碳素行业清洁生产实例研究

刘艳芳　赵锐

关键词： 碳素行业 清洁生产 提升改造 低碳

中图分类号： X322;F407.7 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0138-04

碳素行业是国家的重要原材料工业，具有工艺较为复杂，污染较大，且存在一定环境风险等特征[1]。碳素制品是国民经济发展中不可或缺的基础材料，是典型的循环经济产业，广泛应用于冶金、化工、机械制造、航空航天、风能太阳能核电新能源等领域[2]。目前，铝用碳素行业发展主要面临内部产能过剩、自动化水平低、碳排放量高、资源化水平低等问题[3]。

2006 年12 月，国家发展和改革委员会发布了《铝行业清洁生产评价指标体系（试行）》，2022 年3 月，河南省“十四五”清洁生产方案明确要求大力推进重点行业清洁低碳改造，推动能源、钢铁、焦化、建材、有色金属、碳素、石化、化工等重点行业“一行一策”绿色转型升级，加快存量企业及园区实施节能、节水、节材、减污、降碳等系统性清洁生产改造。

碳素行业是非金属制品业的重要组成部分，主要产品有电解铝用预焙阳极和石墨电极等，我国是世界电解铝第一大国，产能占全球的一半以上[4-5]。近年来，随着铝工业的持续发展，铝用碳素产能总量严重过剩，区域结构性供需矛盾更加突出，铝用碳素需求将进入平台期[6-7]。党的二十大报告中明确提出，要推进美丽中国建设，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展。因此，开展清洁生产审核工作，加快发展方式绿色转型，推动绿色低碳的生产方式，持续提升自身的清洁生产水平，是碳素行业走可持续发展的必经之路。

本文结合碳素企业清洁生产实例，旨在分析清洁生产技术在企业的应用情况及取得的成效，为该类行业企业的清洁生产审核提供思路，助力企业通过清洁生产审核提高绿色低碳转型效率，加快形成绿色生产方式，为国家的节能减排工作做出贡献。

1 企业概况

该企业成立于2014 年01 月，主要生产、加工、销售碳素制品，企业有严格的质量管理体系，各项理化指标符合《铝电解用预焙阳极》（YS/T 285-2012）标准，具有稳定的产品质量优势。公司占地16.53 hm2，总建筑面积16.5 万m2，现有员工350 人，主导产品为铝电解用预焙阳极，配套有原料制备系统、石油焦煅烧系统、生阳极制造系统、阳极焙烧系统，具有年产15 万t 预焙阳极炭块的生产能力。

2 主要污染源及污染物

2.1 废气

废气来源主要有以下几个方面。

（1）原料制备系统：主要包括煅前焦转运输送、贮存、破碎产生的粉尘；煅后焦输送、贮存产生的粉尘；中碎、筛分、配料、磨粉粉尘。（2）石油焦煅烧系统：煅烧炉产生的煅烧烟气，主要污染物为烟尘、二氧化硫、氮氧化物；余热锅炉产生的烟尘、二氧化硫、氮氧化物；煅后焦输送、贮存过程产生的粉尘等。（3）沥青保温系统产生的废气，主要污染物有粉尘、沥青烟、苯并芘；混捏成型工序产生的废气，主要污染物为粉尘、沥青烟、苯并芘；高浓度沥青烟焚烧炉产生的废气，主要污染物为苯并芘、沥青烟。（4）生阳极制造系统：中碎、筛分、配料、磨粉产生的粉尘。（5）阳极焙烧系统：包括填充料清理粉尘；炭块清理粉尘；焙烧炉产生的焙烧烟气，主要污染物有烟尘、二氧化硫、氮氧化物、沥青烟、苯并芘等。

2.2 废水

废水污染物主要包括余热锅炉排水、软水装置排污水、煅烧循环水系统排污水、生阳极冷却循环冷却水、焙烧烟气喷雾冷却水、煅烧烟气脱硫系统循环水和生活污水等。

2.3 噪声

噪声主要包括风机、水泵等公用设备噪声及破碎机、筛分机、振动成型机生产线等工艺噪声。

2.4 固废

固体废物主要有各除尘器产生的除尘灰，收集后全部返回各自工段回用。脱硫装置产生的脱硫石膏，作为一般固废外售。振动成型产生的残次品、焙烧后产生的残次品、废耐火砖等，外售给有需要的厂家。电捕焦油器捕集的焦油、沥青保温罐定期清理的沥青渣、导热油炉更换的废导热油，属于危险废物，采用专用容器进行收集，最终交由危废处置单位统一处置。生活垃圾经企业收集清理后由当地环卫部门清运至垃圾处理厂，企业固废均得到合理处置。

