[发明专利]炭素焙烧炉沥青烟气净化回收利用方法

说明书

本发明公开的一种炭素焙烧炉沥青烟气净化回收利用方法，旨在提供一种能够减少环境污染，净化效率高的净化回收利用方法。本发明通过下述技术方案予以实现：将从炭素焙烧炉各室集烟道汇集到炉中主烟道，将温度控制在180℃以下，再将主烟道中排出的沥青烟气经冷却管道和电捕焦油器处理后进入引风机。在风机负压作用下，通过风量调节阀控制将冷空气吸入管道内使烟气冷却，降低烟气温度，烟气温度保持在80～90℃，然后送入电捕焦油器的高压电场中释放的电子电荷，在电场力作用下驱向阳极中和，附着在阳极板表面的颗粒物沿集尘极表面流入除尘器；然后将回收焦油放入温度在160‑180℃的储罐内，与中温沥青混合均匀形成浸渍剂。

技术领域

本发明涉及一种炭素焙烧炉沥青烟气净化回收利用方法。

背景技术

炭素行业在沥青熔化、混捏、成型和焙烧等过程中,挥发与散发着大量沥青烟气和烟尘。沥青烟是在炭素、电解铝行业生产和加工过程中产生的大量液态和少量气态多环芳烃类碳氢化合物的混合物,含有3,4苯并芘、苯并蒽、咔唑等80多种多环芳烃类物质[1],且大多是致癌和强致癌物质,粒径多在0.1～1.0μm之间,最小的仅0.01μm,最大的约为10.0μm。焙烧是炭素制品生产过程中的重要工序。焙烧是在焙烧炉内用焦炭粉末作为保护介质，在隔绝空气条件下，根据产品的技术要求，按一定的升温速度进行加热到最高焙烧温度1200～1300。同时烟气温度极不稳定,通常在80～300℃之间。石墨电极以焦炭粉末和中温煤沥青为原料， 二者按一定比例混合后加压制成生坯块。焙烧燃料采用天然气，焙烧炉型为环式焙烧炉结构。将加压成型的生坯块装入8室焙烧炉中，生坯块之间填充焦炭粉末作为保护介质，在1200～1300之间，经过高温焙烧一定时间后成炭素制品。由于生坯块的主要原料是焦炭粉末和沥青，所以，焙烧过程中会有大量沥青烟和烟尘逸出。焙烧过程污染物来源：焙烧炉采用天然气作燃料，在焙烧过程中，除天然气燃烧产生的烟尘和 SO 外，炭素生坯块中的沥青，因高温热解可散发出大量沥青烟。在焙烧初期的加热升温阶段，主要污染物为烟尘和SO ;升温中期为沥青挥发期，主要污染物为沥青烟(含有苯并芘、苯并蒽、咔唑等);焙烧后期主要污染物为烟尘、SO 和少量沥青烟。焙烧过程中产生的烟尘、SO和沥青烟等污染物经集烟道收集后由烟囱高空排放。 烟气净化工艺选择：炭素焙烧炉产生的烟气成分复杂，有沥青烟、烟尘、SO在80～300℃之间，这种烟气工况对沥青烟的各种净化方法均有不同程度的影响。目前，国内外正在研究和应用的沥青烟净化方法有:燃烧法、吸收法、吸附，其中燃烧法要求烟气温度＞700℃，沥青烟浓度较高;吸收法多采用汽油、柴油等有机类液体作吸收剂，净化效率低，存在着二次污染问题;吸附法采用比表面积大的多孔性物质(活性炭、焦炭粉、 氧化铝等)作吸附剂，对沥青烟进行物理吸附，但系统阻力大，更换滤料麻烦。根据炭素厂的实际生产情况，上述 3种净化方法均不适用。目前炭石墨工业在其生产过程中所产生的废气、废水、粉尘仍未得到根本解决，对环境造成多方面的危害。炭素厂由于在配料车间冒黑烟，在焙烧车间冒黄烟，形成“黑龙”和“黄龙”而成为城市环保方面的重灾区。其中炭素制品的焙烧是将含有沥青黏结剂的生制品在隔绝空气的条件下，通过高温进行炭化的过程。在焙烧炉尾气中，除燃料的燃烧产物和夹带的填充料粉尘外，还含有大量的黏结剂热解产物。热解产物主要含有大量低碳链的烃类物质及少量的氮、硫杂环化合物和多环芳烃。这些物质造成环境污染，严重影响人、动物、植物的生长发育，如果人长期处于沥青油烟污染的环境中，可使呼吸道和脾脏等致病。 因此，治理焙烧炉尾气对每一个炭素厂来说都是至关重要的。不同类型的焙烧炉以及不同的原料所产生的焙烧烟气量、焙烧烟气成分都不相同。