物排放对比

从前面对比可以看出，在熔块生产上使用煤气和用电在生产环节的污染物排放差异巨大，使用煤气会存在很多难以克服的污染治理问题。

1)酚水。很难处理，由于排放标准收严，越来越多的陶瓷厂在改用天然气，水煤浆的消耗越来越少，酚水更加难以处理，按理自行焚烧也需要进行环评。

2)煤焦油。被列入危险废弃物名录，企业如果在环评报告中没有报告使用煤焦油的工艺，无论自用还是出售都是非法的。

3)NOx。熔块窑炉相对较小，很多地方并没有强制脱硝，但是由于排放浓度太高，排放总量很可观，很容易超量排放，在一些地方执法中，严控总量可能会被迫停产。

4)脱硫污水及污泥。污泥因其杂质太多，很难使用，已经成为很难处理的固废。而煤气燃烧的这些问题在电炉上基本不存在，电炉只要配置合适的集尘设备就可以，收集粉尘还可以回收使用。

据报道，山东地区熔块熔化费较年前已每吨上涨150元左右，涨幅接近40%。造成熔化费上涨的主要原因是，当前在产的熔化炉数量较少，其中主要原因之一是山东省在今年继续压减焦化产能，从而导致部分焦化煤气生产厂家关停，由此引发同一地区熔化炉因无燃料而停产。即使熔块需求量下降，这些产能依然有部分需要补充，在目前大环境下，可供选择的主要燃料有天然气、煤气和电力。除了前面对比的污染物排放差异以外，能耗方面电炉也有明显优势。电加热窑炉相对于煤制气窑炉热效率高，电熔炉热交换在炉内进行，温度最高的部位在电极附近，炉顶、池壁、炉底温度较低，因而向周围介质散失的热量极少，立足长远，电炉无疑是一个优选。