3 企业清洁生产潜力分析

3.1 原辅材料和能源消耗

企业阳极炭块生产过程中使用的原辅材料是石油焦、沥青等，原辅材料的采购由质检部负责提供采购标准，财务部制订有采购计划和质量管理体系，企业对采购的原辅材料有严格要求，杜绝“三无”产品进入。企业生产过程中、物料在输送过程中都可能存在损失，在生产过程中除煅烧挥发份损失外，还包含收尘器损失和无组织排放等。因此，建议企业对原辅材料运输、储存、装卸等环节加强管理，如运输车辆加盖防护罩、各输送通道密封操作、文明装卸、原料堆场及主要道路定期喷洒水等，防止物料散落，避免扬尘污染。

企业水源由集聚区给水管网提供，生产过程中的废水全部循环利用，不对外排放，生活污水经厂区化粪池处理达标后，通过市政污水管网进入污水处理厂进一步处理达标后排放。企业绝大部分依靠市政供电（约90%），其他来自厂区余热发电系统。为了充分利用煅烧余热资源，企业建设有煅烧余热利用系统，利用汽轮机发电机组进行发电，能够满足厂区10% 左右的用电需求。近3 年，企业单位能耗基本稳定，用电管理水平保持较好，但部分生产工序电耗仍有降低空间。建议企业制定能源管理考核制度、节能减排考核奖惩办法等措施，加强对能源的管理。企业通过本次清洁生产审核，预计物耗、能耗有所降低。

3.2 技术工艺和设备

该企业煅烧炉选用的是44 罐、8 组8 层火道罐式煅烧炉，混捏工序选用4 000 L 双层混捏锅，成型設备选用单工位振动成型机，焙烧炉采用38 室敞开式焙烧炉，连续生产，生产效率较高，产品质量相对稳定，装出炉易于机械化，焙烧升温控制调节方便。依据碳素行业清洁生产评价指标体系，企业生产技术指标、装备指标先进，但部分生产工序设备运行效率不高，建议企业建立预防性维修设备制度，确保各生产设备均能正常良好运转，最大限度地减少资源能源浪费。

3.3 产品

产品主要是预焙阳极炭块，企业根据市场需求，在生产过程中通过提高生产控制水平进一步优化产品结构，提高产品的合格率。

3.4 废弃物

企业的主要废弃物为废水、废气、噪声、固废。生产废水全部回用不外排，生活污水，主要污染物为COD、SS、氨氮，经厂区化粪池预处理后，经过市政污水管网进入污水处理厂，进一步处理，达标后排放。企业废气主要有煅烧烟气、焙烧烟气、沥青保温系统废气、混捏成型废气、各破碎、粉磨、料仓、配料等工段产生的粉尘等，分别经过除尘、焚烧、脱硫、脱硝等处理设施处理达标后排放。企业产生噪声的主要设备设在室内，基本不对厂区外产生影响，产生的固体废弃物均能够得到合理妥善的处理。

3.5 管理

企业建立并不断完善管理体系，坚持管理与技术创新相结合，针对自身特点，不断对现有工艺、设备进行改造，不断优化考核措施，有效实施能源管理，提高能源的利用效率，增强企业竞争力和抗风险能力，推动了企业健康快速发展。企业制定有完整的《环境保护管理制度》《环境监测管理制度》《突发环境事件应急预案》《清洁生产管理制度》《安全生产管理制度》《设备检修及管理制度》，包括环境标准、管理制度、工作目标、做到管理有标准，工作有目标，人人有职责，岗岗有规定，考核有依据。

3.6 资源能源利用及产排污情况对比

根据审核咨询小组实际经验，结合行业专家指导，对比同类型同规模企业情况具体如表1 所示。

依据国家发展和改革委员会发布的《铝行业清洁生产评价指标体系（试行）》，计算企业综合评价指数为P = 0.7 ? 99.88 + 0.3 ? 84 = 94.42，企业属于清洁生产先进企业。但由于该行业清洁生产评价指标体系较早，审核小组结合企业现状与同行业企业进行对比分析，其生产流程仍存在需要改进的薄弱环节，以提高自身的清洁生产水平。

通过采用权重计分排序法确定审核重点为煅烧车间，将降低石油焦单耗、电耗，减少烟粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放作为此次审核的主要目标。

4 主要清洁生产技术方案设计及效果分析

企业根据分析出的清洁生产潜力，从源头、生产过程和工艺装备入手，重点在节电、节天然气，减少烟粉尘、氮氧化物排放等方面采取了脱硫系统增加板框压滤机、锅炉省煤器改为外置省煤器、脱硫塔除雾器改为高效旋球除雾器等清洁生产技术，达到了“节能、降耗、减污、增效”的目的，经济和环境均得到了明显改善，详细方案如下。