目前国内各大炭素厂采用的主要烟气净化方法有：电捕法、吸附净化法、焦粉吸附净化法及碱吸收湿法。电捕法电捕法是用高压静电捕集焦油的方法。它分干法和湿法。当前使用最为广泛的焦油捕集装置，其净化流程为：来自焙烧窑的烟气经地下烟道分别进入电场，在高压电的作用下，烟气中的焦油粒子移向两极，并顺流到锥体内，使烟气得到净化；净化后的气体经风机排入大气，捕集下来的焦油用到生产配料中。其缺点是由于收集的焦油结焦率低，对产品结构会造成缺陷，目前基本上停止采用这种办法处理回收焦油了。当电除尘器出现故障时，其前后阀门关闭，烟气经附烟道直接排空。炭素焙烧炉烟气净化有干法吸附法， 稀相流化床及湿法等净化方法，与电捕焦油方法相比，工艺流程复杂，投资大，运行维护繁杂，安全可靠性差。众所周知, 炭素厂属污染较重的企业。炭素焙烧过程中产生的沥青烟是一种含有大量多环芳烃以及少量氧、氮. 整个沥青烟气净化系统由于受生产设备、净化系统制造安装技术、工艺条件、系统监测、管理水平等诸方面的影响，常发生事故。沥青烟气净化系统的不可靠或使用失误会导致大量有害气体外排，污染环境，严重时甚至会导致焙烧炉爆炸。制造碳素电极的主要原料有石油焦和沥青，经过配料、混捏成型和焙烧等工序，生产出各种制品。在整个碳素电极生产制造过程中均产生大量的有害气体和粉尘，尤其以焙烧炉排出的沥青烟气对环境的污染最为严重。在焙烧过程中，排出的沥青烟气（约占生料重量20wt%左右）大部分是0.1～1.0μm 的焦油粒子，烟气中苯并〔α〕芘等致癌物的含量高达1.3～2.0mg/m3。环式焙烧炉有密闭式和敞开式两种炉型。密闭式焙烧炉中，沥青挥发分通过填料到达炉盖下部空间，然后被抽入烟道排出，由于密闭性好，掺入空气量少，氧气含量低，不能燃烧，所以烟气温度低，沥青烟含量高，粉尘含量低。目前国际上密闭式焙烧炉烟气治理以电捕集法为主约占85wt%，我国密闭炉烟气净化也基本采用此法。主要净化设备为电捕焦油器，有3种结构形式，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。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90wt%，比同心圆式电捕焦油略有提高，运行稳定性有所提高。湿式电捕集法在实际运行中容易发生结疤，进而影响净化效率；干式电捕集法只能捕集冷凝焦油微粒，而且轻质焦油燃烧后所生成的粘稠物很难从极板上自流下来。干法净化流程简单，利用电解原料－氧化铝作吸附剂，回收的物料全部返回电解槽使用，做到化害为利，不存在二次污染问题，对沥青烟、氟化物、粉尘同样均可达到很高的净化效率。主要缺点是对SO2的净化基本无效。碱吸收湿法 焙烧炉烟气首先经重力沉降室去除粗粒粉尘，然后进入洗涤塔，用稀NaOH 溶液喷淋洗涤，烟气中的HF和SO2 被NaOH溶液吸收，一部分粉尘和沥青也被洗涤，从洗涤塔出来的烟气再经湿式电捕集器净化，沥青烟、氟、粉尘等污染物一般能符合排放标准的要求。湿法净化运行较为稳定，并可同时除去部分氟、SO2，但却将污染物由烟气转入废水，必须设废水处理系统，若废水处理系统管理不善，将带来废水二次污染问题，湿法净化工艺较为复杂，设备较多，给操作管理和设备维护造成困难，反应中产生的CaSO4易使处理设备结垢，恶化处理效果。此外，在寒冷地区还需解决冬季结冰等问题。焦粉吸附净化法 该方法是采用生产原料焦粉作为吸附剂，吸附烟气中的沥青烟，然后经布袋除尘器实现气固分离，它吸附沥青焦油的净化效率高，用过的吸附剂可返回生产系统使用，但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。 沥青烟中含有液态焦油粒子和气态烃类挥发分两种状态，无论何种处理方式，均是液态比气态沥青净化效率高。