4.1 脱硫系统增加板框压滤机

4.1.1 方案提出

现有脱硫系统使用的脱硫石膏脱水装置为真空皮带机，该设备运行过程中存在石膏脱水效果不好的现象，滤饼脱水效果差，导致前方脱硫工序浆液浓度偏高，脱硫效率低。

4.1.2 方案内容

增加一台板框压滤机，提高滤饼脱水效果，保证脱硫塔脱硫浆液浓度，改造后滤饼含水率和控制在9%～15%，提高脱硫效率。

4.1.3 方案效果分析

板框式压滤机能够在很短的时间内完成隔膜压榨功能，不仅效率高，并且可以很大程度地节省用电消耗。另外提升泥饼干度，降低泥饼含水率，隔膜压榨对静态过滤结束后的滤饼进行二次压榨，使滤饼的结构重排，致密度加大，从而置换出一部分水分，提高了干度。改造后提高脱硫效率，年减少二氧化硫排放量0.93 t/a，确保脱硫浆液浓度，减少脱硫塔堵塞现象，减少脱硫塔清理次数，原清理周期由1 月/次延长为3 月/次，年减少脱硫塔清理次数8 次，减少清理费用16 万元；减少脱硫循环泵运行台数，年节约用电42.05 万kWh，年度综合经济效益45.44 万元。

4.2 锅炉省煤器改为外置省煤器

4.2.1 方案提出

煅烧余热锅炉利用煅烧烟气余热产生蒸汽并发电，原余热锅炉的省煤器为内置省煤器，经多年运行设备运行效率，故障率高，一方面煅烧余热利用效率低，另一方面内置省煤器不利于检修，增加维修成本。建议将锅炉内置省煤器改为外置省煤器。

4.2.2 方案内容

将厂区15 t/h 蒸汽锅炉、7 t/h 蒸汽锅炉的原内置省煤器改为外置省煤器，增加至烟气脱硝装置与袋式除尘裝置中间，一方面可提高烟气余热利用率，增加蒸汽产量；另一方面可提高检修效率节约维修成本。烟气进外置省煤器之前温度在200 ℃左右，经余热利用后出口温度可降至90 ℃左右，可降低脱硫塔入口温度，提高脱硫效果，提高烟气中氮氧化物处理效率。

4.2.3 方案效果分析

外置省煤器可进一步提高给水温度，提高锅炉的蒸发量降低烟气温度，回收烟气热量，提高锅炉热效率，节省燃料。方案实施后，降低烟气流速，减少对除尘设备的冲击，提高除尘器除尘效果，降低烟气温度，利于脱硝，否则烟气温度高会导致脱硝效果差，提高烟气中氮氧化物处理效率，年减少颗粒物排放量0.679 t/a，减少二氧化硫排放量0.785 t/a，减少氮氧化物排放量2.961 t/a；充分利用余热，提高烟气利用率，年增加蒸汽产量21 600 t，蒸汽单价130 元/t 计，增加效益280.8 万元。

4.3 脱硫塔除雾器改为高效旋球除雾器

4.3.1 方案提出

现有煅烧车间脱硫塔内部设计为三层除雾器，采用传统的除雾器，运行效果较差且容易造成堵塞，使烟气流通面积减少，烟气流速增加，降低除雾器去除雾滴的效率，影响生产负压及脱硫除尘效果；此外，除雾器的结垢和堵塞，会造成人除雾器的阻力大大增加，增加增压风机（或引风机）的出力，增加了电耗。

4.3.2 方案内容

将脱硫塔原除雾器第一层、第二层改为高效旋球除雾器，提高脱硫、除尘效果，且此种除雾器为动态除雾器，不易造成堵塞。

4.3.3 方案效果分析

高效旋球除雾器包括由上挡板、浮球筒和下挡板构成的浮球仓、堆放在其中的浮球和设在其下方的浮球风机。属于一个专利技术发明，可完全取代传统除雾器。高效旋球除雾器除雾效率高，达到95% 以上；烟气降温效率高，达到45 ℃以上，二氧化硫排放浓度在30 mg/Nm3以内，含尘浓度在5 mg/Nm3以内。只需利用原有吸收塔空间进行改造，不改变吸收塔外部结构。系统运行稳定，甚至无须单独维护，具有自洁功能，吸收率高效稳定，烟气出口指标稳定。技术运用成熟，效果稳定。

方案改造后，提高脱硫、除尘效果，进一步阻断颗粒物排放，年减少颗粒物排放量0.835 t/a，减少二氧化硫排放量1.020 t/a，减少氮氧化物排放量3.592 t/a；提高除雾器使用寿命，减少脱硫塔堵塞，节约成本，降低风机运行负荷，年节电15 万kWh，年度综合经济效益34.5 万元。

5 结语

碳素行业是国家的重要原材料工业，具有工艺较为复杂，污染较大，且存在一定环境风险等特征。开展清洁生产审核工作，加快发展方式绿色转型，推动绿色低碳的生产方式，持续提升自身的清洁生产水平，是碳素行业实现可持续发展的必经之路。实践证明：实施清洁生产技术改造工作，助力企业改进工艺和设备，配备高效末端治理装备，解决能耗高、污染重等问题，对实现铝用碳素行业持续发展具有重要意义。由于碳素行业生产工艺技术大体相同，因此，该公司成功实施的清洁生产技术在整个行业有较高的参考应用价值，有助于提高行业整体清洁生产水平。