气、液两相的比例随温度变化而互相转化。因此，温度的控制是保证净化设施正常运行的关键，适宜的温度为80±5℃；冷凝的沥青烟容易粘附管道和设备，特别是含有粉尘条件下，可能影响净化设施正常运行。在查阅的有关沥青烟气净化的文献中，讨论或使用最多的为电捕集法 有称干式电捕集法或电捕法等,仍然属于电捕集法。根据文献检索，在国内外相关文献中尚未检索到关于沥青烟气净化系统及其子系统可靠性研究的资料，可以说该研究工作尚属空白。沥青烟气属于高温烟气的范畴，温度在150～230℃，是一种复杂的气溶胶，主要由气、液两相组成，气相是不同气体的混合物，液相是十分细微的挥发冷凝物（大量的粉尘和化合物），粒径多在0.11～110μm之间。沥青烟的成分主要是多环芳烃 PAH 和少量的氧、氮、硫的杂环化合物，其中有萘、菲、蒽、酚等100多种物质，强致癌物苯并芘的含量高达113～210mg/m3，对动植物、人体会造成严重的伤害。此外，还包括填充料粉尘固态物质等。因此，对焙烧沥青烟气必须进行净化处理。查相关资料，沥青自燃点610℃，爆炸下限35g/m，最小点火能量40mJ，最大爆炸压力0.32MPa，压力上升速度平均2.5MPa，防止浮游粉尘被电火花引爆的临界氧含量为16％。 由于沥青本身和焙烧制品生产工艺的复杂性，使得沥青烟气的性质更为难于掌握。根据沥青烟气组成特点，沥青烟气中通常含有成分有：①沥青，②粉尘，③SO2，④O2，⑤CO2，⑥NO，⑦NOx，⑧N2。根据成分特点，将烟气成分分为三组，即a.沥青，b.粉尘，c.包括③～⑧，这样就构成了复杂的气溶胶，组分c.为气相，为被分散相，组分a.和b.为分散相。根据该焙烧炉产生的沥青烟气各组分含量质量百分比，且考虑到烟气中无水分存在，可将该烟气视为干空气处理。干空气替代沥青烟气而导致的误差。在整个沥青烟气净化系统中，按照系统理论将其分为以下三个子系统： ⑴ 通风管道子系统 包括烟气入口-全雾化喷淋装置入口段Ⅰ，全雾化喷淋装置出口－电捕集器入口段Ⅱ，电捕集器出口段－风机入口段Ⅲ，风机出口－烟囱入口段Ⅳ，以及旁通烟道段，输送烟气的动力设备 即排烟风机，一用一备 ，烟囱；喷淋雾化子系统 包括全雾化喷淋装置，冷却水循环系统，以及辅助的自控系统。其中，冷却水循环系统包括，水泵，管道，水池，过滤装置以及辅助阀门等；电捕集器子系统 包括电捕集器，防爆泄压装置以及供电系统和自控系统。，根据工程实际经验，按照通风管道系统划分的段总结出以下特点及其事故特点： 1 烟气入口－全雾化喷淋装置入口段来自焙烧炉的烟气温度一般在150～300℃之间，其中含有可燃成分沥青和粉尘，这些可燃物与空气或氧气混合、达到最低着火温度，就有爆炸的危险。因此，在这一段常常发生沥青烟气燃烧现象，导致事故发生；在全雾化喷淋装置入口处，要满足设计要求的烟气流量，如果出现波动，且波动幅度大，而喷水流量得不到合适的调节，这将导致烟气温度处理不当，将会严重影响电捕集器的工作；全雾化喷淋装置出口－电捕集器入口段 全雾化喷淋装置的任务就是将烟气处理到合适的温度，以保证电捕集器工作的效率，并防止电捕集器由于烟气温度过高发生燃爆，过低不利于极板上沥青的清除；此外，全雾化喷淋装置出口的烟气，因为经过降温加湿处理，该段烟道布置如果不合理，极易发生沥青凝聚颗粒黏附烟道壁，长期使用，将会使烟道横截面积减少，导致系统输送烟气参数不稳定，并且如果有火星跳入该段烟道就会立刻发生燃烧现象，导致事故发生电捕集器出口段－风机入口段在此段，由于电捕集器的工作完成，烟气达到排放标准。排放烟气有害物浓度应低于50 ，烟Ⅰ段烟道发生燃烧事件，电捕集器发生燃爆事故，或检修主净化系统时启动，将焙烧炉产生的烟气直接通过烟囱排入大气，因此，应尽量避免开启旁通烟道。 通风管道系统可靠运行是系统各构件完成各自职责的保证，是基础条件；同时，其它构件的稳定运行也是通风管道系统在设计要求范围内正常运行的制约因素，与通风管道系统是不可分割的整体。喷淋雾化子系统 该系统包括全雾化喷淋装置，和冷却水循环系统两大部分。其中，全雾化喷淋装置常采用无填塞材料的冷却调质塔，冷却水经喷嘴雾化为水滴，与烟气进行换热换质，实现降低烟气温度的目的。由于沥青烟气的特殊性，雾化喷淋系统易发生故障（如，烟气温度处理不合要求）。烟气速度波动，喷水量不足，喷淋头发生堵塞等都可能是造成故障的原因。凝并的沥青颗粒会有部分大直径颗粒随未蒸发的水滴一并落下，这就为冷却水的循环提出了难题。凝并的沥青为粘稠液体，极易黏附管道，措施采取不当很有可能堵塞管道，另外一个值得注意的问题是，沥青和水混合物的分离问题，也即如何将沥青从水中过滤掉，以提高循环水利用率。电捕集器子系统 电捕集器在运行中会出现燃烧和爆炸事故，国内外均有发生。原因有，碳素焙烧炉操作不正常，导致生产工艺控制时有波动；燃料不完全燃烧致使大量可燃性气体和粉尘带入烟道和电场；当电场电压升到足够高，即放电极附近的电场强度达到足够大时，周围的气体被电离，电离后气体中存在着大量的电子和离子。这些电子和离子使进入电场的烟气中的尘粒荷电，绝大多数荷负电，在电场力的作用下，带负电荷的尘粒趋集于收尘极，带正电的尘粒趋向于放电极。尘粒达到电极后释放出电荷，然后依靠分子引力和剩余的静电力吸附在电极上。当此类尘粒积聚到一定厚度时通过振打装置的振打作用，尘粒被其惯性力从电极表面剥离下来落入灰斗，收尘过程即告完成，这一过程是连续而高速进行的。烟气温度对除尘效率的影响粉尘的比电阻是决定电除尘器除尘效率高低的一个主要因素。飞灰比电阻值偏高，是影响电除尘器效率的关键因素，如何提高高比电阻灰的电除尘效率是一大难题。 粉尘的比电阻可看成由两个并联的电阻组成，其中一个为体积比电阻，即通过粉尘内部导电呈现的电阻，一个为表面比电阻，即通过粉尘表面导电呈现的电阻，组成粉尘的各种成分的导电性能 决定了粉尘体积比电阻大小，组成粉尘的各种物质的导电性能受温度影响显著，当温度较高时，粉尘内传导电流的离子与电子将获得更大的能量使粉尘层的导电能力升高，体积比电阻下降。运行中变化的烟气温度对比电阻的影响较大。当烟气温度过高时，遇明火或电场内某处的积灰招电火花的频繁打击等。 电捕焦油器按电极形状分为：板式、棒帏式、管式（并列管式、同心圆管式） 为了保证电捕焦油器的正常可靠运行和捕集效率，必须确保电场不被沥青和粉尘糊死，并防止着火。 经全雾化喷淋装置处理的烟气进入电场，在高压电的作用下，烟气中的焦油粒子移向两极，并顺流到锥体内，使烟气得到净化；净化后的气体经风机排入大气，捕集下来的焦油回收。 电捕焦油器运行初期净化效率较高，但对烟气温度要求高，需在85℃左右；温度过高，比电阻超过1011不利于电捕集，同时烟气中含有浓度较高的烟尘，而捕集的粉尘会粘附在极板上，需定时进行振打使其脱落。全雾化喷淋装置内主要实现降低烟气温度到80℃左右，那么影响它功能实现的因素有很多，比如，上面提到的烟气流速、温度，冷却水温度、流量，喷嘴雾化效果、喷嘴结构（是否易发生堵塞）、布置密度等；在系统设计既定之后，运行过程中，也可能出现一些问题，如喷嘴背压稳定性，如果喷嘴选取很合理，但提供的背压不当，也会对烟气调质造成影响。工程实际中，常采用的喷嘴种类有旋转式雾化器，气流式雾化器和压力式雾化器。 旋转式雾化器（也称离心式雾化器）主要类型有光滑盘、雾化轮及旋转－气流雾化器。其特点有，在装置内只安装一个雾化器就能完成任务；在一定范围内，可以调节雾滴尺寸；运行调节范围大；但是雾化器结构较为复杂，需要传动装置、液体分布装置和雾化轮，对加工制造的技术要求较高；结构复杂，也给检修带来不便。